天然气输气管道设计及管理

一、天然气概况1、天然气定义：从地下开采出来的可以燃烧的气体2、天然气来源：气田气，油田气。3、天然气组成：60%～90%为甲烷和乙烷，10%～40%的丙，丁，戊烷及重烃，在工标状态下只有甲、乙、丙、丁烷为气态，其余都为液态。二、输气管道概况1、输气管道分类：矿场集气管道，干线输气管道，城市配气管网2、世界著名大型输气管道:前苏联乌连戈依——中央输气管道，全系统由6条输气干线组成，最著名的属亚马尔输气管道。该管道在苏联境内长4451km，建设了41座压缩机站和2座冷却站，经西西伯利亚地区穿越水域矿场集气管线采气管线集气管线干线输气管道长输管道输配站附属设施压气站分输站清管球站阀室城市输配管网配气管网及支管门站（配气站）调压室储气库945km，穿越河流700余处。3、中沧线是中国第一次采用燃气轮机驱动离心压缩机输送油田伴生气的输气管线。4、西气东输管线包括：青海涩北至甘肃兰州（2000年开工，02年竣工投产），重庆忠县至武汉（2000年开工），塔里木至上海（02年7开工，全长400多千米，管径1016mm，操作压力10MPa）5、中国未来十年管网总体布局：两纵，两横，四枢纽(在北京，上海，信阳和武汉设立调度中心或分调度中心)，五气库（在北京，上海，大庆，山东，和南阳建立地下储气库）6、管道防腐技术：从简单的人工除锈刷漆发展到外涂层与阴极保护和牺牲阳极相结合的联合保护。自1964年开始使用阴极保护到今天，所有的输气管道上都建有阴极保护站，单站保护长度可达50～80km.输气管道的主要工艺设备包括压缩机组，阀门，计量设备和调压设备。三、天然气的性质1、天然气的分类（1）按矿藏特点分：纯气藏天然气（在天然气开发过程中，不论何阶段流体在地层中均成气体，采出地面后可能有部分液体析出），凝析气藏天然气（矿藏流体在地层原始状态呈气态，但开采到一定阶段，随地层压力减小有部分烃类在地层中呈液态析出），油田伴生天然气（与原油共存，开采时与原油同时被采出，经油气分离得到的天然气）（2）按烃类组分关系分：干气（地层中呈气态，开采出后在管线设备中也不会有液态烃析出），湿气（地层中呈气态，在一般地面设备的温度、压力下有液态烃析出），富气（丙烷级以上烃类含量大于100ml/m3），贫气（丙烷级以上烃类含量小于100ml/m3）（3）按硫化氢、二氧化碳含量分：酸性天然气（含有显著地以上成分，要经过处理才能达到管输商品天然气的标准的天然气），洁气（以上含量甚微，不需净化处理的天然气）2、工程标准状态：20℃（293.15K），1.01325×10^5Pa，这是中国计量气体体积流量采用的标准标准状态：0℃（273.15K），1.01325×10^5Pa3、理想气体状态方程：PV=nRTP——气体压力，PaV——mkg或nkmol气体体积，m^3n——气体千摩尔数，kmolR——气体常数，Kj/(kg·k)T——气体温度，k实际气体状态方程：PV=ZRTZ——压缩因子，在工标或是标态下认为Z=14、露点定义：在压力一定的情况下，逐渐降低气体温度，当天然气中水蒸气开始凝结时的温度。（压强高，露点低；压强低，露点高）5、节流定义：当管道管径突然变小，引起能量损失而使压强降低的情况。节流变化会引起温度变化，若温度随压强降低而降低，则为节流正效应又称冷却效应；若温度随压强降低而升高，则为节流负效应又称热效应。6、天然气的燃烧性质：华白数：符号为Ws，单位为kJ/m3，华白数越大，天然气燃烧性能越好。燃烧势：符号为CP无单位四、天然气的净化净化目的：去除其中的固体杂质、凝析液、水、酸性气体及其他有害物质。净化意义：不但保证安全、稳定、高效的完成天然气的输送任务，而且变废为宝，使资源得到充分利用。净化的工艺过程：除尘，脱水，脱硫，脱二氧化碳，酸气回收，尾气处理等过程1、除尘灰尘来源：地下粉屑，施工脏、焊渣，腐蚀产物灰尘危害：管道磨损，管道堵塞灰尘脱离器的原理：过滤，离心力，吸附，碰撞，粘滞，重力（1）重力式分离器：分为立式和卧室两类。由分离，沉降，除雾，储存四部分组成。（2）旋风分离器：又称离心式分离器（最常用），优点：处理能力大，分离效果好，可将大于5微米的尘粒基本去除。（3）循环分离器（4）多管旋风分离器（5）过滤分离器2、脱水水的危害：内腐蚀，减小流通面积，生成水化物（1）低温分离法：利用节流效应，一般适用于高压气田，天然气降压后仍高于输送压力，同时又使输送温度得以降低，是经济合理的，但是由于低温分离后天然气中的水蒸气仍处于该温度下的饱和态，仍有可能在输气管道上某点析出，造成冰堵，因此，该方法不能直接用于长输管道，一般只用作辅助措施。（2）溶剂吸收法：露点有一定的降低，最适合先脱硫后脱水。甘醇类脱水剂主要包括二甘醇(DEG),三甘醇（TEG）和四甘醇（对于温度很高的原料气脱水特别有效）（3）固体吸附法：脱水效果最好，也是脱水的最后一道工序3、脱硫，二氧化碳硫的危害：有毒，内腐蚀，在成钢的轻质开裂（1）化学吸收法：以可逆反应为基础，以碱性溶剂为吸收剂，溶剂与原料气中的酸性组分发生化学反应而生成某种化合物，吸收了酸气的富液在升温和降低压力的条件下，化合物分解放出酸气使吸收剂再生。（2）物理吸收法（3）干式床层法（使用最多）（4）氧化还原法脱硫方法的选择：①基本条件：原料气组成、压力、温度、气量②净化目的：要求的净化气净化度、压力、温度③内部因素：消耗指标、“三废”产生与处理、操作技术水平④经济因素：基建、设备投资与运营费用五、气体管流基本方程为了求得p、ρ、v、T，必须有4个方程式，即连续性方程，运动方程，能量方程，气体状态方程1、连续性方程ρAv=qm=常数上式表示管道任意截面的质量流量相等。由于输气管道的压力降集中于后半部分，所以输气管道中若截面积相等，则末端速度大于起点速度。2、运动方程：实际上是压力梯度方程，总压力梯度由重力、摩擦力和动能压降梯度构成。六、输气管道水力计算1、水平输气管道的体积流量基本公式（来自于连续方程）TLZQDPPCZQ*5220)(C0——常数，0.0384T——夏季温度，Kλ——水力摩擦因数△*——天然气对空气的相对密度（工标下）2、雷诺数定义：表征流体流动情况的无量纲数，以Re表示。Re=D3、局部摩阻干线输气管道一般处于阻力平方区，因此局部阻力对输气管道流量的影响较大，必须考虑由于阀门，弯头，三通，过滤器等引起的局部摩阻。但实际生活中，通常不单独计算，而是使水力摩阻系数λ增加5%，作为对局部摩阻的考虑4、输气管道压力分布与平均压力靠近起点的管段压力降比较缓慢，距离起点越远，压力降越快，在前3/4的管段上压力损失1/2，另一半压力损失在后1/4的管段上。平均压力：当输气管道停输时，起点高压端的气体逐渐流向低压端，终点压力逐渐上升，最后整条管道的压力达到某一个平均值，该数值即为平均压力Pcp。Pcp=)(322PPPPZQQZ设输气管道刚刚停输时，距离起点Xcp处的压力等于最后的平均压力，则有，Pz从0变化至PQ时，Xcp从0.55L变化至0.5L。工程上近似取Xcp=0.5L,所以前0.5L的管段可采用等强度管，采用不同壁厚的管子。而输气管道后一半管路要安平均压力选择壁厚。七、管道内涂层优点：1、增大输气量2、扩大增压站的间距，减少增压站的数目3、节约管材费用和施工费用4、防止内壁腐蚀，减少管道事故，保证输送天然气的高质量5、减少维护费用，清管频率明显下降6、有助于管道检测内涂层用涂料的性能要求1、良好的防腐蚀性能2、耐压性。能承受水压试验和输送介质的压力，可承受压力的反复变化。3、易于涂装。在常温和常湿条件下，采用普通喷涂技术即可施工。4、化学稳定性。能耐压缩机润滑油、醇类、汽油等的腐蚀，在输送的天然气极可能产生的凝集物中呈化学中性。5、良好的粘结性及耐弯曲性。要求涂层附着力强，在管道储运、现场弯管、敷设和运行、清管过程中不脱落。6、耐磨性和硬度。应具有足够的硬度，能承受管道内沙粒、腐蚀物和清管器所造成的磨损。7、耐热性。考虑到管道的外腐蚀层（环氧粉末喷涂时的管壁温度在230℃左右），内涂层应能承受外敷的高温。8、涂层光滑。具有减阻作用的内涂层漆膜表面应光滑，摩阻因数要小。美国气体协会认为环氧树脂涂料最适合于输气管道的内涂层。八、输气管道热力计算1、天然气水合物及生成条件天然气水合物：由碳氢化合物和水组成的一种复杂的但又不稳定的白色结晶体。生成条件：必须处于适当的温度和压力下，必须处于或低于水汽的露点出现“自由水”,有凝结核存在。防止水合物生成的措施：①提高天然气流动温度（通常在配气站采用）；②降压——降低压力至给定温度时水合物的生成压力以下（用于干线输气管道）；③干燥——脱除天然气中的水分（根本办法）；④向气流中加入抑制剂（阻化剂）。九、压气站与干线输气管道联合系统1、首站进站压力Pz1对全线工况的影响①Pz1增加，输气量增大，站数越多，对流量的影响越大②Pz1增加，中间各站进、出站压力均提高，全线压降线抬高。2、终点压力Pz对全线工况的影响①Pz升高，干线流量减小，但变化量非常小②Pz升高，沿线各压气站进、出站压力均升高，变化关系为△Pzx﹤△PQx﹤△Pz③Pz变化对PQx，Pzx的影响，实际上只对最后一二个压气站有实际意义，对前面各站的影响很小，越靠近前面的站，PQx，Pzx的变化越小，甚至可忽略不计。④为提高末端管路的储气能力，可以适当提高终点压力Pz，而对干线输气影响不大。中间压气站停输对全线工况的影响①中间压气站停输，全线输气量减小②停输站上游各进出站压力均增加，下游减小，且越靠近停输站压力变化越大，距离越远变化越小3、分集气对全线工况的影响⑴对于定期分气①分气点之前的管内流量比分气之前增大，分气点之后的管内流量比分气前减小②定期分气将造成全线压力下降，越接近分气点的地方，压力下降越多，距分气点越远，下降越少⑵对于定期集气①集气点之前的管道内流量比集气前减小，集气点之后的管内流量比集气前增大②定期集气将造成全线压力上升，越接近集气点，压力上升越多，距集气点越远压力上升越少4、末段储气末段储气和储气罐调节的日、时不均匀性⑴末段储气能力计算末段储气容积=末端管路内最高压力下的容积-最低压力下的容积)min2(32min2min12min1minPPPPPcp)max2(32max2max12max1maxPPPPPcpPcpmin——末段管路平均最低压力，PaPcpmax——末段管道平均最高压力，PaP1min——末段输气管道起点最低压力，PaP2min——末段输气管道终点最低压力，PaP1max——末段输气管道起点最高压力，PaP2max——末段输气管道终点最高压力，Pa其中，末段管路终点最低压力P2min不得小于配气站要求的最低供气压力，为已知值，但起点最低压力P1min为未知值；起点最高压力P1max不应超过最后一个压气站的出口压力或是管线的承压能力，所以为已知值，但终点最高压力P2max未知。由于供气和用气的不均衡，计算P1min，P2max应按照非稳定流态进行，这里近似安用气等于供气量进行稳定流动计算。由式QpPcl22221QlpPQlPPzzcc2max1max22min222min1C——系数Lz——末段管道长度，mQ——输气管道稳定输量，m^3/s储气开始时末段管路中的存气体积为TZPTPVVcp100minmin储气终了时末段管路存气体积为TZPTPVVcp200maxmax末段储气能力为)(1min2max00minmaxZPZPTPTVVVcpcpsVV——末段管路几何体积，m^3T0，P0——工程标准状况温度、压力，T0=293K,P0=1.01325×10^5PaZ1,Z2——储气开始和结束时气体的压缩性系数，可近似取Z1=Z2T——末段管路气体平均温度，K.例题天然气长输管道末段管路为720mm×10mm管子，管长lz=150Km，管道中燃气最大允许绝对压力5.5MPa，进入城市前管道中燃气最小允许绝对压力1.3MPa，正常情况下