天然气输气管道毕业设计.doc

西安石油大学本科毕业设计 论文 I 目目 录录 1 前言 1 2 设计概述 2 2 1 设计依据 2 2 1 1 设计原则 2 2 1 2 管道设计规范和要求 2 2 2 长输管道设计原始资料 2 2 2 1 天然气管道设计输量 2 2 2 2 天然气的组成 2 2 2 3 管线设计参数 2 2 2 4 管线设计要求及内容 3 2 3 工程概况 3 3 输气管道的工艺计算说明 4 3 1 天然气的热物性计算 4 3 1 1 天然气的平均分子量 密度和相对密度 4 3 1 2 天然气压缩系数的计算 4 3 1 3 天然气的粘度 5 3 1 4 定压摩尔比热 6 3 2 管道水力计算 6 4 站场工艺 8 4 1 输气管道工程站场种类及名称 8 4 1 1 概述 8 4 1 2 输气站种类及功能 8 4 2 输气站的主要功能 9 4 2 1 分离 9 4 2 2 清管 9 4 2 3 调压计量 9 4 3 站址选择 10 4 4 站场工艺设备选型 11 4 4 1 简述 11 4 4 2 分离器的设计 11 4 4 3 除液器设备设计及选择 12 5 线路工程 14 5 1 线路所处位置及沿线自然条件状况 14 西安石油大学本科毕业设计 论文 II 5 1 1 线路选择的基本要求 14 5 1 2 沿线自然条件状况 14 5 1 3 沿线地区等级划分 14 5 2 管道材质及壁厚选择 14 5 2 1 材质选择 14 5 2 2 钢管壁厚的确定 15 5 2 3 管道的轴向应力及稳定性验算 15 5 3 管道敷设 16 5 3 1 管道的敷设方式 16 5 3 2 管道转角 16 5 3 3 线路辅助设施 16 5 3 4 线路走向 17 5 3 5 勘察要求 17 5 3 6 站址选择步骤 17 5 3 7 线路设计中采取的抗震措施 17 5 4 焊接与检验 清管与试压 18 5 4 1 焊接与检验 18 5 4 2 清管和试压 18 5 5 阀门与法兰的选用 19 5 5 1 阀门的种类及选用 19 5 5 2 法兰的选用 20 6 输气管道工艺计算书 21 6 1 原始资料及基本物性计算 21 6 1 1 天然气输送流向和气量分配 21 6 1 2 天然气物性参数计算 21 6 2 输气管热力计算 22 6 2 1 管线工艺计算基本参数 22 6 2 2 定压摩尔比热的计算 22 6 3 末段管道的最优管径及最优长度的计算 23 6 3 1 最优管径的计算 23 6 3 2 末段管道内径的校核 24 6 4 计算除末段外的其余管段 26 6 4 1 管径的计算 26 6 4 2 压气站个数 站间距的确定 27 6 4 3 压缩系数的计算 27 西安石油大学本科毕业设计 论文 III 6 5 管线应力的校核 27 6 6 一期方案的确定 28 6 7 旋风分离器的设计计算 28 6 7 1 工作条件下的气体流量的计算 28 6 7 2 旋风分离器直径的计算 29 6 7 3 旋风分离器的验算 29 6 7 4 旋风分离器的工作范围的计算 29 6 7 5 旋风分离器的进口管径和出口管径的计算 30 6 8 安全阀的选择 31 6 8 1 操作条件 31 6 8 2 安全阀通道截面面积的计算 32 6 9 管道计算总思路图 33 7 自动控制和通讯 34 7 1 概述 34 7 1 1 说明 34 7 1 2 仪表及系统设备选型原则 34 7 2 SCADA 系统 34 7 3 仪表检测 控制系统 34 7 4 流量计量系统 35 8 结 论 36 参考文献参考文献 37 致致 谢谢 38 西安石油大学本科毕业设计 论文 1 1 前言前言 本工程的主要内容是天然气输气管道工程的初步设计 课题的提出是针对目前 各种用户对清洁能源的需求量的急剧升高的现状以及天然气工业的蓬勃发展的形式 现在天然气的供应量需求与日俱增 而我国又存在着气源分布不均的情形 作为天 然气输送调节气源不均情况的主要手段 长输管线的设计就尤为重要 通过长输管 线的优化设计来提高管输天然气量以及提高其的经济性为解决现今的供气不足和供 气费用昂贵的情况提供了好的方案 根据国家能源会议精神 天然气的开发和利用是今后几十年内我国能源开发的 主要方向 纳入在我国 十一五 规划和 2020 年远景目标中的能源发展战略 是国 民经济和社会发展计划中的重要组成部分 加快开发和利用天然气的步伐 提高天然气在能源消费结构中的比重是坚持可 持续发展战略 调整能源结构 保护生态环境的重要举措 是利国利民的大政方针 本设计以石油工业出版社出版的 天然气管道输送 和中国石油大学出版社出 版的 输气管道设计与管理 为主要设计依据 课题研究的目的在于通过对输气管 道的初步设计 得到最优的管输设计方案 初步设计是在工程项目确定后 根据设 计任务书的要求 结合实际条件所做的具体实施方案 它是安排建设项目和组织施 工的主要依据 设计深度应满足投资包干 招标承包 材料与设备订货 土地征购 和施工准备等要求 并能据以编制施工图和总概算 西安石油大学本科毕业设计 论文 2 2 设计概设计概述述 2 1 设计依据设计依据 2 1 1 设计原则设计原则 1 严格执行行业的有关规范和标准 并参照国际上有关的先进的标准和规范 2 采用先进的技术 努力吸收国内外的新的科技成果 3 比较优化设计方案 确定经济合理的输气工艺级最佳的工艺参数 4 管道设计要确保能长期安全 均衡 平稳的进行天然气的输送 5 适应线路的自然环境气候 确保生产运行安全可靠 能保护环境 防止污 染 节约能源 节约土地 处理好管线与铁路 公路 河流等的相互关系 2 1 2 管道设计规范和要求管道设计规范和要求 输气管道设计与管理 姚光镇主编 石油大学出版社 油气集输 冯叔初主编 石油大学出版社 天然气长输管道工程设计 中国石油天然气总公司主编 石油大学出版社 输气管道工程设计规范 50251 94 油田油气集输设计技术手册 上下册 2 2 长输管道设计原始资料长输管道设计原始资料 2 2 1 天然气管道设计输量天然气管道设计输量 管道首站起始于宁波市 末站位于温州市 管线全长 300 送至温州市的输 气量一期为 3 0 二期为 4 5 93 10 ma 93 10 ma 2 2 2 天然气的组成天然气的组成 表表 2 12 1 天然气的组成天然气的组成 组分 1 C 2 C 3 C 4 iC 4 nC 5 iC 2 N 体积分数 91 464 742 590 570 540 010 09 2 2 3 管线设计参数管线设计参数 设计年输送天数 350 天 首站来气压力 6 3 Pa 6 10 管线最高工作压力 6 3 Pa 6 10 进配气站最低压力 2 5 Pa 6 10 年平均温度 13 西安石油大学本科毕业设计 论文 3 压气站特性系数 A 6 1012 B 7 727 9 10 2 2 4 管线设计要求及内容管线设计要求及内容 1 设计要求 a 输气管具有日输量 20 的调峰能力 b 全线设计系数相同 采用等强度设计 2 设计内容 a 天然气的热物性计算 包括密度 粘度 压缩因子 比热等 b 天然气管道的热力 水力计算 c 压气站的布置 包括末段管道的最优管径 最优长度 站间距 压气站的个 数以及各压气站的进出站压力及温度 d 管道壁厚 管材的确定 e 线路工程设计 f 站场工程设计 包括主要设备的选型计算 2 3 工程概况工程概况 甬温输气管道起始于宁波市 末站位于温州市 管线全长 300 千米 为水平管 线 全线拟建设四座压气站场 输气首站 两个中间清管站及输气末站 全线设置 四座干线截断阀室 使管线在事故情况下能紧急自动关闭 易减少天然气损失和事 故危害 并供管道维修时放空使用 输气管道干线末段管段选用的管径为762 壁厚为 10 3 其余管段管 mmmm 径为762 采用等壁厚设计 壁厚为 9 管材材质为 X65 并采用符合 mmmm GB9711 88 标准的双面螺旋埋弧焊钢管 输气干线采用煤焦油磁漆涂层防腐 同时 采用强制电流保护为主 牺牲阳极为辅的阴极保护法对干线进行防腐蚀控制 管线 运行管理采用 SCADA 控制系统 管线通讯系统主信道为光缆 并与输气管线同沟 敷设 管线辅助系统和公用设施尽力依托现有设施 管线设置维修队 抢修队各一 个 西安石油大学本科毕业设计 论文 4 3 输气管道的工艺计算说明输气管道的工艺计算说明 3 1 天然气的热物性天然气的热物性计算计算 3 1 1 天然气的平均分子量 密度和相对密度天然气的平均分子量 密度和相对密度 1 平均分子量 M 3 1 ii MM Y 式中 平均分子量 kg kmol M 第 i 组分的分子量 kg kmol i M 第 i 组分的摩尔组成 i Y 2 平均密度及相对密度 a 平均密度d 3 2 iiy dd 式中 平均密度 d 第 i 组分的密度 i d 第 i 组分的摩尔质量 i y b 相对密度 e d 3 3 a e d d d 式中 相对密度 e d 平均密度 d 空气密度 a d 3 1 2 天然气压缩系数的计算天然气压缩系数的计算 1 视临界压力和视临界温度 c p C T 3 4 ii yPcPc 3 5 ii TcTcy 式中 分别为第 i 组分的临界压力和临界温度 i Pc i Tc 第 i 组分的摩尔质量 i y 2 对比压力和对比温度 r p r T 3 6 Pc P Pr 3 7 Tc T Tr 西安石油大学本科毕业设计 论文 5 式中 P 平均压力 T 平均温度 3 平均压力P 根据式 3 8 22 BQAPP ZQ 式中 终点压力 Pz 起点压力 Q P 代入已知数据可以得到 PaPz 6 1086 5 根据式 3 9 ZQ Z Q PP P PP 2 3 2 得到 6 08P 6 10 Pa 4 压缩系数 Z 利用高帕尔的相关方程式的通式 3 10 DcTrBATrZ Pr 由于 Pr 和 Tr 的数值不同 系数 A B C D 取值也不相同 根据式 3 10 得出 Z 见表 3 1 表表 3 1 压缩因子相关方程式压缩因子相关方程式 范围Pr范围Tr相关方程式 0 2 1 2 1 05 1 2 1 2 1 4 1 4 2 0 2 0 3 0 Pr 1 6643Tr 2 2114 0 3647Tr 1 435 Pr 0 5222Tr 0 8511 0 0364Tr 1 040 Pr 0 1931T 0 2988 0 0007Tr 0 999 Pr 0 0295Tr 0 0825 0 0009Tr 0 997 1 2 2 8 1 05 1 2 1 2 1 4 1 4 2 0 2 0 3 0 Pr 1 3570Tr 1 4942 4 6315Tr 4 09 Pr 0 1717Tr 0 3232 0 5869Tr 0 129 Pr 0 0984Tr 0 2353 0 0621Tr 0 858 Pr 0 0211Tr 0 0527 0 0127Tr 0 959 3 1 3 天然气的粘度天然气的粘度 根据粘度的计算公式 3 11 expC 1000 y x 式中 1063 6 2 570 2781x T 1 11 0 04yx 1 5 2 451 7 770 1844 122 4377 581 8 T C T 天然气的粘度 mPa s 西安石油大学本科毕业设计 论文 6 天然气的温度 K T 已知天然气所处的压力 温度条件下的密度和标准状态下的相对密度 可求出所处 条件下天然气的粘度 3 1 4 定压摩尔比热定压摩尔比热 根据 油气集输 中的定压摩尔比热的计算公式 3 12 08 5 24 1 1 5 24 100 10996 0 10624 0 092 0 19 13 T PM TTCp 式中 天然气的定压摩尔比热 Cp KJmol K T 天然气的温度 K P 压力 Pa M 天然气的平均分子量 kgkmol 3 2 管道水力计算管道水力计算 输气管道的水力摩阻系数的计算首先需要计算雷诺数来确定管道 流态根据流态选择不同的计算公式 1 雷诺数可按以下公式计算 3 13 D M D Q D QD D QD A QvD R a e 4444 2 式中 Re 雷诺数 气体的流速 m s v 气体的运动粘度 sm 2 天然气对空气的相对密度 无因次 D 输气管道的内径 m 天然气的动力粘度 a ps 气体的密度 3 mkg 空气的密度 在标准状况下 1 206 a 3 mkg a 3 mkg Q 输气管道体积流量 sm 3 M 输气管道质量流量 kg s 如流量 Q 的单位取 管内径 D 取 m 动力粘度取 Pa s 将 1 206sm 3 a 代入式 3 13 得 3 mkg 西安石油大学本科毕业设计 论文 7 3 14 D Q 536 1 Re 根据雷诺数可以判断天然气的流态 a Re3000 紊流 工作区可用下列两个临界雷诺数公式来判断 3 15 7 3 1 2 7 59 Re D k 式中 k 管内壁的当量粗糙度 绝对粗糙度的平均值 mm 3 16 5 1 2 2 11 Re d k c 流型判断 Re 流态为水力光滑区 1 Re 流态为混合摩擦区 12 ReReRe 流态为阻力平方区 2 ReRe 2 水力摩阻系数 a 层流区摩阻系数按下式计算 3 17 64 Re b 临界过渡区摩阻系数按下式计算 3 18 3 0 0025 Re c 紊流区摩阻系数按下式计算 3 19 12 52 2 01lg 3 7065 Re K d 西安石油大学本科毕业设计 论文 8 4 站场工艺站场工艺 4 1 输气管道工程站场种类及名称输气管道工程站场种类及名称 4 1 1 概述概述 输气站是输气管道工程中各类工艺站场的总称 按它们在输气管道中的位置分 别为 输气首站 输气末站和中间站 中间站又分为压气站 气体接收站 气体分 输站 清管分离站等 三大类型 按功能又可以分为 调压计量站 清管分离站 配气站和压气站等 a 首站流程说明 正常输送来气 增压站来气 除液器 旋风分离器 计量 去中间站 发送清管器 首站发球筒 清管器通过指示器 下游管线 气源为增压站来气 站内气体净化以旋风分离器除尘为主 但有时上游气体处 理装置的非正常情况 管道内可能存在少量液体 在清管时 这些液体被推进站内 将影响调压阀 压缩机的正常工作 b 末站流程说明 正常输气 上游来气 旋风分离器 稳压计量 下输到各门站 接受清管器 上游来气清管器 通过指示器 旋风分离器 稳压计量 下输到各门 站 接受干线来气 经分离 调压 计量输送给各用户 干线末端设清管器接受装置 气体分离采取除液 除尘相结合 使天然气达到管输要求 4 1 2 输气站种类及功能输气站种类及功能 1 输气首站是设在输气管道起点的站场 一般具有分离 调压 计量 清管 发送等功能 2 中间站及功能 它是设在输气管道首站和末站之间的站场 一般分为压气站 气体接受站 气 体分离站 清管分离站等几种类型 压气站 它是设在输气管道沿线的站 用压缩机对管输气体增压 气体接收站 它是在输气管道沿线 为接受输气支线来气而设计 的站场 一般具有分离调压计量和清管器收发等功能 西安石油大学本科毕业设计 论文 9 4 2 输气站的主要功能输气站的主要功能 4 2 1 分离分离 为了保证进入输气管道的气体的气质要求 在一些站场要设置分离 装置 分离 其中携带的干粉尘 其除尘设备多采用旋风分离器 多管除尘器 过滤除尘器等 大流量站场的气体除尘器可以经过汇管采取并联安装 来满足处理要求 在设计分离 器台数时 应按分离器的最小处理能力来计算设计安排 以保证当一台分离器检修 时余下的分离器的最大处理能力仍能满足站场的处理要求 4 2 2 清管清管 输气管线在施工过程中积存下来的污物和管道投产运行时所积存下来的腐蚀产 物 都是影响气质 降低输气能力 堵塞仪表 影响计量精度和加剧管线内部腐蚀 的主要因素 为此 应与管线投产前和运行过程中加以清除 清管气体收发装置 清管气体收发装置包括收发筒 工艺管线 全通径阀门 装卸工具以及通过指 示器等辅助设备 1 发球筒 发球筒的筒直径一般比主管大 1 2 倍 以便清管器的放入和取出 其发送筒的长度应能满足最长清管器或监测器的需求 一般不应小于筒径的 3 4 倍 其接受筒长度应更长些 因为它需要容纳进入排污管的大块清除物和先后发入管道 的两个或更多的清官器 其长度一般不小于管径的 4 6 倍 2 快速开关盲板 快速开关盲板上应有防自松安全装置 3 污物排放 清管作业清除的污物应集中处理 不得随意排放 4 2 3 调压计量调压计量 4 2 3 1 调压 1 输入和输出支线与干线的联结点应保持稳定的输入和输出压力 并规定其 波动范围以利于对支线和干线输送过程的控制 输气首站内调压设计中应符合输气 工艺设计要求并应满足开 停工和检修的需要 2 调压装置应设置在气源来气压力不稳定且需要控制进站压力的管线上 分 输器和配气管线上以及需要对气体流量进行控制和调节的计量装置之前的管段上 4 2 3 2 计量 1 输入与输出干线的气体及站内自耗气必须计量 这些气量是交接业务和进 行整个输气系统控制和调节的依据 2 气体计量装置应设置在输气干线上 分输气干线上和配气管线上以及站内 的自耗气管线上 3 天然气体积流量计有压差式和容积式流量计两种 其中以压差式流量计为 西安石油大学本科毕业设计 论文 10 主 近年来随着输气管道自动化程度的不断提高在输气站场上已开始利用微机测定 天然气流量 4 2 3 3 安全泄放 输气站的各类站场必须设置安全设施 安全阀定压及泄压防空管直径应按以下 要求计算 1 安全阀定压 安全阀定压应等于或小于受压设备和容器的设计压力 a 单个安全阀的泄压管直径应按背压不大于该阀泻放压力的 10 来确定 但不 应小于安全阀的出口管径 b 对于连续多个安全阀的泻放管 应按所有安全阀同时泻放时产生的背压不大 于其中任何一个安全阀的泻放压力的 10 来确定 且泻放管截面积不应小于各支线 截面积之和 2 安全泻放设施的设置要求 a 输气站应在进站截断阀上游和出站截断阀下游设置泄压放空装置 根据输气 管道站场的特点 放空管应能迅速放空输气干线两截断阀之间管段内的气体 放空 管的直径通常取干线直径的 1 3 1 2 而且放空阀应与放空管等径 b 站内的受压设备和容器应按现行的安全规程的规定设置安全阀 安全阀泻放 的气体可引入同级压力放空管线 c 站内高低压放空气体不得以同一管线输到放空立管 必须按压力等级分别设 置放空管 防空气体应经放空管排入大气 并应符合环境保护和安全防火要求 4 3 站址选择站址选择 1 基本要求 地势平缓 开阔 供电 给水 排水 生活及交通方便占地面积 所选站址应使站内各建筑物 之间能留有符合防火安全规定的间距 应该考虑站场的发展余地 应避开山洪 滑坡等不良工程地质地段及其他不宜设站的地方 站址与附近工业 企业 仓库 火车站及其他公用设施的安全距离必须符合 现行的国家标准 石油天然气工程设计规范 GB 50183 的有关规定 2 设计原则 输气站的设置应符合线路走向和输气工艺设计的要求 各类输气站宜联合建 设 输气站内平面布置 防火安全 场内道路交通及与外界公路的连接应符合国 家现行标准 石油天然气工程设计规范 GB 50183 建筑设计防火规范 GB 50016 石油天然气工程总图设计规范 SY T 0048 西安石油大学本科毕业设计 论文 11 3 站场平面布置原则 输气站各建 构 筑物及设备的平面布置应根据工艺流程中天然气的流向来 确定 应尽量缩短管线长度 避免倒流 减少交叉 管线应采用地上或埋土敷设 不应采用管沟敷设 根据流程和设备功能 分区块布置 把功能相同的设备布置在一起成为一个 装置区 装置区之间的连接管道敷设应有利于车行道的布置 输气站与周围建筑物和站内各建筑物之间的距离必须满足有关安全防火要求 有保证消防 起重和运输车辆通行的道路和必要的检修堆放场地 生活区 办公区应布置在全年最小频率风向的下风侧 要求有利于生产 方 便生活 力求节约 压气站的仪表控制室 维修间和行政办公室建筑通常布置在单独或合并在一 起的建筑物内 与压缩机房保持一定的距离 以减少噪音干扰 4 4 站场工艺设备选型站场工艺设备选型 4 4 1 简述简述 天然气中的固体杂质不仅会增加管输阻力 影响设备 阀门和仪表的正常运作 使其磨损加速 使用寿命缩短 而且污染环境 有害于人体 因此 在供给用户前 应出去除去悬浮在天然气中的固体杂质 为此 在天然气输气站中应设置除尘设备 输气站场中的除尘设备 要求结构简单 可靠 分离效率高 不用经常更换或 清洗部件 气流通过压降小等 目前 输气站中经常采用的除尘设备有 旋风分离 器 导叶式旋风分离器 过滤分离器等 本工程采用旋风分离器 4 4 2 分离器的设计分离器的设计 旋风分离器是利用旋转的含尘气体所产生的离心力 将粉尘从气流中 分离出来的一种干式气 固分离装置 对于捕集 5 10以上的粉尘效率较高 m 1 旋风分离器进口 a 旋风分离器进口形式和进口管形式 旋风分离器有两种主要的进口形式 切 向进口和轴向进口 进口管可以制成矩形和圆形两种形式 由于圆形进口管与旋风 分离器只有一点相切 而矩形进口管在整个高度上均与筒壁相切 故一般多采用矩 形进口管 一般 矩形进口管的高度 a 与宽度 b 之比为 2 3 b 分离器进口管气速 v 在一定范围内 进口气速越高 除尘效率越高 但气 速太高会使粗颗粒粉碎变成细粉尘的量增加 并增加旋风分离器的压力损失和加速 分离器本体的磨损 降低其使用寿命 因此 在设计旋风分离器的进口截面时 必 须使进口气速为一适宜的值 一般的进口气速为 10 25 m s 西安石油大学本科毕业设计 论文 12 2 旋风分离器的直径等圆筒结构尺寸 a 圆筒体直径 D 一般旋风分离器的圆筒直径很小 旋转半径越小 粉尘所受的离心力越大 旋 风除尘的效率就会越高 但过小的筒体直径 由于旋风分离器壁与排气管太近 会 造成直径较大的颗粒反弹至中心气流而被带走 从而使除尘效率降低 另外 筒体 太小容易引起堵塞 尤其对粘性物料 工程上常用的旋风分离器筒体直径都在 200 以上 mm 旋风分离器的筒体直径可以参考 天然气工程手册 中的公式来求取 公式如 下 4 1 2 4 0 536 G Qr D P 式中 旋风分离器的筒体直径 Dm 工作条件下的气体流量 Q 3 ms 阻力系数 由实验确定 一般取 180 工作条件下的气体密度 G r 3 kg m 水力损失 即旋风分离器的压降 P 2 kg m b 筒体高度 h 通常 除尘效率较高的旋风分离器都有较大的长度比例 这不但使进入筒体的 颗粒停留时间增长 有利于分离 且能使尚未达到排气管的颗粒有更多的机会从旋 风分离器中分离出来 减少二次夹带 以提高除尘效率 足够长的旋风分离器筒体 可避免旋转气流对灰斗顶部的磨损 筒体的高度及其他尺寸可以参考 天然气工程手册 中的规格标准来选取 4 4 3 除液器设备设计及选择除液器设备设计及选择 根据 油田油气集输设计技术手册 上册 中所给出的有关立式分离器的计算 公式 对于处理气体的立式分离器在工作时 气体和液滴沉降的方向相反 故要求 0g ww 而设计分离器时 要求在重力沉降部分能分离出直径为 100以上的液滴 就m 可以使气体进入捕雾器 以捕集直径更小的液滴 满足气体带液率的指标 计算分离器按处理气量计算分离器的直径 要考虑进入分离器的油气两相比例 随时间不断变化这一实际情况 引入波动系数 一般取 1 5 2 4 2 gvS SS wPT TZPV D 4 西安石油大学本科毕业设计 论文 13 捕雾器厚度一般取 100 150 可以把直径 10 100的油滴除去 立式分mmm 离器的高度建议为直径的 3 5 5 倍 分离器各部分其他尺寸可参照下述方法确定 除雾段一般不小于 400 1 Hmm 沉降段一般取 D 但不小于 1m 2 H 2 H 入口分离段一般不小于 600 3 Hmm 西安石油大学本科毕业设计 论文 14 5 线路工程线路工程 5 1 线路所处位置及沿线自然条件状况线路所处位置及沿线自然条件状况 5 1 1 线路选择的基本要求线路选择的基本要求 1 管线敷设地区的选择应符合我国现行的有关规定 线 路走向应避开城市规 划区 文物古迹 风景名胜 自然保护区等 2 站场及大 中型河流穿 跨 越位置选址应服从大的线路走向 线路局部 走向应服从站场和穿 跨 越工程的位置 3 线路尽可能避开高强度地震区 沙漠 沼泽 滑坡 泥石流等不良工程地 质地区和施工困难地区 4 线路应尽可能利用现有的公路 方便施工和管理 同时应尽可能利用现有 的国家电网供电 以降低工程费用 5 线路应尽可能取直 缩短线路长度 同时线路也要尽可能靠近气田 城镇 和工矿企业 5 1 2 沿线自然条件状况沿线自然条件状况 1 工程地形 地貌 地质概况 管道沿线地形较为平坦 相对高差小于 200 米 沿线地貌以平原主 有少量间歇性地表水及农田耕地 且沿线大部分地段地下水位较低 2 工程条件 管道所经地区属于暖温带大陆性气候 降水稀少 空气干燥 气候四季分明 昼夜温差大 光照充足 是该地区的气候特征 5 1 3 沿线地区等级划分沿线地区等级划分 地区等级划分按 输气管道工程设计规范 GB50251 的规定 可划分为四个等 级 1 一级地区 供人居住的建筑物内的数户在 15 户或以下的区段 2 二级地区 供人居住的建筑物内的数户在 15 户以上 100 户以下的区段 3 三级地区 供人居住的建筑物内的数户在 100 户或以上的区段 包括市郊 居住区 商业区 工业区 发展区以及不够四级地区条件的人口稠密区 4 四级地区 系指四层及四层以上楼房普遍集中 交通频繁 地下设施多的 区段 5 2 管道材质及壁厚选择管道材质及壁厚选择 5 2 1 材质选择材质选择 优选管道用钢是保证工程质量 减少工程投资的重要环节 采用的钢管和钢材 西安石油大学本科毕业设计 论文 15 应具有良好的韧性和焊接性能 根据输气管道工艺计算书确定的管线系统设计压力 管径 输送介质及首站出站温度等条件 确定本工程干线管道采用符合 石油天然 气输送管道用螺旋埋弧焊钢管 GB9711 88 标准的 X65 等级螺旋双面埋弧焊钢管 5 2 2 钢管壁厚的确定钢管壁厚的确定 钢管壁厚按 输气管道工程设计规范 GB50251 92 中规定计算 计算所得的 管道壁厚度应向上圆整至钢管的壁厚 n 5 1 tF PD S n 2 式中 钢管计算壁厚 cm n 设计压力 MPa P 管道的外径 cm D 钢管的最小屈服强度 MPa s 设计系数 F 焊缝系数 取 1 0 温度折减系数 当温度小于 120 时 t 值取 1 T 5 2 3 管道的轴向应力及稳定性验算管道的轴向应力及稳定性验算 管线鼻喉设计计算公式只考虑了管线在内压作用下产生的环向应力 对于较大 直径的管线或对于某些特殊管段的安全需要 还应该核算轴向应力 轴向应力得相关计算公式 5 2 kS ttE 21 5 3 2 Pd h 式中 管线的轴向应力 L MPa 钢材弹性模量 为 2 06 E 5 10 MPa 钢材的线性膨胀系数 取 1 2 5 10 管线安装温度 1 t 管线工作温度 2 t 泊松比 取 0 3 管线的环向应力 h MPa 钢管内径 cm d 西安石油大学本科毕业设计 论文 16 钢管的公称壁厚 cm 管线的当量应力可按最大剪应力破坏理论来计算和校核并满足以下条件 5 4 slh 9 0 5 3 管道敷设管道敷设 5 3 1 管道的敷设方式管道的敷设方式 输气管道敷设的地形 地质 水文地质及气候条件不同的地区 采用的敷设方 式也不同 可供管道采用的敷设方式有以下几种 1 地下敷设是长输管线采用的最广泛的一种形式 管子顶点位于地表以下有 一定的距离 2 半地下敷设是管底位于地表之下 而管顶位于地面之上 3 地上敷设 土堤埋设 是管道管底完全位于地面之上 4 管架敷设是把管道架设在构筑于地面的支架上面 一般用于跨越人 自然 障碍物 开采矿区和永冻地段 按规范规定 并结合管道沿线所经过地区的具体情况 本工程干线管道除某些 其他地区采用管梁跨越结构形式外 其他管道采用埋地敷设 5 3 2 管道转角管道转角 根据 天然气长输管道工程设计 中规定 管道改向可采用弯头或弯角方式来实现 为满足清官器或检验仪器能顺利 通过管道 弯头的曲率半径应大于 5DN 对于温差较大的管道应大于等于 10DN 1 现场冷弯弯管的最小曲率半径为 公称直径 DN 最小曲率半径 Rmin 300 18DN 350 21DN 400 24DN 450 30DN 2 弯管上有环向焊缝时 弯制后应对焊缝进行 X 射线检查 3 输气管道平面和竖向不易同时发生转角 水平弹性敷设曲线与竖向弹性辐 射曲线不易重叠 干线采用曲率半径为 Rr 6D 的弯头 冷弯管现场弯制 采用曲率半径为 40DN 1 R 5 3 3 线路辅助设施线路辅助设施 1 线路截断阀室的设置 西安石油大学本科毕业设计 论文 17 a 设置目的 在输气管道上间隔一定距离需设置截断阀 截断阀的位置应选择在交通方便 地形开阔 地势较高的地方 目的是便于维修以及当管道发生破坏时 尽可能减少 损失和防止事故扩大 b 截断阀间距 我国 输气管道工程设计规范 规定安地区等级 不等间距设计截断阀 截断 阀最大间距应符合下列要求 一级地区为主的管段 32Km 二级地区为主的管段 24Km 三级地区为主的管段 16Km 四级地区为主的管段 8Km c 截断阀要求截断阀可采用自动或手动阀门 并应能通过清管器和检测仪器 5 3 4 线路走向线路走向 1 应避开易发山洪 滑坡等不良地质段以及其他不易建站的地方 2 遇到湿陷性黄土分布区 站址应尽量避开或选在湿陷量较小的地段 3 地下水位较低 无腐蚀性 4 地耐力不小于 150KPa 5 3 5 勘察要求勘察要求 1 站场地形图比例 1 200 1 500 2 站场测量系统应与管线测量系统保持一致 3 测量范围应具体考虑为总图布置方案留有余地 特殊地区建站可视现场的具 体情况 确定测量范围和地形比例 5 3 6 站址选择步骤站址选择步骤 1 先在总流向确定的范围内的地形图上 1 50000 或 1 10000 初选几处作为 站址 2 组织各有关专业的负责人 总图 水 电 土建 地质 测量 以及生产单 为的负责人进行站址确定以后应进行地质勘察和测量工作确定以后应进行地质勘察 和测量工作 线路里程桩 兼作阴极保护测试桩 转角桩及标志桩的设置 为了便于管线的巡线检测 掌握沿线管道阴极保护的情况 随时测定管道沿线 各点的有关数据 从管道起点每隔 1Km 设置一个线路里程桩 为了方便管理及减少 投资 里程桩兼作阴极保护测试桩 在管道穿越铁路 公路 地下建筑物 河流 沟渠及较大冲沟 水利工程等处 均应设置标志桩 在管道水平转角处均设置转角桩表示管道走向 便于巡线检测 对易于遭到车辆碰撞和人为破坏的管段 应设置警示牌 并应采取保护措施 西安石油大学本科毕业设计 论文 18 5 3 7 线路设计中采取的抗震措施线路设计中采取的抗震措施 根据 输油 气 埋地钢制管道抗震设计规范 SY54050 91 有关要求及结合沿 线所处的部分区域按 7 度地震烈度设防 减灾地面上的线路附属设施和重要的穿越 工程在该区域基本设防烈度的基础上提高一度作为设计设防烈度的原则 线路设计 中采取以下有利于抗震的措施 1 全线道路基本采取沟埋敷设 在管道纵向和水平转角处采取大曲率半径的自 然弯曲弹性敷设 增加了管线的整体柔韧性 2 管道覆盖土回填时 基本未松散回填 自然沉降 有一定的纵向变形补偿能 力 3 在穿越河流 较大沟渠 铁路 公路处 提高设计系数 适当增加壁厚 并 对铁路及高等级的公路穿越段架设套管保护 4 考虑正常的检测和事故状态的抢修的需要 全线设置 4 座截断阀室 便于管 道的分段检修与事故抢修 5 4 焊接与检验 清管与试压焊接与检验 清管与试压 5 4 1 焊接与检验焊接与检验 本工程管段环形焊口焊接采用全位置下焊接方式 焊口无损探伤检验按照规范 要求 结合本工程的具体情况管道环形焊口周长 100 采用 X 射线全周长复验 管道焊前 焊接过程中间焊后检查及焊接工程交工检验记录 竣工验收要求及 用于破坏性实验的焊缝 其取样 实验项目和方法 焊接质量要求 按国家现行标 准有关章节执行 5 4 2 清管和试压清管和试压 1 清管扫线 a 管道竣工前应用清管器进行清管 清管应不少于两次 b 清管扫线应设临时清管收发设施和防空口 不应使用站内设施 防空口应设 置在第是开阔的安全地带 防空口应锚固并有可靠的接地装置 c 管道投于使用前应进行干燥清管 必要时可投入吸湿剂 2 试压的一般规定 按 输气管道工程设计规范 GB50251 03 的 10 2 章节有关内容执行 输气 管道必须进行强度试验和严密性实验 经试压合格的管段间互相连接的焊缝经射线 照相检验合格后 可不再进行试压 输气站和穿 跨 越大中型河流 铁路 二级 以上公路 高速公路的管段 应单独进行试压 3 试压介质 a 位于一 二级地区的管段可采用气体或水做试验介质 位于三 四级地区的 西安石油大学本科毕业设计 论文 19 管段及输气站内的工艺管道应用水作实验介质 b 用水做实验介质时 管道高位点应设置排气阀放空 4 实验压力 a 一级地区的管段不应小于设计压力的 1 1 倍 b 二级地区的管段不应小于设计压力的 1 25 倍 c 三级地区的管段不应小于设计压力的 1 4 倍 d 四级地区内的管段及输气站内的工艺管段不应小于设计压力的 1 倍 e 试验压力稳定时间不应少于 4 小时 以验证其强度 5 严密性试验 输气管道严密性试验应在强度实验合格后进行 用无腐蚀性气体作为试验介质 试验压力为设计压力 稳压 24 小时 不泄露为合格 6 干燥 输气管道试压 清管结束后宜进行干燥 可采用吸水性泡沫清管塞反复吸附 干燥气体 压缩空气或氮气 吹扫 真空蒸发 注入甘醇吸湿剂清洗等方法进行管 内干燥 5 5 阀门与法兰的选用阀门与法兰的选用 5 5 1 阀门的种类及选用阀门的种类及选用 1 阀门的选用要求 a 应选用密封性能好 使用寿命长的阀门 在防火区域内关键部位使用的阀门 还应考虑阀门的耐火性能 b 在需要清管的管段 应选用能通过清管器的全通径阀门 2 阀门的种类 a 闸阀 管道中主要用于安装在需要全开全关属于截断的管段 具有调节流量的地方不 能采用闸阀 在站场装置中通常采用契式单闸板闸阀 b 截止阀 用于全开全关属于截断的管段 但截止阀可用于流量调节要求不严格的地方 作一般的截流控制操作之用 在站场中主要用于粗调节的控制阀 对流体压力降要 求严格的地方不宜采用截止阀 c 节流阀 节流阀也叫针型阀 主要用于调节流量和截流降压 在站场内通常采用角式节 流阀 d 安全阀 西安石油大学本科毕业设计 论文 20 安全阀在受压的管道和容器上起保护作用 当被保护系统内介质压力升高到超 过规定值 即安全阀的开启压力 时 自动开启 排放部分介质 防止压力继续升 高 当介质压力降低到规定值 即安全阀的回座压力 时 自动关闭 e 球阀 球阀与闸阀的功能相似 是用来作为截断管路介质用的阀门 不能用于调节流 量 球阀因其通径与管路相同 故在输气管线中普遍使用 5 5 2 法兰的选用法兰的选用 一般情况下法兰可以铸造或模锻 根据操作条件和介质等可以选择法兰及法兰 的公称压力 类型 密封面要求及其材料 西安石油大学本科毕业设计 论文 21 6 输气管道工艺计算书输气管道工艺计算书 6 1 原始资料及基本物性计算原始资料及基本物性计算 6 1 1 天然气输送流向和气量分配天然气输送流向和气量分配 甬温输气管道起始于宁波市 末站位于温州市 管线全长 300 送至温州市km 的一期输量为 3 0 二期输量为 4 5 93 10 ma 93 10 ma 6 1 2 天然气物性参数计算天然气物性参数计算 6 1 2 1 天然气组成原始数据 见表 6 1 表表 6 1 天然气的组成天然气的组成 组分 1 C 2 C 3 C 4 iC 4 nC 5 iC 2 N 体积组分 91 464 742 590 570 540 010 09 6 1 2 2天然气物性参数计算 天然气的物性按式 3 1 至式 3 4 计算 ii MM Y ii ddy PcPci yi TcTci yi 计算数据见表 6 2 表表 6 2 物性计算结果表物性计算结果表 组成 体积百分 含量 分子量 kg mol 密度 3 Kg m 视临界压力 5 10 Pa 视临界温度 K 1 C 91 4616 0430 717445 44190 58 2 C 4 7430 0701 3553 48 16 305 42 3 C 2 5944 0972 010241 94369 82 4 iC 0 5758 1242 691236 00408 14 4 nC 0 5458 1242 703037 47469 65 5 iC 0 01 72 1513 42633 81460 35 2 N 0 09 28 0131 250733 49125 97 混合气 10017 9180 803845 37203 14 由上表可得 天然气的平均分子量 17 918 密度M kg mol 0 8038 视临界压力 4 537MPa 视临界温度 Tc 203 14 3 Kg mPc 西安石油大学本科毕业设计 论文 22 6 1 2 3 压缩系数 Z 的计算 由式 3 6 Pr c P P 及式 3 7 r T T Tc 代入数据得 1 39 在 1 2 2 8 之间 PrPr 1 44 在 1 4 2 0 之间 TrTr 综合表 3 1 可得压缩因子的表达式为 Z Pr 0 984Tr 0 2353 0 0621Tr 0 858 代入数据得 Z 1 39 0 984 1 44 0 2353 0 0621 1 44 0 858 0 82 6 1 2 4 天然气粘度计算 根据粘度的计算公式 3 11 expC 1000 y x 又已知天然气所处的压力 温度下的密度 相对密度为0 800837 3 Kg m 0 6665 则可求出所处条件下天然气的粘度 式 3 11 中 1063 6 2 570 2781x T 1 11 0 04yx 1 5 2 451 7 770 1844 122 4377 581 8 T C T 天然气的粘度 mPa s 天然气的温度 K T 代入数据可求得 x 6 3835 y 1 3653 C 0 0106 从而 可求出 0 010613mPa s 6 2 输气管热力计算输气管热力计算 6 2 1 管线工艺计算基本参数管线工艺计算基本参数 设计年输送天数 350 天 管线最高工作压力 6 3 MPa 进配气站最低压力 2 5 MPa 设计压力 6 3 MPa 平均温度 13 压气站特性系数 6 1012 7 727 AB 9 10 西安石油大学本科毕业设计 论文 23 6 2 2 定压摩尔比热的计算定压摩尔比热的计算 由式 3 12 5 1 124 42 5 08 0 996 10 13 190 0920 624 10 100 M P CpTT T 式中 天然气的定压摩尔比热 Cp KJmol K T 天然气的温度 K P 压力 Pa 天然气的平均分子量 M Kg mol 通过计算 可得 42 78 Cp KJmol K 由天然气工程手册图 2 79 得 Cp Cv 14 16 KJmol K 计算可得 Cv 28 62 KJmol K 6 3 末段管道的最优管径及最优长度的计算末段管道的最优管径及最优长度的计算 6 3 1 最优管径的计算最优管径的计算 本设计任务书规定输量 12 857 要求最大储气量为 2 57 为日输dm 10 36 3 m 量的 20 已知条件 相对密度为 0 6665 T 286K Z 0 82 输气管总长 300km 管道摩阻系数初定为 0 0116 MPaP3 6 max1 MPaP5 2 min2 由 输气管道设计与管理 中式 8 59 6 1 22 0 0 2 0 6ZTP TC A 式中 3848 00 0 C T0 工程标准下的温度 一般可取 293K P0 标准大气压力 101325Pa 管道的摩阻系数 初设定为 0 0116 Z 气体压缩系数 相对密度 通过公式计算可得 9 108287 4 A 20 Q 2 57 106m3 maxs V Q sm Q 8 148 360024 10857 12 360024 3 6 根据式 8 58 西安石油大学本科毕业设计 论文 24 6 2 7 1 5 1 2 min2 2 Im 3 min2 3 max1 2 2 2 PPPPA QV D ax samx 代入数据得最优管径 0 759m 根据 天然气管道输送 附录我国管道系列规定 取末端管径为 762mm 6 3 1 1 管道壁厚的计算 由 输气管道工程设计规范 中 直管段壁厚计算公式 6 3 2 s PD Ft 式中 钢管计算壁厚 cm P 设计压力 MPa 钢管外径 Dcm 钢管的最小屈服强度 s MPa 强度设计系数 按输气管道穿越地区所属的地区等级划分级别选择 F 焊缝系数 一般取 1 0 温度折减系数 当温度小于 120 时 值取 1 0 tt 又根据该输气管道材质取 S415 钢 可由 天然气输送工程 查得 S415 钢的最 小屈服强度为 415 管段末段通过地区为二级地区 由 输气管道工程设计规MPa 范 可查得 0 5 又有 P 6 3 76 2 可以算出末段管段的壁厚 FMPaDcm 10 3mm 从而 得出末段管道的内径为 d 741 2mm 6 3 2 末段管道内径的校核末段管道内径的校核 根据式 3 15 D Q 536 1 Re 代入数据可得 6 1036 19Re 又根据式 3 17 2 1 5 11 Re 2 K d 代入数据可得 7 02217 2 Re 6 10 西安石油大学本科毕业设计 论文 25 由于 Re 2 Re 从而可知该管段的流态处于阻力平方区 根据阻力平方区的威莫斯公式 6 4 3 0 009407 0 691 代入数据可得 0 0104 由式 6 5 代 52 0D C TZ C 入已知数据得 4293 12C 由式 6 6 2 2 min2 2 max1 max 22 1 CQ PP lL zzb 代入数据可得 kmLzb 9 175 计算储气开始时的最低压力 由式 6 7 z lCQPP 22 min2min1 代入数据可得 min1 PPa 6 1078 4 由式 6 8 min2min1 2 min2 min1 3 2 PP P PPpj 代入数据可得 PaPpj 6 1076 3 储气开始时管道内的存气量 由 输气管道设计与管理 中 8 51 式 6 9 110 00 min TZP TVZP V pj 代入数据可得 36 min