天然气管道输送及操作技术

天然气管道输送及操作技术赵会军江苏工业学院油气储运工程系二00八年十二月本课程的主要内容：1．概述2．天然气的基本特性3．天然气净化4．管路中气体流动的基本方程5．天然气管道输送6．输气站与清管技术7．天然气输送系统相关设备8．内涂层减阻技术简介1第一章概述Introduction§1.1天然气在国民经济中的重要性一、什么是天然气？所谓的天然气一般是指自然生成、在一定压力下蕴藏于地下岩层孔隙或裂缝中、多组分、以烷烃为主的混合气体，从广义上讲，天然气可以说是气态的石油。二、天然气的用途天然气是清洁、高效、方便的能源，天然气的热值较高，每立方米平均为33MJ(人工煤气为14.6，液化石油气87.8～108.7气态)，不含灰分，容易完全燃烧，不污染环境，运输方便。它的使用在世界经济发展和提高环境质量中起着重要作用。天然气近年其年产量增长速度高于石油与煤，在能源消费结构中的比例达23.5％（我国2～3％）。目前世界天然气为仅次于石油和煤炭的世界第三大能源，据预测，21世纪天然气在能源消费结构组成中的比例将超过石油，成为世界第－能源。其主要用途为：1、城镇居民、公共建筑和商业部门，约占总用量的41.5％；天然气与其他燃料相比，具有使用方便、经济、热值高、污染少等优点，是一种在技术上已经得到证实的优质清洁燃料。天然气代替其他燃料，可以减少一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）、氮氧化物（NO）及烃类等的排放，有利于环境保护;2、工业部门，约占37％，主要用作生产化工产品和工业燃料的基本原料。天然气的主要组分是甲烷，此外还含有乙烷、丙烷、丁烷及戊烷以卜烃类，是重要的基本有机化工原料。以天然气为原料，可以生产出合成氨、甲醇低碳含氧化合物、合成液体燃料等种类繁多的化工产品。至今全世界已有10％的天然气用于制取化工产品，年产量已达到16亿吨；3、发电厂，约占19％以上。特别是采用天然气联合循环发电技术后，投资费用仅为煤炭和核发电厂2/3左右，对空气和水的污染也少，因而使得以天然气为燃料的发电厂更加具有竞争力；4、运输部门所占比例不足1％。天然气的一些特性使它有可能成为一种很有吸引力的汽油替代燃料。它的价格和汽车废气排放指标都低于汽油。天然气的应用将会显著扩大，21世纪将逐步取代石油，并在世界能源消费结构中占据主导地位。世界能源消费结构趋势如下图所示。天天然然气气市市场场发发展展情情况况110000％％002200％％4400％％6600％％8800％％118800001199550022110000比比例例年年份份世界能源消费结构趋势22003年全球十大天然气消费国一览表(单位：亿立方米)：3中国天然气资源分布情况三、天然气的来源天然气可以从油田气和气田气获得。①油田气又称为油田伴生气，它是与石油伴生的天然气，伴随着石油的开采而采出。一般利用井上的油气分离器将石油与伴生气分离，然后采用吸收法或其它方法将气体中的碳氢化合物进一步分离，提取的C3、C4成分作为液化石油气销售，C1、C2成分作为天然气使用或管道外输。②气田气是采自气田气井的天然气，通常这种气体的甲烷含量较高，可以达到85～97％，C3～C5只有2～5％，可以采用压缩法、吸收法、吸附法或低温分离法将C3、C4等重烃分离出来，制取液化石油气，其余纯净的天然气通过管道外输销售。③炼厂气。从天然气的主要成分甲烷来说，其来源还有炼油厂如蒸馏气中0.5％为甲烷，催化裂化气中为5.9％，热裂化气35％，铂重整气中10.7％为甲烷。当然这些气体不能划在天然气的范围，量也不大，但其用途是一样的。§1.2天然气储运系统概述一、天然气输送方式1.管道输送优点：输送量大、技术成熟可靠；缺点：建设与输送成本较高，适应灵活性较差。现代管输技术成熟,约75％天然气通过管道输送。长距离输气管道发展趋势:1)平均运距增大。最长单根输气管道是俄罗斯亚马尔管道(4451km);2)最大口径可达1420mm;3)高压力,最高压力为12MPa，海底21MPa;4)自动化遥控,采用SCADA对管网实4施集散控制;5)形成大型供气系统;6向极地海洋延伸。2.液化天然气(LNG)liquefiednaturalgas制备：液态储运即液化天然气(LNG)储运方式,利用经过净化天然气的压力经膨胀机制冷使其液化(若压力过低，需加压),制冷温度-80～-90℃,在LNG装置中使用液氮补充冷却,将其降至-163℃成为液化天然气,实现液态输送。关键技术:预处理、液化及储存、液化天然气的气化、冷量回收及安全技术等。LNG链:开采、液化、LNG运输、LNG接收与气化、外输管线、最终用户组成。优势：1体积缩小620倍,便于运输;2代替深海,地下长输管道省投资,降成本;3超过3500km后船运占优势;4有效回收边远、零散天然气;5投资省,在等热能储气规模下LNG储罐与管道储存设施相比,占地少,工期短,受地质条件约束少;物性:无毒,无色,无味液体;-163℃密度450~470;燃点650℃;爆炸限4.7％~15％应用:1供城镇居民;2远离气源且管线未到地方;3城市燃气调峰;4优质汽车燃料;5发电,特钢等提高质量;6冷能发电,分离空气,制干冰等,间接冷冻食品,低温医疗等。3.压缩天然气(CNG)管束容器储运compressednaturalgas制备(新西兰):20～25MPa压缩存储高压钢瓶中,降温至5℃,充入“管束”内径为152.4mm(高级钢管组成)容器中,在0.135MPa释放,净储气量为210V/V～280V/V。优势:与运距在1000km以上管道或LNG相比,具有竞争力;灵活性强，投资少；使不能管输天然气得到有效的利用,方便未铺设管道边远地区,补充城市管道供气不足。不足:1高压储存增加储气密度;2建立专门高压加气站,配备多级压缩系统,投资大;3器壁厚,自重增加,运费大;4高压储罐制作,维护费用高;5高压储气安全隐患多。应用:1清洁汽车燃料;2气源;3应急供气手段;4气量不大，用户距气源较远情况。4.天然气水合物(naturalgashydrates)物性:雪花状晶体,笼型多面体结构,密度0.88~0.80g/cm3,含天然气164~220m3/m3。制备：在3~5Mpa,2~6℃下,水与气充分接触逐渐生成水合物,经过三相分离及脱除游离水,制成干水合物,可在接近常压与-40℃下长期稳定储存。性质：提高压力,温度也可提高,储存压力3~6Mpa,储运温度为0~8℃。减压或增温。优点:与LNG相比,生产,储运,装置与工艺简单，综合成本要比LNG低24％。5.吸附天然气(ANG)储存adsorbednaturalgas制备:在储氢技术思路上开发,借助罐内活性吸附剂,利用巨大内表面和丰富微孔结构使天然气在较低压力下(3~4MPa)以较高密度(180V/V~240V/V)储于钢瓶中。技术:优良性能吸附剂筛选与开发;吸附剂储存容器结构设计。优点:单级压缩,储罐形状和用材选择余地大,质量轻,压力低,使用方便,安全可靠,ANG是最经济方法,总费用仅为CNG一半,吸附剂可重复使用。难题:1)高效专用吸附剂的投资大;2)吸附剂性能影响实际储气量;3)用后吸附性能下降;4)自重增加;5)储气过程中释放热量产生的高温存在安全隐患;6)重组份的滞留。二、几种运输方式的比较1管道输气是最主要方式，适应范围广，特别适用于长距离、大运量运输。2具备海运条件,运距很长,LNG优于管道。超过7000km时,惟一经济运输方式。3LNG,CNG内陆运输是管道有益补充,主要适用于运量较小和分散供气的情况。4天然气水合物NGH输送方式的技术不十分成熟，但具有发展前景三、管输天然气储运系统天然气储运系统是由气田集输管网、气体净化与加工装置、输气干线、输气支线以及各种用途的站场所组成。它是一个统一的、密闭的水动力系统。如下图所示。5天然气储运系统示意图1－井场；2－集气站；3－天然气净化厂和压气站；4－到配气站的出口，5、6－铁路和公路穿越；7－中间压气站；8－河流穿越；9－沟谷跨越；10－地下储气库；11－阴极保护站；12－终点配气站四、站场的种类与作用1、井场：设于气井附近，从气井出来的天然气，经节流调压后，在分离器中脱除游离水、凝析油及机械杂质，经过计量后送入集气管线；2、集气站：将两口以上的气井来气从井口输送到集气站，在集气站内对各气井来天然气进行节流、分离、计量后集中输入集气管线。3、压气站：分为矿场压气站、输气干线起点压气站和中间压气站。当气田开采后期（或低压气田）地层压力不能满足生产和输送要求时需设矿场压气站，将低压天然气增压至工艺要求的压力，然后输送到天然气处理厂或输气干线。天然气在输气干线中流动时，压力不断下降，需在输气干线沿途设置压气站，将气体增压到所需的压力。压气站设置在输气干线的起点则称为起点压气站，设置在输气干线的中间某一位置则称为中间压气站，中间压气站的多少视具体工艺参数情况而定。4、天然气处理厂：当天然气中硫化氢、二氧化碳、凝析油等含量和含水量超过管输标准时，则需设置天然气处理厂进行脱硫化氢（二氧化碳）、脱凝析油、脱水使气体质量达到管输的标准。5、调压计量站（配气站）：设于输气干线或输气支线的起点和终点，有时管线中间有用户也需设中间调压计量站，其任务是接收输气管线来气，进站进行除尘，分配气量、调压、计量后将气体直接送给用户，或通过城市配气系统送到用户。6、集气管网和输气干线：在矿场内部，将各气井的天然气输送到集气站的输气管道叫做集气集网。从矿场将处理好的天然气输送到远处用户的输气管道叫输气干线。在输气干线经过铁路、公路、河流、沟谷时，有穿越和跨越工程。7、清管站：为清除管内铁锈和水等污物以提高管线输送能力，常在集气干线和输气干线设置清管站，通常清管站与调压计量站设在一起便于管理。8、阴极保护站：为防止和延缓埋地管线的电化学腐蚀，在输气干线上每隔一定距离设置一个阴极保护站。§1.3输气管道发展概况一、输气管道的分类、组成及特点管道输送是天然气的主要输送方式之一，从油气田井口到最终用户，历经矿场集气、净化、管道、压气站、配气站以及调压计量等形成了一个统一的密闭的输气系统。输气管道一般按其输送距离和经营方式及输送目的分为三类：一是属于油气田内部管理的矿场输气管道，通常称为矿场集气管线；二是隶属某管道输送公司的干线输气管道，通常称为长距离输气管道；三是由原城市煤气公司或其他燃气公司投资建设并经营管理的城市输气管道，通常称为城市输配管网。1.矿场输气管道矿场输气管道由采气管线和集气管线组成。根据气田构造、规模及气井分布等可布置成直线或6树枝状、环状和放射状管网，其特点是：（1）输送介质大多为未经净化或净化程度低的原料气。原料气中含硫、水、二氧化碳等杂质较高，腐蚀性大。（2）输送距离短。一般只有几公里至几十公里，也有一些由油气田企业内部管理的输气管道直接输送到附近城市或化工厂等，如辽宁盘锦—沈阳新民输气管道，距离稍长一些，但一般中间没有增压站，也只有一百多公里。（3）管径小。一般在DN100～DN300，由油气田企业内部管理的直接输送到附近城市或化工厂的输气管道，管径一般多用377mm、426mm或529mm。（4）压力变化大。开采初期井口压力可能高达10MPa或者更高，随着地层压力的降低，到开采后期可能降到1.0MPa，甚至0.1～0.2MPa。（5）集输系统流程复杂。包括矿场集输管网流程和矿场集输站场工艺流程。2.干线输气管道干线输气管道主要由线路和输气站组成，线路包括沿线截断阀、阴极保护站，输气站包括清管站（《天然气输气管道工程设计规范》GB50251-94规定清管站应建在输气站内），其它还包括通信、自动监控、道路、水电供应、线路巡检维修和其它一些辅助设施和建筑，对于采用低温输送工艺的管道，还应有中间冷却站。干线输气管道是连接矿场集气系统和城市门站（或配气站）的纽带，将经过矿场处理后的洁净的天然气送往城市。与矿场输气管道与城市配气管网相比，其具有输送距离长（从几百公里至几千公里）、管径大（一般在400mm以上，最大可达1420mm）、压力高（操作压力在4.