第九章 干线输气管压气站的布置与工艺参数选择

1、1l干线输气管干线输气管是整个输气系统的重要组成部分，其参数受是整个输气系统的重要组成部分，其参数受气气源供气源供气和和城市消费城市消费两者的约束。两者的约束。l当干线输气管与输气系统的其它部分相联系的参数（如输当干线输气管与输气系统的其它部分相联系的参数（如输气量、首站进站压力、终点配气站的最低压力和配气量等）气量、首站进站压力、终点配气站的最低压力和配气量等）确定后，其可作确定后，其可作独立环节进行工艺设计独立环节进行工艺设计，其所得到的数据，其所得到的数据可作为系统优化内容之一。可作为系统优化内容之一。l本章主要解决：本章主要解决：干线输气管的最优参数选择与压气站布置。干线输气管的最优参

2、数选择与压气站布置。第十章第十章 干线输气管压气站的布置与工艺参数选择干线输气管压气站的布置与工艺参数选择both arrangement and process parameters of the compressor station of mainline gas piping 2在进行压气站的布置时需要考虑的问题：在进行压气站的布置时需要考虑的问题：Z 为充分利用地层能量可以省去首站；为充分利用地层能量可以省去首站；Z 注意末段储气的要求；注意末段储气的要求；Z 使运行压力接近管线承压；使运行压力接近管线承压；Z 对于初期流量较小的管线，应分期建造压气站。对于初期流量较小的管线，应分期建

3、造压气站。3第一节 预先不固定站址的压气站布置n干线输气管上布置压气站既要详尽地考虑工艺问题、地理地质问干线输气管上布置压气站既要详尽地考虑工艺问题、地理地质问题，也要考虑经济问题，甚至与其它部门相联系的社会问题，力题，也要考虑经济问题，甚至与其它部门相联系的社会问题，力求做到方便于压气站的建设与管理，让整条管线发挥出最大的效求做到方便于压气站的建设与管理，让整条管线发挥出最大的效益。站址不预先固定的压气站布置意味着仅仅根据水力条件来计益。站址不预先固定的压气站布置意味着仅仅根据水力条件来计算，其结果必然是理想化的，但其优点是便于我们了解布置压气算，其结果必然是理想化的，但其优点是便于我们了解

4、布置压气站的基本方法和一般规律。站的基本方法和一般规律。n 第八章式第八章式（8-17）指出，压气站布置愈是接近输气管的起点，输指出，压气站布置愈是接近输气管的起点，输气管的输气能力就愈大。因为第一，压气站向起点移动时，进站气管的输气能力就愈大。因为第一，压气站向起点移动时，进站4 压力增高，压缩机进口条件下的流量变小，压力比要增压力增高，压缩机进口条件下的流量变小，压力比要增大，若保持压力比不变，则可增大输气能力；第二，压大，若保持压力比不变，则可增大输气能力；第二，压气站向前移动之后，站间平均压力增高，平均流速下降，气站向前移动之后，站间平均压力增高，平均流速下降，克服摩阻所需的能量减小，

5、允许站间通过能力进一步提克服摩阻所需的能量减小，允许站间通过能力进一步提高。高。F以站2为例pL站站1站站2站站3站站4移动前压降线移动前压降线移动后压降线移动后压降线移动后压气站移动后压气站5n一、压气站的站间距n 实际工作中，由于压缩机最大工作压力和管子强度的限制，中间实际工作中，由于压缩机最大工作压力和管子强度的限制，中间压气站不可能无限制地移向起点。那么，在压气站数一定的情况压气站不可能无限制地移向起点。那么，在压气站数一定的情况下，各站的出站压力都达到最大工作压力下，各站的出站压力都达到最大工作压力Pmax时，输气管则有最时，输气管则有最大的输气能力大的输气能力Qmax(即首站出站的

6、最大流量即首站出站的最大流量)，这个最大流量是由，这个最大流量是由全线的压气站特性和整条输气管各站间管路特性共同决定的，这全线的压气站特性和整条输气管各站间管路特性共同决定的，这就是我们下面讨论布站的出发点。根据式（就是我们下面讨论布站的出发点。根据式（8-13），对于一条沿），对于一条沿线没有分气或进气的输气管，扣除各站的自用气之后，流量是在线没有分气或进气的输气管，扣除各站的自用气之后，流量是在6逐渐减少的，第逐渐减少的，第i+1个中间站的特性为个中间站的特性为第第i个站间管路的特性为个站间管路的特性为由上两式可得出最大流量（或最大工作压力）下的站间距：由上两式可得出最大流量（或最大工作压

7、力）下的站间距：2222max1maxiZiPAPBM Q（10-2）21222max1maxiZii iPPCl MQ（10-1）2222maxmaxmax2212122maxmax11iiiiiiiAPBM QAPBlMACAC MQAC MQ（10-3）7n首站出站的最大流量首站出站的最大流量Qmax与末段的最大流量与末段的最大流量QZmax之间存在着下述之间存在着下述关系：关系：n式中式中 n压气站数压气站数n故站间距可改写为故站间距可改写为1maxmaxnZQMQ(10-4)21222maxmax222212maxmax11nn iiiiiZiiZAMPAMPBBlMMACACQAC

8、AC MQ(10-5)8n若不考虑各站的自用气，若不考虑各站的自用气，M=1，且，且Ci=C，各站间距相等，由，各站间距相等，由（10-3）得）得n二、压气站数的确定n 输气管全线长度输气管全线长度22maxmax2max1iAPBQlACQ(10-6)111nZiZiLlllnl9n压气站数压气站数n式中式中 L输气管全长；输气管全长； lZ末段管路长度；末段管路长度； li 第第i站间距；站间距； 平均站间距。平均站间距。n显然，由于平均站间距不易求得，用式（显然，由于平均站间距不易求得，用式（10-7）求压气站数并不）求压气站数并不 方便。方便。1ZLlnl(10-7)l10n为此，令为

9、此，令M=1，Ci=C，用，用l代代 ，则可近似用下式来求压气站数：，则可近似用下式来求压气站数：n我们常常用已知的末段流量我们常常用已知的末段流量 代替首站出站的最大流量代替首站出站的最大流量 ，当，当M=1时，则时，则由式（由式（10-8）和（）和（10-9）就可求得压气站数，实际上是）就可求得压气站数，实际上是 由此求得的压气站数一般应向较大的方向化整。由此求得的压气站数一般应向较大的方向化整。l1ZLlnl(10-8)maxZQmaxQ22maxmax2max1ZZAPBQlACQ(10-9)maxmaxZQQ11n三、输气管的最大流量n当站数确定并化整后，输气管的最大流量在管材一定的

10、情况下也确定了。当站数确定并化整后，输气管的最大流量在管材一定的情况下也确定了。设有设有n个压气站，除末段外，有个压气站，除末段外，有n-1个站间。由式（个站间。由式（10-3）得得2222maxmaxmax2212122maxmax11iiiiiiiAPBM QAPBlMACAC MQAC MQ2111max2221111max111nnniiiiiiiAPBlMAQACC M12n由于由于 ，故最大流量的平方值，故最大流量的平方值n若若Ci=C，则，则11niZilLl12max2112max121111niiinZiiAPC MQA LlBMC 12max2121max2111niiZA

11、PMQAC LlnBM（10-10）（10-11）13n若若M=1，则，则 ，故，故n若若M1121111niinM 2max2max111ZnAPQAC LlnB（9-12）2212421222221111111nninniMMMMMMMM 14n故首站出站的最大流量的平方值故首站出站的最大流量的平方值n末段最大流量的平方值末段最大流量的平方值 222max2max2222111nnZAPMMQAC LlnBMMM（10-13） 222max2max22111nZZAPMMQAC LlnBMM（10-14）15n对于输气管末段，若其起点压力也是对于输气管末段，若其起点压力也是Pmax，其终点

12、压力比为，其终点压力比为PZmax，两者之间存在下述关系：两者之间存在下述关系：n由上式解出由上式解出lZ,代入式（代入式（10-10）得）得222(1)2maxmaxmaxnZZ ZPPC l MQ12(1)22maxmax2112max12(1)21111nnZZiiinnZZiiAAC MPAPC MQAC LMBC MC（10-15）16n由于由于 ，故末段最大流量，故末段最大流量22(1)2maxmaxnZQMQ12(1)22maxmax2112max121111nnZZiiiZnZZiiAAC MPAPC MQAC LBC MC（10-16）17 四、各站的进站压力四、各站的进站压

13、力n对于任意一站对于任意一站（i+1）的进站压力，根据站特性式的进站压力，根据站特性式（10-1）：）：n或根据管路特性式（或根据管路特性式（ 8-13 ）22222(1)22maxmaxmaxmax1ii nZZiPBM QPBMQPAA 222(1)21maxmaxiZii iPPCl MQ（10-18）2max)(22maxzniiiQMlCP18 五、压气站布置的基本步骤五、压气站布置的基本步骤 根据上面讨论，归纳出压气站布置的基本步骤如下：根据上面讨论，归纳出压气站布置的基本步骤如下：n（1）根据末段储气要求确定末端参数：）根据末段储气要求确定末端参数：P1max、P2min、和、和

14、lZ；n（2）根据任务流量和式（）根据任务流量和式（10-8）、（）、（10-9）或（）或（10-6）初步确定）初步确定压气站数，并化整（向上）；压气站数，并化整（向上）；n（3）由于站数化整，需根据式（）由于站数化整，需根据式（10-10）至（）至（10-16）复核最大工）复核最大工作压力作压力Pmax下的最大流量下的最大流量Qmax（或（或QZmax），或者根据任务流量），或者根据任务流量Q核算该流量下的最高工作压力核算该流量下的最高工作压力Pmax；19n（4）根据式（）根据式（10-3）或（）或（10-5）计算各站间的站间距，并布置压力）计算各站间的站间距，并布置压力站；站；n（5）计

15、算各站其余的工艺参数：如进站压力）计算各站其余的工艺参数：如进站压力PZi、压力比、压力比、压头、压头H、功率功率N和出站温度和出站温度T2等等。等等。n（6）根据计算成果和实际需要对某些站进行调整，并重新核算。）根据计算成果和实际需要对某些站进行调整，并重新核算。20n上面讨论的基础是使各站的出站压力都为最高工作压力，实上面讨论的基础是使各站的出站压力都为最高工作压力，实质上也就是使输气管处于消耗能量最少的状态。质上也就是使输气管处于消耗能量最少的状态。n首站也不例外，但首站的进站压力决定于气田的供气压力，首站也不例外，但首站的进站压力决定于气田的供气压力，当首站的进站压力随着气田供气压力而

16、下降时，为了保持出当首站的进站压力随着气田供气压力而下降时，为了保持出站压力仍为站压力仍为P Pmaxmax，也就是在最少能耗下最大限度地发挥输气管，也就是在最少能耗下最大限度地发挥输气管的输气能力，在首站前增减附加的压气站或提高首站的压力的输气能力，在首站前增减附加的压气站或提高首站的压力比（亦要增加功率和能耗）的办法是必要和合理的。比（亦要增加功率和能耗）的办法是必要和合理的。n对于中间站，基于同样的道理，在一定的输量下，也应该保对于中间站，基于同样的道理，在一定的输量下，也应该保持允许的最大出站压力持允许的最大出站压力P Pmaxmax。21n一条大型输气管，各个时期的输气量不会相同，从

17、投产一条大型输气管，各个时期的输气量不会相同，从投产初期的不满负荷运行到全部运转时的满负荷工作。同样初期的不满负荷运行到全部运转时的满负荷工作。同样可以从前面介绍的计算中，找到输气管不同时期的压气可以从前面介绍的计算中，找到输气管不同时期的压气站数。这时，必须注意到压气站在不满负荷时，不一定站数。这时，必须注意到压气站在不满负荷时，不一定是全部机组投入运行，压气站特性方程中是全部机组投入运行，压气站特性方程中A和和B的数值将的数值将有所变化。有所变化。22n 例题例题10-1 某输气管干线全长某输气管干线全长1234km，送至某城市的输，送至某城市的输气量为气量为5106m3/d。末段管径为。

18、末段管径为6308mm，其余站间，其余站间为为5297mm。最大工作压力。最大工作压力Pmax=5.5106Pa，进配气，进配气站的最低压力站的最低压力P2min=106Pa。试布置全线压气站，并决定。试布置全线压气站，并决定末段最大储气能力和全线各站的工艺参数。末段最大储气能力和全线各站的工艺参数。2324n已知：所输天然气的相对密度已知：所输天然气的相对密度*=0.58，压缩因子，压缩因子Z=0.93，平均温，平均温度度T=288K。管道的水力摩阻系数。管道的水力摩阻系数=0.0121。压气站特性系数。压气站特性系数A=4.5388，B=9.479109。自用气系数。自用气系数M=0.99

19、5n解：解：n1、末端参数、末端参数n输气量输气量Q= 5106m3/d=57.87m3/sn由表由表4-1查得查得C0=0.03848。由式（。由式（9-6）得）得*252500.0121 0.93 0.58 28814547.110.038480.614ZTCC D25n最优末段长度为最优末段长度为n由式（由式（9-17）2612221max2min225.5 1010300200.97300.222 14547.11 57.87ZPPlmkmCQ9222*220020*1045. 458. 00121. 093. 0288101325293603848. 06ZTPTCA26n最大储气能

20、力为最大储气能力为n终点最大压力与末段起点最小压力，由式（终点最大压力与末段起点最小压力，由式（9-18得）得）1.533221max2min1maxmin2max*20.707SPPPPVA DQ1.531818212129725.510100.7075.510104.45 100.61457.8731918983m212122max1min15.5101035041.482PP27n平均站间距，由式（平均站间距，由式（10-9）22maxmax2max1ZZAPBQlACQ269224.5388 15.5 109.479 1057.874.5388 35041.48 57.87141380

21、141.4mkm28n压气站数压气站数n按大值取整，故按大值取整，故n=8，除末段外尚有，除末段外尚有7个站间。个站间。1234300.2117.6141.4ZLlnl 29n3、各站及站间参数、各站及站间参数222maxmax22111ZZnLlACnBMQMPAMM5489829.7Pa2162229995. 0995. 01995. 087.5715388. 4995. 010479. 9) 18(48.350415388. 41000)2 .3001234(30n各站间长度各站间长度li由式（由式（10-5）得）得n式中式中i=17。n计算结果见表计算结果见表10-1n 表表10-1

22、各站间长度各站间长度212max2212max1niiZAMPBlMACACMQ14292124.5388 10.9955489829.79.479 100.9954.5388 35041.484.5388 35041.48 0.99557.87i 站间i1234567站间距,km127.7129.5131.4133.4135.3137.3139.231n各站的进站压力各站的进站压力PZ和压力比和压力比，由式（，由式（10-18）得）得n计算结果见表计算结果见表10-228225489829.735041.480.99557.87iil 站号 i+12345678进站压力，106Pa3.753

23、.743.733.723.713.703.69压力比1.4641.4681.4721.4751.481.4841.4882max)(22max1ZniiZiQMClPP32n4、最大工作压力、最大工作压力Pmax=5.5106Pa时的参数时的参数 压力升至最大值时，压力升至最大值时，Pmax=5.5106Pa，由式（，由式（10-14）得末段）得末段最大流量为：最大流量为： QZmax=57.977m3/s=5.009106m3/d 各站出站压力各站出站压力Pmax增大，站间流量也增大。由式（增大，站间流量也增大。由式（10-14）可）可知知QZmax2/Pmax2=常数，代入式（常数，代入式

24、（10-5）和式（）和式（10-18）可以看出）可以看出站间距站间距li和各站的压力比和各站的压力比将不发生变化。但各站的进口压力将不发生变化。但各站的进口压力PZi+1将略有上升，计算结果见表将略有上升，计算结果见表10-3.33 表10-3 最大工作压力对各站的进站压力站号 i+12345678进站压力，106Pa3.7573.7473.7363.7293.7163.7063.69634第二节 预先固定某些站址的压气站布置n实际工作中，由于地形、地质、经济和社会发展各方面的需实际工作中，由于地形、地质、经济和社会发展各方面的需要，往往事先规定某些站的位置。剩下的问题就是如何布置要，往往事先

25、规定某些站的位置。剩下的问题就是如何布置其余的压气站。对于这类问题，我们一般事先知道下列条件：其余的压气站。对于这类问题，我们一般事先知道下列条件：n（1）线路的起、终点和全长，某些规定站的站址，各进气）线路的起、终点和全长，某些规定站的站址，各进气点和分气点的位置；点和分气点的位置；n（2）各段的任务输气量，各进气点的进气量和分气点的分）各段的任务输气量，各进气点的进气量和分气点的分气量，终点配气站的耗气量；气量，终点配气站的耗气量；35n（3）首站的进站压力）首站的进站压力PZ1，终点配气站进站的最低压力，终点配气站进站的最低压力P2min；n（4）已知或预选各段的管径、壁厚和最高的工作压

26、力）已知或预选各段的管径、壁厚和最高的工作压力Pmax ；n（5）可能选用的压缩机类型和技术参数。）可能选用的压缩机类型和技术参数。n在上述已知条件下，往往根据经验（例如，站间距约为在上述已知条件下，往往根据经验（例如，站间距约为110150km）初步确定）初步确定压气站数和布置其余站的位置。这样就压气站数和布置其余站的位置。这样就等于初步确定全部站址，已知各站的站间距。结果，等于初步确定全部站址，已知各站的站间距。结果，“预先固预先固定某些站址的压气站布置定某些站址的压气站布置”就转化为一个工艺核算就转化为一个工艺核算调整调整再核算的问题。其步骤如下：再核算的问题。其步骤如下：36n（1）根

27、据经验确定全部压气站的站址和站间距。作出）根据经验确定全部压气站的站址和站间距。作出全线布置草图，图上表明各种站场的位置、站间距、各全线布置草图，图上表明各种站场的位置、站间距、各段输气量、各处的进气量和分气量，以及已知的各点压段输气量、各处的进气量和分气量，以及已知的各点压力等；力等；n（2）根据已知的流量和各站出站的最高压力）根据已知的流量和各站出站的最高压力Pmax，进，进行各段、各站间的水力、热力计算，得出各站的进站压行各段、各站间的水力、热力计算，得出各站的进站压力力PZi+1和各进气点、分气点的压力；和各进气点、分气点的压力；37n（3）计算各压气站工况，求出各站的出站温度）计算各

28、压气站工况，求出各站的出站温度T2，压头，压头H和功率和功率N；n（4）根据各站的变转速特性确定各站的调节方案；）根据各站的变转速特性确定各站的调节方案；n（5）检查各站间和各站的工作参数是否符合要求和合理。）检查各站间和各站的工作参数是否符合要求和合理。38n如上计算成果发现问题，则进行调整，重新布站和核算。最如上计算成果发现问题，则进行调整，重新布站和核算。最后可能得到多个不同的布站方案，通过综合比较选定之。后可能得到多个不同的布站方案，通过综合比较选定之。n上一节讨论的上一节讨论的“预先不固定站址的压气站的布置预先不固定站址的压气站的布置”亦可采用亦可采用本节讨论的方法解决。同理，上述步

29、骤同样可用于一条已建本节讨论的方法解决。同理，上述步骤同样可用于一条已建成的输气管的运行方案的核算与编制，不过此时各站址已完成的输气管的运行方案的核算与编制，不过此时各站址已完全确定，不能作任何调整而已。全确定，不能作任何调整而已。39第四节 增加输气管的输气能力n已投产的输气管，在生产过程中常常进行扩建或改造，已投产的输气管，在生产过程中常常进行扩建或改造，其目的主要在于提高输气管的输气能力和降低能耗。其目的主要在于提高输气管的输气能力和降低能耗。n当一条输气管的最高工作压力已达到管路强度允许的最当一条输气管的最高工作压力已达到管路强度允许的最大值时，提高输气能力实际上只有两个办法：大值时，

30、提高输气能力实际上只有两个办法： 在站间铺设副管在站间铺设副管； 增建新的压气站；增建新的压气站；40 一、铺设副管一、铺设副管n某站间管路铺设副管以前的管径为某站间管路铺设副管以前的管径为D0，长度为，长度为l，起点和终点的压，起点和终点的压力分别为力分别为PQ和和PZ，输气能力为，输气能力为Q。铺设的副管直径为。铺设的副管直径为D1，长度为，长度为x，输气能力增加为输气能力增加为Q*。为了简化起见，假设铺设副管前后，压力为。为了简化起见，假设铺设副管前后，压力为PQ和和PZ保持不变。根据上述条件可由式（保持不变。根据上述条件可由式（4-56）求得副管长度。在）求得副管长度。在该式中该式中*

31、QEQ22122121ZPPPP（10-19）（10-20）41n并令并令n将式（将式（4-43）n代入上式得代入上式得n式中式中0、1分别为主管（分别为主管（D0）和副管（）和副管（D1）的水力摩阻系数。）的水力摩阻系数。1122LLLKKK0.550500LDQKQD25 21 2010111DD（10-21）42n将式（将式（9-19）、（）、（9-20）和（）和（9-21）代入式（）代入式（4-56）*QEQ22122121ZPPPP25 21 2010111DD代入代入112221222212111ZLLLPPLxEPPKKK43n得副管长度得副管长度n从式（从式（10-22）可知副

32、管长度主要取决于要求增加的输气能力和副）可知副管长度主要取决于要求增加的输气能力和副管管径。若采用的副管管径与主管相同，则管管径。若采用的副管管径与主管相同，则2*11QQxl（10-22）142*413QxlQ44n铺设副管增大流量之后，一般势必引起压气站的特性发生变化。故铺设副管增大流量之后，一般势必引起压气站的特性发生变化。故副管长度与压力的变化都与压气站的特性有关。当全线压气站特性副管长度与压力的变化都与压气站的特性有关。当全线压气站特性相同时，只要考虑站间管路和位于该站间终点的压气站之间的关系。相同时，只要考虑站间管路和位于该站间终点的压气站之间的关系。站间管路和位于该站间终点的压气站一起研究时，可得站间管路和位于该站间终点的压气站一起研究时，可得n联解得联解得222*1QZPPCQlx222*QZPAPBQ22*2*111QAPBQxlACQ（10-23）z如何推导如何推导45)1 (1Q2