第五章长距离输气管道及城市输配气工程

1第五章长距离输气管道及城市输配气工程2我国天然气工业现状与趋势Marchetti预测继煤、石油之后天然气将在一次能源中占主导地位。2010年全球天然气总产量达3.18万亿立方米，占到世界能源总量的近30％。各种能源市场占有率的历年变化预测341960～2005年全国历年天然气产量•0•100•200•300•400•500•亿立方米•1960•1965•1970•1975•1980•1985•1990•1995•2000•20052006年，中国天然气工业产量为586亿立方米2010年产量达936亿立方米全国天然气管道总长度约2.8万千米，其中管径大于426毫米的管道总长度为1.7万千米。5国家天然气发展长远规划：天然气需求量：2010年：1090亿立方米（BP统计，世界第四位）2020年：预计2520亿立方米2020年：需求的一半来自国外资源。除管道外，建设10个LNG终端，年进口5000万吨LNG。6第一节天然气的储运销一体化系统7一、天然气的组成与用途工业与民用燃气：天然气、人工煤气、液化石油气和沼气用途：火力发电厂、民用、汽车、化工原料来源：气田气、石油伴生气、凝析气田气、煤层气。主要成分：甲烷、乙烷、丙烷和丁烷8天然气的用途特点：优质燃料，热值33MJ/m3工业燃料发电炼铁工业窑炉民用燃料9化工原料：甲烷：生产氢氰酸、二硫化碳、炭黑等裂解得乙炔，生产塑料等转化成CO、H2，生产化肥、甲醇等乙烷、丙烷、丁烷：裂解制乙烯、丙稀等非烃成分：H2S、CO2、He10二、基本概念（一）标准状态与标准体积天然气计量的标准状态：20℃，1标准大气压（101325Pa)城市燃气行业的标准状态：0℃，1标准大气压（101325Pa)美国天然气行业：60ºF（15.6℃)，1标准大气压（101325Pa)标准状态下的体积称标准体积。11（二）天然气组成的表示方法体积分数：各种组分的分体积在天然气的总体积中所占的比例；是温度、压力的函数。摩尔分数：各种组分的摩尔数在天然气的总摩尔数中所占的比例。质量分数：各种组分的质量在天然气的总质量中所占的比例。12（三）天然气的密度与相对密度密度：单位体积天然气的质量，温度、压力的函数。相对密度：相同温度、压力下天然气的密度与干空气的密度之比。通常指标准状态的相对密度。气田气：0.58～0.62，伴生气：0.7～0.8513（四）天然气的粘度气体粘性产生机理：两层气体之间摩擦和两层之间分子的热交换。液体的粘度随温度升高而降低，压力不高时气体粘度随温度升高而升高。相同温度下，压力越高，天然气的粘度越大。14甲烷的动力粘度(单位：10-5Pa·s)绝对压力/105Pa0℃25℃75℃1.0131.0271.1081.2620.2651.0681.1351.2960.7951.221.261.355101.3251.421.371.455151.9881.7951.681.635202.652.1651.991.81303.9762.82.512.23405.3013.363.0052.62607.9513.893.3315（五）天然气的节流效应(焦耳-汤姆逊效应)正节流效应和负节流效应正节流效应：节流后压力下降、温度下降。负节流效应：节流后压力下降、温度升高。注:理想气体不存在上述节流效应.16天然气混合物节流后温度随压力变化规律0204060801001201401601802000510152025303540455055温度（℃）压力（MPa）17（六）天然气的含水量和露点含水量：标准单位体积干气所含的水蒸汽质量，单位kg/Nm3。进入干线管道的含水量不应超过96～128mg/Nm3天然气水露点：天然气在一定压力下析出液态水时的最高温度；天然气烃露点：天然气在一定压力下析出液态烃时的最高温度。18三、天然气供气系统的组成及特点（一）天然气一体化供气系统从气田的井口装置开始，经矿场集气系统、气体净化系统、干线输气管道、再通过配气管网到用户，天然气所通过的所有环节（采气、净气、输气、储气、供配气）构成了一个统一的、一体化的储、运、销系统。它是一个密闭的、连续的水力系统。天然气一体化体现在气源、管线建设和用户的统一方面；也体现在其运行的安全性和可靠性方面。19（二）天然气供气系统的组成气田矿场集输管网（见第二章）天然气净化处理厂长距离干线输气管道或管网城市输配气管网储气库20第二节长距离输气管道的组成及勘察设计21一、长距离输气管道的组成22干线输气组成：线路输气站:首站、中间进气分输站、压气站、末站、清管站纽带特点：距离长；管径大（1420mm）；压力高（10MPa）；输量大232425二、输气管道水力计算LZZTTPdQPP0000520222162.1P1—管道起点燃气的绝对压力，Pa；P2—管道终点燃气的绝对压力，Pa;P0—标准大气压，P0=101325Pa；λ—燃气管道的水力摩阻系数；Q0—燃气管道的计算流量，Nm3/s；d—燃气管道的内径，m；ρ0—标准状况下燃气的密度，kg/Nm3；T—燃气的绝对温度，K；T0—标准状态绝对温度，T0=273.15K；Z—燃气的压缩因子；Z0—标准状况下燃气的压缩因子；Z0=1L—燃气管道的计算长度，m。输气管道应采用：高压、低温的输送方式。26三、输气管道热力计算为水力计算服务预测管段中出现凝析液和水合物情况。由输气管段的流量公式可知：在条件一定的前提下，输气管段的流量取决于整个管段中气体的平均温度，而这一平均温度又取决于整个管段沿轴向的温度分布。另一方面输气管段的稳态温度分布又取决于该管段的流量。输气管温降的原因：向周围环境散热；焦耳-汤姆逊效应。27四、输气管段中水合物的形成规律及其预防措施（一）水合物的基本概念天然气中某些组分与液态水在一定温度、压力下所形成的外形像冰霜的物质。节流处最易形成。28水合物资源2930（二）形成水合物的条件1.温度、压力、水分条件。2.临界温度：高于此温度不会形成水合物。气体名称CH4C2H6C3H8iC4H10nC4H10CO2H2S临界温度/℃21.514.55.52.5110.029.0表形成水合物的临界温度31（二）形成水合物的条件（续）3.形成水合物的必要条件：必须有液态水与天然气接触天然气中水蒸气分压等于或超过在水合物体系中与天然气的温度对应的水的饱和蒸汽压。天然气温度必须等于或低于其在给定压力下的水合物的形成温度。32（二）形成水合物的条件（续）4.形成水合物的外因:高流速、气流扰动或压力脉动出现小的水合物晶体天然气中含有硫化氢和二氧化碳。因为这两种气体比烃类气体更容易溶于水。33（三）防止水合物形成及消除水合物的方法1、干燥脱水2、添加水合物抑制剂—降低水合物形成温度，破坏形成水合物的温度条件；吸收天然气中水蒸气，破坏形成水合物的水分条件。甲醇、乙二醇、二甘醇等。3、加热—使温度提高到水合物形成温度以上。4、清管—清除液态水和已经形成的水合物。5、降压—用于事故后解除。34五、干线输气管道的工艺方案设计（一）工艺方案设计的基本步骤1、确定各管段的管材、管径、设计压力和管道壁厚。2、确定每个压气站在设计流量下的压比。3、设每个压气站的出口压力等于所在位置管段的设计压力。4、根据管道末段储气量的要求，确定末段管径和长度，并确定最后压气站的位置。5、确定压气站的数量和位置。6、确定压缩机组的配置方案。35（二）管道末段的储气能力指管道最后一个压气站到管道终点的管段。目的：平衡不均匀用气与均衡供气的矛盾。利用气体的压缩性改变所储气体的数量。储气能力：最高压力与最低压力之间的储气容量。与管道截面积、管道长度有关，但存在最优末段长度。36输气管末段储气能力37（三）管道沿线压气站布置1、压气站布置的前提条件管道入口天然气压力、温度、流量管道终点供气流量和压力管道分支点流入/流出流量每个压气站压比或压缩机组的配置压缩机组原料天然气的消耗率各管段管材、管径和壁厚管道末段的起点位置38（三）管道沿线压气站布置（续）2、压气站布站的基本步骤区域：从管道起点到管道末段起点正方向布站：从管道起点开始反方向布站：从管道末段起点开始39（三）管道沿线压气站布置（续）3、正方向布站的基本步骤令每个压气站的出站压力等于管道设计压力将首站设为一个压气站（来气压力大于起点设计压力时，不设首站）计算各点的温度和压力，逐步确定各站位置站位置调整40第三节压缩机组与压气站41一、压缩机组压缩机组包括压缩机和与之配套的原动机压缩机：往复式压缩机和离心式压缩机44454647往复式天然气压缩机48离心式压缩机纵剖面结构图(1:吸气室2:叶轮3:扩压器4:弯道5:回流器6:涡室7，8:密封9:隔板密封10:轮盖密封11:平衡盘12:推力盘13:联轴节14:卡环15:主轴16:机壳17:轴承18:推力轴承19:隔板20:导流叶片)离心式压缩机49转子叶轮50离心式压缩机机组51原动机类型燃气轮机燃气发动机—类似内燃机电动机52站名高程(m)功率MW机组配备驱动方式机组选型轮南首站93016.231+1燃气轮机驱动22MW机组四道班压气站116418.481+1燃气轮机驱动25MW以上机组哈密压气站107018.031+1燃气轮机驱动25MW以上机组红柳压气站162817.871+1燃气轮机驱动25MW以上机组玉门压气站186816.421+1电机驱动25MW山丹压气站192116.661+1燃气轮机驱动20MW以上机组中卫压气站124618.631+1电机驱动22MW靖边压气站132818.141+1燃气轮机驱动25MW以上机组蒲县压气站90613.701+1电机驱动16MW郑州分输压气站16012.711+1电机驱动17MW西气东输一线压缩机组配备情况表53二、输气站功能：调压、净化、计量、清管、增压、冷却。组成主工艺系统：压缩机组、净化除尘设备、调压阀、流量计、天然气冷却器、事故紧急切断系统、工艺阀门和管道。辅助系统：能源系统、冷却系统、润滑密封系统、仪表、通信、通风、消防、放空系统等。543、压气站主要设备分布示意图越站清管收发净化冷却装置压气机组燃料气处理自控系统55三、压气站与管道的匹配与工况调节压缩机组水力特性与管道水力特性之间的匹配。离心压缩机工况调节改变压缩机转速；压气站出口节流；压气站进口节流调节；进口导叶角度调节；回流调节。56第四节城市燃气输配系统57人工燃气的质量要求焦油与灰尘:=10mg/Nm3奈=50mg/Nm3（冬季）奈=100mg/Nm3（夏季）硫化物:=20mg/Nm3氨:=50mg/Nm3一氧化碳:=10%氮氧化物一、燃气的质量要求58液化石油气的质量要求硫＝50mg/Nm3水份:尽可能的脱除干净二烯烃＝2%乙烷和乙烯＝6%残液＝2%59城市燃气的加臭目的是为了及时发现漏气60二、城市燃气管网的基本结构（一）城市燃气管道的分类1、按管道的功能分：分配管道、用户引入管、室内燃气管道、工业企业燃气管道。2、按敷设方式分：埋地管道、架空管道。3、按燃气压力分：高压A级：0.8～1.6MPa，高压B级：0.4～0.8MPa，中压A级：0.2～0.4MPa，中压B级：0.005～0.2MPa，低压：0.005MPa4、按管材分：钢管、铸铁管、塑料管61（二）城市燃气管网的拓扑结构指管网的组成以及组成管网的各个部分之间的联结关系。城市燃气输配管网主要组成部分为：各种压力等级的燃气管道城市燃气分配站、压气站、调压计量站、调压室。储气站计算机监控系统管网的形式：枝状管网和环状管网62（三）城市燃气输配管网系统分级根据所采用的管网压力的级数，分为一级系统只有低压管网两级系统低压和中压A或B两级组成三级系统低压、中压、高压管网组成多