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某天然气管道工艺设计11绪论1.1引言随着人类社会的发展,人类使用的燃料也经历了漫长的禾薪时代和燃煤时代，而现在已进入石油和天然气时代。气体燃料在能源结构中比例的升高，是人们生活水平、生活质量的提高和社会发展进步程度的重要标志。天然气作为能源和化工原料，在国民经济发展中日益占有更重要的地位。天然气的热值高，介于32~353/MJm，不含灰份，扩散性好，容易燃烧完全，不污染环境，运输方便，价格低廉是理想的工业及民用燃料。用在发电方面可使火力发电站的投资较燃煤减少20%左右，而且管理方便，易于实现自动化，使发电成本大大下降；用在炼铁上，可使焦比下降15%以上，获得更好的经济效益；在民用方面，煤炉热效率一般只有20—25%，而一个构造良好的天然气炉灶热效率可达60%以上，而且使用方便，卫生，很受居民欢迎[1]。天然气的主要成分是甲烷及少量的乙烷、丙烷、丁烷等。甲烷除用作燃料外，还可直接用于生产氢氰酸、二硫化碳、卤化甲烷、炭黑等；经裂解得到乙炔，从乙炔出发可以生产塑料，裂解后得到乙烯、丙烯、丁烯，也可生产合成橡胶、合成纤维、塑料及其他一系列产品。天然气中有的还含有少量的硫化氢、二氧化碳、氮、氦等，也是极有用途的原料。硫化氢可用于生产硫磺，硫酸，二氧化碳可以制造成冰，氦更是国防和原子能工业需要的产品。专家预测，在21世纪的能源结构中，天然气将占主导地位。我国天然气资源非常丰富，是今后很长时期内国民经济发展的重要因素之一；也是石油天然气工业新的经济增长点。目前，我国天然气工业已呈现出一派蓬勃发展的景象。管道输送是天然气输送的主要方式，管道输送具有能耗少、运费低、运量大、连续密闭输送、安全性好的优点。近年来天然气的经济和环保价值日益受到各国重视，探明储量已超过了石油，天然气工业发展面临新的机遇。从以上这些可以发现，天然气不管对居民还是工业都具有很重要的意义。那么如何用最少的费用把天然气从气源地输送到用户集中的城市则是另一个更为严峻的问题。本设计将通过实例来讨论上面提出的问题，西南石油大学本科毕业设计2并通过计算得出最合理、最经济的方案。1.2天然气管道输送发展现状1.2.1世界发展现状管道输送是天然气运输的一种主要方式，一般采用埋地敷设方式，具有建设快，运输成本低，工作安全可靠等优点。近几年，天然气管道输送在世界范围内得到了飞速发展。目前世界已建成管道200多万千米，随着管网规模的扩大和管道科技水平的提高，天然气管道运输在世界经济和大部分工业发达国家经济中起着越来越重要的作用。天然气管道建设的特点正朝着大口径，高强度，高压，薄壁厚，长距离的方向发展，并且随着电子计算机、仪表自动化技术的发展，目前国外已广泛采用“监控与数据采集系统”来完成对天然气管道输送的自动监控和自动保护，并已成为管道自动控制系统的基本模式。目前，最长的输气干线大约5000千米以上。国外新建管线的输送压力较过去为高，俄罗斯输气管线的压力一般为10MPa左右，美国阿拉斯加输气管线压力高达11.8MPa[2]。随着世界对能源需求量的不断增长和大批边远油气田的开发，20世纪70年代以来，世界长输管道得到了迅速发展。近30多年来，欧美各国投入了大量资金建设了一大批长距离、大口径输气管线.美国为了开发利用阿拉斯加的天然气资源，于1980－1986年建成了美国横贯阿拉斯加输气管线系统，该系统贯穿阿拉斯加和加拿大境内，向美国本土48个州输气，总长达7763km。前苏联至1987年以来，输气管道的平均长度已近2000km，天然气的平均运距猛增：2000年是10年前的1.4倍，20年前的3倍，30年前的4.6倍。1.2.2国内发展现状近20多年来，我国长输技术也有很大的发展，有的已达到了世界先进水平。有“地下能源大动脉”之称的我国管道运输网已形成覆盖16个省区市，四通八达、输配有序的石油、天然气管网体系，建设总里程突破2410km，全国绝大多数天然气和原油的运输都是通过管道完成的，管道运输已居我国运输行业的第四位。西气东输管道工程的成功建成，使得西部丰富的天然气输送到东部经济发达地区，既促进了东部经济的迅速发展，又为开发西部提供了机遇，同时也为接入周边国家丰富的天然气资源创造了有利条件，成为发展西部，促进东部经济腾飞必不可少的某天然气管道工艺设计3物质基础。“西气东输”工程的成功建设是我国实施西部大开发的重大举措，它为进一步发展我国的长输管道和进一步提高我国的长输技术水平提供了新的机遇以及挑战。西南石油大学本科毕业设计42总论2.1设计原则（1）严格执行国家、行业的有关标准、规范，并参照有关国家的有关标准、规范(见下面2.3节)；（2）根据已知条件、要求进行工艺设计计算，确保供气的安全、平稳、连续、可靠；（3）采用国内外先进、成熟、适用的材料、设备、技术，使设计的管道安全、先进、可靠。优先考虑满足条件的国产材料、设备，充分体现国产化的要求；（4）进行技术-经济计算，尽可能的降低工程投资，确保较好的经济效益、社会效益；2.2设计的目的和意义随着管道建设的大型化，建设管道需要耗费巨额基建投资，使得人们要寻求一种最佳组合方案，以求费用最小。即是根据技术经济学的原理，通过对各个可行方案的技术分析、经济比较和效益评价，寻求到技术与经济的最佳组合，以确定技术先进、经济合理的最优经济方案。对天然气管线而言，就是通过对各个可行方案的技术分析和经济比较，寻求管径D、壁厚、压缩机站数目n、压缩机站间距L、以及压缩机站进、出站压力BP、HP等主要技术经济参数最佳组合（在满足一定约束条件的情况下），使得系统的年折合费用最低。通过管道系统的优化研究，可以得到经济合理的设计方案和运行参数，使得系统工作在最佳状态下，达到节约能源、少投入、多产出以达到节省基建投资和提高经济效益的目的。可见，对管道进行合理的设计是具有重大的意义。2.3设计标准、规范（1）《输气管道工程设计规范》，GB50251-2003；（2）《长距离输油输气管道测量规范》，SY0055-93；（3）《原油和天然气工程设计防火规范》，GB50183-93；（4）《天然气热量、密度和相对密度的计算方法》，GB11062-89；（5）《石油地面工程设计文件编制规程》，SY0009-93。某天然气管道工艺设计52.4设计给出的原始数据天然气成分见表2-1：表2-1天然气组成成分CH4C2H6C3H8H2SCO2H2O体积比0.936780.0190250.0060670.0000010.0380.000127起点压力：4.8MPa；起点供气温度：380C；终点配气压力：不低于1.8MPa；线路概况：全长640km，沿线高差不能忽略；任务输量：25亿方/年；第20号桩分输量：3亿方/年；工作天数：360天/年；沿线里程与供气系数见表2-2和表2-3：表2-2沿程高差桩号里程（km）高程(m)101140.522610863539654621075575853.6678832.9785921.8888954.391081033.710139925.6111681126.512190934.4132001095.4142071032.115215916.816222807.2西南石油大学本科毕业设计6沿程高差续表2-2桩号里程（km）高程(m)17224103518227883.819231922.220241964212451003.622257125723273885.124302806.7253101027.9263191315.5273251230.6283911287.2294081426.7304201102.631544973.3325631403.3335671606.7345791126.135618844.2366311227.937637895.3386401227.9表2-3供气系数时间上午下午1:000.351.6722:000.431.0363:000.50.764:000.531.0755:000.691.256:000.781.956某天然气管道工艺设计7供气系数续表2-3时间上午下午7:001.172.2938:001.361.7789:001.131.07110:001.210.80511:001.530.55312:001.750.4052.5主要设计内容本设计主要内容有：（1）输气管道内径、壁厚等的确定；（2）末段储气能力的计算；（3）压缩机站的布置；（4）计算沿线压力，温度，流速分布；（5）建最优化模型（技术-经济计算）；（6）利用VB编制相关计算程序。2.6需得到的设计成果（1）通过水力计算确定输气管道的内径和壁厚；（2）通过计算确定输气管道末段的储气能力；（3）得出压缩机站的布置方案；（4）建立技术-经济计算优化模型，并得出最优方案；（5）利用VB编制计算程序。3输气管道工艺设计3.1基本参数的计算与选择3.1.1设计压力、管径、压缩比的设定计算时首先设定设计压力hP、管径hD、压缩比（可以先试算，然后选值）。通过查阅一些相关的规范和相关设计范例，可知压缩比在1.2-1.5西南石油大学本科毕业设计8范围内选值[4]。管径的选择需要先通过试算，然后按照有关规范中给出的标准钢管规格，选取与试算的管径相近的管径。3.1.2管材钢种等级的选择管材钢种等级的选择是长距离输气管道设计的一项非常重要的工作。在长距离输气管道建设中，线路部分的钢材消耗量要占到工程总消耗量的90%，而线路部分的投资要占到整个管道工程总投资的70%以上。选择合适的管材，可以减少整个工程的投资，也关系到整个管道的运行的安全性、可靠性、持久性（管道使用寿命）。当前管材的研究以发展优质高强度钢为主要方向，机械性能和化学成分是管材的两项基本指标。机械性能包括抗拉强度、屈服强度、延伸率、冲击韧性等主要指标；化学成分则是形成材料机械性能和其它性能的物质基础。钢材的冶炼和制造方法对管材的形成也起着重要作用。强度（主要考虑屈服强度）、韧性、可焊性是管材的三项基本质量指标，输送腐蚀性气体的管道还必须考虑棺材的抗腐蚀性能。天然气管道用管材发展的总趋势是：为提高天然气输送压力，采用高钢级管材，和研究、开发使用复合管材。我国以前因为技术水平的限制，大量采用进口管材，在最近一些年我国在管道用钢方面进行了科技攻关，并成功研制开发了X52-X70级的高等级管材，并逐步得到了广泛的运用，以西气东输管道工程为例，考虑到国内外管道的发展趋势和现实情况，最后确定管径选择1016mm、壁厚为14.6-26.2mm、输送压力为10MPa，其确定的管材钢种等级为X70级。目前世界上已有国家开始研究更高级别的管材。本设计也选用X70级管材，其最小屈服极限是s=480MPa。以此为基准根据选择的管径和压力，确定壁厚。3.1.3计算流量的计算干线输气管道通过能力有评估性通过能力、设计通过能力之分。评估性通过能力是指在输气管道规划研究阶段和开始设计阶段，对通过能力的初步估算值，以便随后对各种可能的输气工艺方案进行计算。设计性通过能力是指相应于最优工艺方案的通过能力。所以在做规划设计时，是按照评估性通过能力来计算各种可能的输气工艺方案，而外部介质（大气和土壤）的温度取年平均值。某天然气管道工艺设计9根据用户年用气不均衡性（考虑年平均输气不均衡系数），确定输气管道每年输气工作天数，题目给出工作天数为360天/年。管道计算流量计算公式为[3]：243600sQqnK（3-1）式中q——输气管道计算流量,3/ms；Q——输气管道任务输量（已知），3/ma；n——年工作天数；sK——年平均输气不均匀系数。3.1.4管道壁厚的计算设计系数F取值，见表3-1:2hhsPDF（3-2）式中——输气管道壁厚，m；hP——输气管道设计压力（设定），Pa；hD——输气管道管径（设定），m；s——所选管材的最小屈服强度（设定选择钢种等级为X70的管材，其最小屈服强度为s=480000000Pa），Pa；F——设计系数（设定地区等级为四类，则设计系数F=0.72）。计算所得的向上圆