多气源输气管道设计

1、 重庆科技学院 管道输送工艺 课程设计报告学 院:石油与天然气工程学院 专业班级: 学生姓名: 学 号: 设计地点（单位）_ _ _ _ _ _设计题目: 某输气管道工艺设计 完成日期： 2013 年 12 月 27 日 指导教师评语: _ _ _ _ 成绩（五级记分制）:_ _ 指导教师（签字）:_ _ 目录1 总论11.1 设计依据及原则11.1.1 设计依据11.1.2 设计原则11.2 总体技术水平12 设计参数23 工艺计算33.1 管道规格33.1.1天然气相对分子质量33.1.2 天然气密度及相对密度33.1.3 天然气运动粘度33.1.4任务输量33.1.5 管道内径的计算43

2、.1.6壁厚计算43.2 末段长度和管径确定63.2.1假设末段长度63.2.2参量的计算63.2.3 计算管道末段储气量74 输气管道沿线布站相关工艺计算94.1压缩机相关概况94.2压缩机站数、布站位置的计算公式依据94.3压缩机站数、布站位置的计算104.4压缩比计算114.4压缩机的选择125 布置压气站135.1确定平均站间距135.2确定压气站数136 设计结果14参考文献15重庆科技学院课程设计 总论 1 总论1.1 设计依据及原则 本设计主要根据设计任务书给出的数据和要求，查询相关的国家标准和规范，布置合理的长距离输气干线。 1.1.1 设计依据（1）国家的相关标准、行业的相关

3、标准、规范；（2）相似管道的设计经验（3）设计任务书 1.1.2 设计原则（1）严格执行现行国家、行业的有关标准、规范。 （2）采用先进、实用、可靠的新工艺、新技术、新设备、新材料，建立新的管理体制，保证工程项目的高水平、高效益，确保管道安全可靠，长期平稳运行。（3）节约用地，不占或少占良田，合理布站，站线结合。站场的布置要与油区内各区块发展紧密结合。 （4）在保证管线通信可靠的基础上，进一步优化通信网络结构，降低工程投资。提高自控水平，实现主要安全性保护设施远程操作。（5）以经济效益为中心，充分合理利用资金，减少风险投资，力争节约基建投资，提高经济效益。1.2 总体技术水平 （1）采用高压长

4、距离全密闭输送工艺； （2）输气管线采用先进的 SCADA 系统，使各站场主生产系统达到有人监护、 1 自动控制的管理水平。既保证了正常工况时管道的平稳、高效运行，也保证了管 道在异常工况时的超前保护，使故障损失降低到最小。（3）采用电路传输容量大的光纤通信。给全线实现 SCADA 数据传输带来可 靠的传输通道，给以后实现视频传输、工业控制及多功能信息处理提供了可能。 （4）在线路截断阀室设置电动紧急切断球阀，在 SCADA 中心控制室根据检漏分析的结果，确定管道泄漏位置，并可及时关闭相应泄漏段的电动紧急切断球 阀。 （5）站场配套自成系统。 （6）采用固化时间短、防腐性能优异的环氧粉末作为管

5、道外防腐层。26重庆科技学院课程设计 工程概况 2 工程概况根据设计任务书获得的设计参数。本设计的研究对象为对一条长距离输气干线，管道经过的地区有多个气源和多个用户，即管道沿线有若干进气、分气支线，并且管道沿线地形起伏不大。要求对该管段进行工艺设计。2.1 设计内容：（1）确定管道规格；（2）确定压缩机站数及压缩比；（3）压缩机站的位置。2.2 天然气的组分 所输天然气的组分见下表 表2.1 天然气组分表组成Mol%组成Mol%甲烷94.31己烷0.05乙烷3.39硫化氢0.04丙烷0.67二氧化碳0.02异丁烷0.13氮0.00正丁烷0.11氦0.00异戊烷0.05氢1.19正戊烷0.04氩

6、0.00 2.3 已知设计参数（1）天然气的温度为27，管道长度为1250km，任务输量（起点流量）为110亿方/年，气源起点压力为9.3MPa。（2）管道终点要求的最低进站压力为3.0MPa。（3）本工程的设计压力为10MPa。（3）管道沿线各节点的进、分气量、气源压力、距离见表2.2。表2.2 进分气变化表进分气支线1234距离起点长度（km）100215772928进分气量（万m³/d）320450-479-380气源压力或支线起点压力（MPa）7.25.85.76.5 重庆科技学院课程设计 天然气物性和基本参数计算 3 天然气物性和基本参数计算3.1 天然气相对分子质量式中

7、气体的平均相对分子质量，kg/kmol； 气体第i组分的摩尔分数； 气体第i组分的相对分子质量，kg/kmol。根据任务书给的条件代入数据得到:M=16.67。3.2 天然气工程标况下的密度天然气的密度与压力和温度相关，在低温高压下还与天然气的压缩因子有关。因此，说明密度时必须指明它的压力和温度。工程标准状态下，天然气的密度为: （3.1）式中 混合气体的密度，kg/m³； 组分的摩尔分数； 组分的分子量，kg/mol。根据天然气组分表2.1，带入个组分的分子量，具体计算如下： = 0.693kg/m³3.3 天然气相对密度 在标准状态下，天然气的密度与干空气的密度之比称为

8、相对密度。计算公式如下： 式中 气体的相对密度 空气密度，kg/m³，在工程标况下，为1.206kg/m³。根据上式算得的天然气密度得到：3.4 平均压力本工程的设计压力为10MPa，选用的是离心式压缩机，通过查找教材和相关书籍知道，离心式压缩机的压缩比为1.21.5，本设计拟采用1.3。有公式：式中 其中，起点压力P1=10MPa，所以求得： 输气管道停止输气时，管内压力并不像输油管那样立即消失，而是高压端的气体逐渐流向低压端，使起点压力逐渐下降，终点压力逐渐上升，最后达到平均压力。输气管道的平均压力公式为：代入数据得到：3.5 压缩因子 本工程综合考虑了温度、流量、相对

9、密度、压强等因素，拟采用前苏联气体研究所公式，如下：其中，Ppj=8.92MPa，代入数据得到：3.6 流量（1）计划输量任务书上给的流量是110亿方/年，这是标准状况下的流量。单位换算如下：标况下的流量与实际流量的换算公式如下：式中 其中，Z=0.82，T=300K，P=101325Pa，Q=348.81m3/s，P=10MPa，T=293K，代入上式得到：（2）支线2处流量该工程中，在距离起点100km和215km处都有进气，考虑到两支支线距离很近，进气量不大。所以起点到支线3管径的选择就以支线2进气后的流量为依据，所以需要计算支线2处的流量Q1。其中，q1=320万方/m3，q2=450

10、万方/m3，代入数据得到：代入公式（?），得到：（3）支线3处的流量该工程中，在距离起点772km和928km处都有分气，考虑到经济、效益进气量等因素，以支线3分气后的流量为依据，选择支线3到管段末段管径。所以需要计算支线3的处的流量Q2。 其中，q3=479万方/m3，代入数据得到：代入公式（?），得到：（4）支线4之后的流量支线4距离终点还有222km，根据经验，包括该工程的管段末段，计算这个流量主要是为了确定官道末段的管径。同理，可得管到末段的流量为：其中，q4为支线4的分气量，万m3/s，代入数据：3.7 天然气实际状态下的密度天然气实际状态的密度为：式中 天然气实际状态下的压力，Pa

11、； M天然气的相对分子质量； 压缩因子； 天然气的实际温度。 天然气实际状态下的密度。其中，MPa，Z=0.82，R=8314，M=16.67，代入数据得到：3.8 天然气运动粘度粘度是流体抵抗剪切作用能力的一种量度。气体的粘度与液体的粘度不同之处在于前者随温度的升高而升高，随相对分子质量的增加而减小，但实验证明，只要压力不是特别高（1×105N/m2以下），粘度与压力无关，一般只考虑温度对粘度的影响。（1） 由各组分粘度计算天然气粘度公式如下: 式中 天然气温度，K； 天然气标准状态下的相对密度； 天然气密度kg/m3。 其中，T=300K, ， ,代入上式有：4 工艺计算4.1

12、管径估算（末段除外）长输管道的管径一般可以根据经济流速确定，通过询问老师、查找相关资料得到，输气管线的经济流速一般为10-15m3/s，本设计试取经济流速v=13m3/s进行试计算。有如下公式：式中 由表2.2初步估算得到，本工程需要进行三段管径计算，第一段为起点到分气点3，第二段为分气点3到分气点4，第三段为末端管段。这里的管径估算不包括末段管段，后面会单独计算末段管道。（1）起点到支线3的管径起点到支线3的管径为D1，该管道的计算流量Q1=3.73m3/s，v=13m3/s，代入数据得到：（2）支线3到管道末段的管径支线3到管道末段的管径，该管道的计算流量Q2=3.17m3/s，v=13m

13、3/s，入数据得到：4.2 壁厚计算（末段除外）输气管线的管径确定后，要根据其输送压力、管线材质等来设计壁厚。油田油气集输和外输油、气管线可按下式计算：式中 管线设计的工作压力，Mpa；管线内径，mm； 刚性屈服极限，Mpa(查表3.1)； F 设计系数（查表3.2）。 表3.1刚性屈服极限钢管材质优质碳素钢碳素钢A3F低合金钢16MnAPIS-SL1020X52X60X65X70/Mpa205245235353358413448482表3.2设计系数 工作环境管线野外地区居住区，油气田站内部、穿跨越铁路公路小河渠（常年枯水面宽20m）输油管线0.720.60输气管线0.600.50根据设计要

14、求，长输输气管道一般采用APIS-SL X70，因为它具有较高的耐压强度，较高的低温韧性和优良的焊接性能。选用APIS-SL X70，本工程是输气管线，工作环境为野外地区，所以查表 F=0.60 ，为外径。（1）起点到支线3的管径壁厚计算其中，F=0.60，代入公式，求得：（2）支线3到末段的管径壁厚计算 其中，F=0.60，代入公式，求得：根据国标无缝钢管规格表选管径规格:表 管径规格直径厚度管重/米直径厚度管重/米159415.2982010199.75518.9912239.1622.6414278.26219421.219208179.92526.399202.19631.521022

15、4.41736.612268.7841.6314312.79273533.0410208199.65639.519224.38745.9210249.07852.2812298.29325539.4614347.31647.216396.14754.8918444.77862.54122010298.39970.1312357.471077.6814416.36377654.8916475.05763.87142012416.66872.814485.41981.6716553.961090.5162012475.84426662.1414554.46772.3316632.87882.461

16、8711.1992.55182012535.0210102.5914623.5480670.1316711.79781.6518799.87893.1220887.769104.53202014692.5510115.916790.7529790.1118888.658102.7820986.49115.41221083.9510127.99222016869.616308122.7118977.429137.82221192.4610152.89241299.687208140.46242016948.529157.8181066.210175.09201183.688208160.1922

17、1300.969179.99241418.054.3 末段长度和管径确定 当设计一条新的干线输气管道时，工艺计算应该从末段开始，先确定末段的长度和管径，然后再进行其他各中间管段的计算。 输气管道末段的计算与其他各段的区别是：应该考虑末段既能输气，又能储气的特点，也就是说，在末段的计算中除了要考虑与整条输气管道一致的输气能力，还必须考虑储气能力，最理想的是使末段能代替为消除昼夜用气不均衡所需的全部容积的储气罐。计算输气管道末段长度和直径时，应考虑以下三个条件:（1）当用气处于低峰时（夜间），输气管道末段应能积存全部多余的气体，如条件不允许，可考虑部分满足；当用气处于高峰时（白天），应能放出全部积

18、存的气体。（2）输气管道末段的起点压力，即最后一个压缩机站的出口压力不应高于压缩机站最大工作压力，并且应在钢管强度的允许范围之内。（3）末段的终点压力不应低于城市配气管网的最小允许压力。4.3.1 管道末段长度和管径的确定 已知管道的任务输量为110亿方/年，中间有4个支线，支线1和支线2为进气支线，支线3和支线4为分气支线。前面已经计算，官道末段的流量Q3=338.50m3/s。根据有关资料查的经验值，末段储气能力为日输气量的25%-40%，为满足末段管道储气要求，设计最大储气量为末段日输气量的40%。故可以计算的末段储气能力为:（1） 管道最优长度下的最优管径 其中，=0.57，T=300

19、K，Z=0.82，=0.03848，=293K，=101325Pa，。代入数据可得：从结果可以看出，末段管径与前面用经济流速推断出来的管径差不多，都是600多毫米。4.3.2 末段长度(1）管道末段雷诺数的计算输气管道流量公式中水利摩阻系数是一个很重要的参数，它与流动状态、管内壁粗糙度、管道安装方法、质量和气体性质有关。所以需要先计算雷诺数，公式如下：式中 Re 雷诺数 Q 天然气标况下的流量，m3/s； 天然气相对密度； D 管道内径，m； 天然气动力粘度，Pa.s。其中，Q=348.81m3/s，D=0.625mm， ，代入数据得到：（2）最优末段长度其中各字母的意义和数值与公式相同，代入

20、数据得到： 2. 水力摩阻系数的计算：前苏联天然气研究所近期公式 其中 D取管道末段管径1270mm ，e取0.03带入公式得=0.01453. 参数C： （3.8）其中C0=0.3328*10-6 带入数据的C=0.0074 3.2.3 计算管道末段储气量 储气开始时,终点的最低压力P2min应不低于配气站要求的最低压力，故P2min为2.5Mpa，计算末段起点最低压力P1min。 （3.9） 其中P2min=2.5MPa，C=0.0074，LZ=20km，Q=m3/d带入公式得P1min=2.85MPa 储气结束时，起点最高压力应不超过最后一个压气站或管路的强度，故为已知，则： = 其中=

21、5MPa，带入公式得P2mx=4.28MPa储气开始时的平均压力： （3.10）带入以上数据的 = 2.68MPa储气结束是的平均压力： 带入上述数据得=4.64MPa。根据输气管道末段储气开始和结束时的平均压力和可求得末段输气管的储气能力为： （3.11）式中 -工程标准状况下的压力，=101325Pa-工程标准状况下的温度，=293K 带入相关数据得141.96万m3/d。通过假设的管道长度和管径计算出的储气量接近要求的储气量，所以假设成立。所以，末段长度为20km，管道规格为720*12.重庆科技学院课程设计 输气管道沿线布站相关工艺计算 4 输气管道沿线布站相关工艺计算4.1压缩机相关

22、概况沿线有气体分出或引入的干线输气管的特点是管路中的流量逐段变化：在分气的情况下，流量逐段减小；在进气的情况下，流量逐段增大。如果计算段起点流量保持不变，在相同管径、压力等条件下，有分气点时，计算段的长度必定大于无分气点的输气管计算段的长度，而且分气量越大（或分气点越多），计算段越长；在进气点时，计算段的长度必定小于无分气点的输气管计算段的长度，而且进气量越大（或进气点越多），计算段越短；在既有分气点又有进气点的情况下，计算段的长度取决于分气和进气的共同影响，分气的影响使管段变长，进气的影响使管段变短，因此，如分气的影响超过进气的影响，则计算段变长，反之，则计算段变短。沿线有进气点的水平输气管

23、，设输气管计算段的起点流量为，内径为，起点和终点压力为,沿线有若干进气点，各进气点的进气量为，,.，各进气点之间的管段长度为，,.，这种有进气点的输气管的特点是流量逐段增加，在计算段的长度l必定小于无进气点的输气管计算段的长度。4.2压缩机站数、布站位置的计算公式依据 输气管计算段的长度可按下面的水平输气管基本公式的变换形式进行计算： （4.1)式中 也可按整理变形后的下列公式计算： (4.2)式中 输气管计算段起点和终点压力，Mpa 各进气点的进气量， 计算段的长度，km 天然气相对密度 水力摩阻系数如不考虑进气分气影响，计算段长度为： (4.3)4.3压缩机站数、布站位置的计算 除去末段储

24、气段20Km,给剩下的880Km的管道长度进行压缩机布置。天然气气源压力为8Mpa,不需加压，故设计时在起点不设压缩机。由已知数据，Z=0.82，首先假设压缩比设计压力=8.5，求出进站压力=6.07（1）第1站压缩机布置情况第1站距离起点的长度计算： 第1站压缩机布置在距离起点91.4km的位置（2）第2站压缩机布置情况第2站到首站的长度计算：不考虑进气影响，计算段长度为： 下面进行详细计算：考虑进气影响，计算段长度为： (4.4)所以第2站布置在离首站792.7km的位置。又因为除去已经计算的91.4km，和末端20km的储气长度，管段上还有788.6km需要布站。但是792.7km>

25、;788.6km，所以可以不需增加布置站。综上，此输气干线共需布置2个压缩机站。4.4压缩比计算 由布站位置分布可知，第2站与末站的距离为792.7km，根据管段长度公式(4.2)，已知、，求，进而可知压缩比。校核压缩比： 压缩比为： 根据经验，压气站的设计压比不宜太高，否则将导致管道全线的压缩机功率增大，同时管道的输气能耗及输气成本增大，我国的输气管道工程设计规范（GB 50251-94）建议：当采用离心式压缩机时，压气站的压比取1.2-1.5为宜。此外，在没有特殊要求的情况下，管道全线所有压气站的设计压比通常取同一个值。在本设计中，取压缩比为1.4，最后通过校核压缩比为1.38，符合规范，故设计合理。4.5压缩机的选择压缩机的选型压缩机选型应注意以下几点：（1）压缩机组的选型和台数，应根据压气站的总流量，总压比，出战压力，气质等参数进行技术经济比较后确定。（2）压气站选用离心式压缩机，单机级压缩的压比可在1.2-1.5。（3）统一压气站内的压缩机组，宜采用一机型，并有一台备用。（4）压缩机的原动机选型，应结合当地能源供给情况，进行技术经济比较后确定。（5）在本设计中由于输送的是天然气，所以选择燃气轮机，取采方便稳定较少其他设备投资。根据管道的输量和各站的压力比及组合方式由经验选择压缩机的型号。压缩机的有关参数:型号R