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某天然氣管道工藝設(shè)計1 緒論1.1引言 隨著人類社會的發(fā)展,人類使用的燃料也經(jīng)歷了漫長的禾薪時代和燃煤時代，而現(xiàn)在已進(jìn)入石油和天然氣時代。氣體燃料在能源結(jié)構(gòu)中比例的升高，是人們生活水平、生活質(zhì)量的提高和社會發(fā)展進(jìn)步程度的重要標(biāo)志。 天然氣作為能源和化工原料，在國民經(jīng)濟發(fā)展中日益占有更重要的地位。天然氣的熱值高，介于3235，不含灰份，擴散性好，容易燃燒完全，不污染環(huán)境，運輸方便，價格低廉是理想的工業(yè)及民用燃料。用在發(fā)電方面可使火力發(fā)電站的投資較燃煤減少20%左右，而且管理方便，易于實現(xiàn)自動化，使發(fā)電成本大大下降；用在煉鐵上，可使焦比下降15%以上，獲得更好的經(jīng)濟效益；在民用方面，煤爐熱效率一般只有2025%，而一個構(gòu)造良好的天然氣爐灶熱效率可達(dá)60%以上，而且使用方便，衛(wèi)生，很受居民歡迎1。天然氣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，還可直接用于生產(chǎn)氫氰酸、二硫化碳、鹵化甲烷、炭黑等；經(jīng)裂解得到乙炔，從乙炔出發(fā)可以生產(chǎn)塑料，裂解后得到乙烯、丙烯、丁烯，也可生產(chǎn)合成橡膠、合成纖維、塑料及其他一系列產(chǎn)品。天然氣中有的還含有少量的硫化氫、二氧化碳、氮、氦等，也是極有用途的原料。硫化氫可用于生產(chǎn)硫磺，硫酸，二氧化碳可以制造成冰，氦更是國防和原子能工業(yè)需要的產(chǎn)品。專家預(yù)測，在21世紀(jì)的能源結(jié)構(gòu)中，天然氣將占主導(dǎo)地位。我國天然氣資源非常豐富，是今后很長時期內(nèi)國民經(jīng)濟發(fā)展的重要因素之一；也是石油天然氣工業(yè)新的經(jīng)濟增長點。目前，我國天然氣工業(yè)已呈現(xiàn)出一派蓬勃發(fā)展的景象。管道輸送是天然氣輸送的主要方式，管道輸送具有能耗少、運費低、運量大、連續(xù)密閉輸送、安全性好的優(yōu)點。近年來天然氣的經(jīng)濟和環(huán)保價值日益受到各國重視，探明儲量已超過了石油，天然氣工業(yè)發(fā)展面臨新的機遇。從以上這些可以發(fā)現(xiàn)，天然氣不管對居民還是工業(yè)都具有很重要的意義。那么如何用最少的費用把天然氣從氣源地輸送到用戶集中的城市則是另一個更為嚴(yán)峻的問題。本設(shè)計將通過實例來討論上面提出的問題，并通過計算得出最合理、最經(jīng)濟的方案。1.2 天然氣管道輸送發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1 世界發(fā)展現(xiàn)狀管道輸送是天然氣運輸?shù)囊环N主要方式，一般采用埋地敷設(shè)方式，具有建設(shè)快，運輸成本低，工作安全可靠等優(yōu)點。近幾年，天然氣管道輸送在世界范圍內(nèi)得到了飛速發(fā)展。目前世界已建成管道200多萬千米，隨著管網(wǎng)規(guī)模的擴大和管道科技水平的提高，天然氣管道運輸在世界經(jīng)濟和大部分工業(yè)發(fā)達(dá)國家經(jīng)濟中起著越來越重要的作用。天然氣管道建設(shè)的特點正朝著大口徑，高強度，高壓，薄壁厚，長距離的方向發(fā)展，并且隨著電子計算機、儀表自動化技術(shù)的發(fā)展，目前國外已廣泛采用“監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)”來完成對天然氣管道輸送的自動監(jiān)控和自動保護(hù)，并已成為管道自動控制系統(tǒng)的基本模式。目前，最長的輸氣干線大約5000千米以上。國外新建管線的輸送壓力較過去為高，俄羅斯輸氣管線的壓力一般為10左右，美國阿拉斯加輸氣管線壓力高達(dá)11.82。隨著世界對能源需求量的不斷增長和大批邊遠(yuǎn)油氣田的開發(fā)，20世紀(jì)70年代以來，世界長輸管道得到了迅速發(fā)展。近30多年來，歐美各國投入了大量資金建設(shè)了一大批長距離、大口徑輸氣管線.美國為了開發(fā)利用阿拉斯加的天然氣資源，于19801986年建成了美國橫貫阿拉斯加輸氣管線系統(tǒng)，該系統(tǒng)貫穿阿拉斯加和加拿大境內(nèi)，向美國本土48個州輸氣，總長達(dá)7763。前蘇聯(lián)至1987年以來，輸氣管道的平均長度已近2000，天然氣的平均運距猛增：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 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀近20多年來，我國長輸技術(shù)也有很大的發(fā)展，有的已達(dá)到了世界先進(jìn)水平。有“地下能源大動脈”之稱的我國管道運輸網(wǎng)已形成覆蓋16個省區(qū)市，四通八達(dá)、輸配有序的石油、天然氣管網(wǎng)體系，建設(shè)總里程突破2，全國絕大多數(shù)天然氣和原油的運輸都是通過管道完成的，管道運輸已居我國運輸行業(yè)的第四位。西氣東輸管道工程的成功建成，使得西部豐富的天然氣輸送到東部經(jīng)濟發(fā)達(dá)地區(qū)，既促進(jìn)了東部經(jīng)濟的迅速發(fā)展，又為開發(fā)西部提供了機遇，同時也為接入周邊國家豐富的天然氣資源創(chuàng)造了有利條件，成為發(fā)展西部，促進(jìn)東部經(jīng)濟騰飛必不可少的物質(zhì)基礎(chǔ)。“西氣東輸”工程的成功建設(shè)是我國實施西部大開發(fā)的重大舉措，它為進(jìn)一步發(fā)展我國的長輸管道和進(jìn)一步提高我國的長輸技術(shù)水平提供了新的機遇以及挑戰(zhàn)。2 總論2.1設(shè)計原則（1）嚴(yán)格執(zhí)行國家、行業(yè)的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，并參照有關(guān)國家的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范(見下面2.3節(jié))；（2）根據(jù)已知條件、要求進(jìn)行工藝設(shè)計計算，確保供氣的安全、平穩(wěn)、連續(xù)、可靠；（3）采用國內(nèi)外先進(jìn)、成熟、適用的材料、設(shè)備、技術(shù)，使設(shè)計的管道安全、先進(jìn)、可靠。優(yōu)先考慮滿足條件的國產(chǎn)材料、設(shè)備，充分體現(xiàn)國產(chǎn)化的要求； （4）進(jìn)行技術(shù)-經(jīng)濟計算，盡可能的降低工程投資，確保較好的經(jīng)濟效益、社會效益；2.2設(shè)計的目的和意義隨著管道建設(shè)的大型化，建設(shè)管道需要耗費巨額基建投資，使得人們要尋求一種最佳組合方案，以求費用最小。即是根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟學(xué)的原理，通過對各個可行方案的技術(shù)分析、經(jīng)濟比較和效益評價，尋求到技術(shù)與經(jīng)濟的最佳組合，以確定技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟合理的最優(yōu)經(jīng)濟方案。對天然氣管線而言，就是通過對各個可行方案的技術(shù)分析和經(jīng)濟比較，尋求管徑、壁厚、壓縮機站數(shù)目、壓縮機站間距、以及壓縮機站進(jìn)、出站壓力、等主要技術(shù)經(jīng)濟參數(shù)最佳組合（在滿足一定約束條件的情況下），使得系統(tǒng)的年折合費用最低。通過管道系統(tǒng)的優(yōu)化研究，可以得到經(jīng)濟合理的設(shè)計方案和運行參數(shù)，使得系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)下，達(dá)到節(jié)約能源、少投入、多產(chǎn)出以達(dá)到節(jié)省基建投資和提高經(jīng)濟效益的目的?？梢?，對管道進(jìn)行合理的設(shè)計是具有重大的意義。2.3設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范（1）輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范，50251-2003；（2）長距離輸油輸氣管道測量規(guī)范，0055-93；（3）原油和天然氣工程設(shè)計防火規(guī)范，50183-93；（4）天然氣熱量、密度和相對密度的計算方法，11062-89；（5）石油地面工程設(shè)計文件編制規(guī)程，0009-93。2.4設(shè)計給出的原始數(shù)據(jù)天然氣成分見表2-1：表2-1 天然氣組成成分CH4C2H6C3H8H2SCO2H2O體積比0.936780.0190250.0060670.0000010.0380.000127起點壓力：4.8；起點供氣溫度：380C；終點配氣壓力：不低于1.8；線路概況：全長640，沿線高差不能忽略；任務(wù)輸量：25億方/年；第20號樁分輸量：3億方/年；工作天數(shù)：360天/年；沿線里程與供氣系數(shù)見表2-2和表2-3：表2-2 沿程高差樁號里程（km）高程(m)101140.522610863539654621075575853.6678832.9785921.8888954.391081033.710139925.6111681126.512190934.4132001095.4142071032.115215916.816222807.2沿程高差 續(xù)表2-2樁號里程（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 供氣系數(shù)時間上午下午1:000.351.6722:000.431.0363:000.50.764:000.531.0755:000.691.256:000.781.956 供氣系數(shù) 續(xù)表2-3時間上午下午7:001.172.2938:001.361.7789:001.131.07110:001.210.80511:001.530.55312:001.750.4052.5主要設(shè)計內(nèi)容本設(shè)計主要內(nèi)容有：（1） 輸氣管道內(nèi)徑、壁厚等的確定；（2） 末段儲氣能力的計算；（3） 壓縮機站的布置；（4） 計算沿線壓力，溫度，流速分布；（5） 建最優(yōu)化模型（技術(shù)-經(jīng)濟計算）；（6） 利用VB編制相關(guān)計算程序。2.6 需得到的設(shè)計成果（1）通過水力計算確定輸氣管道的內(nèi)徑和壁厚；（2）通過計算確定輸氣管道末段的儲氣能力；（3）得出壓縮機站的布置方案；（4）建立技術(shù)-經(jīng)濟計算優(yōu)化模型，并得出最優(yōu)方案；（5）利用VB編制計算程序。3 輸氣管道工藝設(shè)計3.1基本參數(shù)的計算與選擇3.1.1設(shè)計壓力、管徑、壓縮比的設(shè)定計算時首先設(shè)定設(shè)計壓力、管徑、壓縮比（可以先試算，然后選值）。通過查閱一些相關(guān)的規(guī)范和相關(guān)設(shè)計范例，可知壓縮比在1.2-1.5范圍內(nèi)選值4。管徑的選擇需要先通過試算，然后按照有關(guān)規(guī)范中給出的標(biāo)準(zhǔn)鋼管規(guī)格，選取與試算的管徑相近的管徑。3.1.2管材鋼種等級的選擇管材鋼種等級的選擇是長距離輸氣管道設(shè)計的一項非常重要的工作。在長距離輸氣管道建設(shè)中，線路部分的鋼材消耗量要占到工程總消耗量的90%，而線路部分的投資要占到整個管道工程總投資的70%以上。選擇合適的管材，可以減少整個工程的投資，也關(guān)系到整個管道的運行的安全性、可靠性、持久性（管道使用壽命）。當(dāng)前管材的研究以發(fā)展優(yōu)質(zhì)高強度鋼為主要方向，機械性能和化學(xué)成分是管材的兩項基本指標(biāo)。機械性能包括抗拉強度、屈服強度、延伸率、沖擊韌性等主要指標(biāo)；化學(xué)成分則是形成材料機械性能和其它性能的物質(zhì)基礎(chǔ)。鋼材的冶煉和制造方法對管材的形成也起著重要作用。 強度（主要考慮屈服強度）、韌性、可焊性是管材的三項基本質(zhì)量指標(biāo)，輸送腐蝕性氣體的管道還必須考慮棺材的抗腐蝕性能。天然氣管道用管材發(fā)展的總趨勢是：為提高天然氣輸送壓力，采用高鋼級管材，和研究、開發(fā)使用復(fù)合管材。我國以前因為技術(shù)水平的限制，大量采用進(jìn)口管材，在最近一些年我國在管道用鋼方面進(jìn)行了科技攻關(guān)，并成功研制開發(fā)了X52-X70級的高等級管材，并逐步得到了廣泛的運用，以西氣東輸管道工程為例，考慮到國內(nèi)外管道的發(fā)展趨勢和現(xiàn)實情況，最后確定管徑選擇1016、壁厚為14.6-26.2、輸送壓力為10，其確定的管材鋼種等級為X70級。目前世界上已有國家開始研究更高級別的管材。本設(shè)計也選用X70級管材，其最小屈服極限是=480。以此為基準(zhǔn)根據(jù)選擇的管徑和壓力，確定壁厚。3.1.3計算流量的計算干線輸氣管道通過能力有評估性通過能力、設(shè)計通過能力之分。評估性通過能力是指在輸氣管道規(guī)劃研究階段和開始設(shè)計階段，對通過能力的初步估算值，以便隨后對各種可能的輸氣工藝方案進(jìn)行計算。設(shè)計性通過能力是指相應(yīng)于最優(yōu)工藝方案的通過能力。所以在做規(guī)劃設(shè)計時，是按照評估性通過能力來計算各種可能的輸氣工藝方案，而外部介質(zhì)（大氣和土壤）的溫度取年平均值。根據(jù)用戶年用氣不均衡性（考慮年平均輸氣不均衡系數(shù)），確定輸氣管道每年輸氣工作天數(shù)，題目給出工作天數(shù)為360天/年。管道計算流量計算公式為3： （3-1）式中 輸氣管道計算流量,； 輸氣管道任務(wù)輸量（已知）， ； 年工作天數(shù)； 年平均輸氣不均勻系數(shù)。3.1.4管道壁厚的計算 設(shè)計系數(shù)取值，見表3-1: （3-2）式中 輸氣管道壁厚，；輸氣管道設(shè)計壓力（設(shè)定），；輸氣管道管徑（設(shè)定），；所選管材的最小屈服強度（設(shè)定選擇鋼種等級為X70的管材，其最小屈服強度為=480000000），；設(shè)計系數(shù)（設(shè)定地區(qū)等級為四類，則設(shè)計系數(shù)=0.72）。計算所得的向上圓整（），所得即為壁厚。表3-1 設(shè)計系數(shù)地區(qū)等級管 線 所 建 地 區(qū)設(shè)計因素一一類安全防火地帶;城市中以多層建筑物為主,交通頻繁,并有大量地下公用設(shè)施的地帶;水下穿越管線0.40二二類安全防火地帶;空中跨越,鐵路干線穿越管線0.50三三類安全防火地帶;城鎮(zhèn)郊區(qū),農(nóng)業(yè)及工業(yè)區(qū)0.60四四類安全防火地帶;荒地、沙漠、丘陵、山區(qū)、草原及耕地0.723.1.5管道內(nèi)徑的計算 設(shè)定管道的管徑為外徑，內(nèi)徑即為外徑減去兩倍壁厚。 （3-3）式中 輸氣管道內(nèi)徑，；輸氣管道管徑（已設(shè)），； 輸氣管道壁厚（已得），。3.1.6天然氣密度的計算 （3-4）式中 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（273.15，101325），天然氣密度，；組分的摩爾分?jǐn)?shù)（對理想氣體，摩爾分?jǐn)?shù)和體積分?jǐn)?shù)相等）；組分的分子量，。3.1.7天然氣相對密度的計算 天然氣相對密度： （3-5） 式中 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（273.15，101325），天然氣相對密度；天然氣密度（已知），； 干空氣密度（在273.15，101325時，=1.293）。 壓縮機入口進(jìn)站壓縮機出口出站圖3-1 天然氣進(jìn)出站示意圖3.1.8壓縮機入口壓力的計算 （3-6）式中 壓縮機入口壓力，；壓縮機出口壓力（即設(shè)計壓力，設(shè)定），； 壓縮比（設(shè)定）。3.1.9計算段起點壓力計算壓縮機出口壓力即為設(shè)定的設(shè)計壓力5 6。輸氣管道計算段的起點壓力，即為壓縮機站出站壓力。 （3-7）式中 輸氣管道計算段的起點壓力，；壓縮機出口壓力（即設(shè)計壓力，設(shè)定），；壓縮機與輸氣管道之間連接管段中的壓力損失（取=0.05），；天然氣在冷卻系統(tǒng)中的壓力損失（采用空冷器，取=0.0588），。 3.1.10計算段終點壓力的計算 輸氣管道計算段的終點壓力，即下一站進(jìn)站壓力。 （3-8）式中 輸氣管道計算段的終點壓力，；壓縮機入口壓力（已求），；天然氣在壓縮機進(jìn)口端的一級除塵裝置、連接管線中的壓力損失（取=0.11），。3.1.11計算段平均壓力的計算已知輸氣管道計算段起點壓力、終點壓力。 （3-9）式中 輸氣管道計算段的平均壓力，；輸氣管道計算段的起點壓力（已求），；輸氣管道計算段的終點壓力（已求），。3.1.12計算段中天然氣平均溫度的計算 天然氣在輸氣管道計算段中的平均溫度與很多參數(shù)有關(guān)：起點溫度、沿線年平均地溫、計算段長度、總傳熱系數(shù)、定壓比熱、焦-湯系數(shù)（節(jié)流效應(yīng)）。設(shè)計階段因為計算段長度（即壓縮機站間距）、計算段中的平均溫度都為未知數(shù)。只能先假設(shè)，然后計算修正直至較為準(zhǔn)確為止。（a）確定計算段起點天然氣溫度（即壓縮機站出口的天然氣溫度）。天然氣在站內(nèi)經(jīng)壓縮后必須用空冷器進(jìn)行冷卻，因此計算段起點溫度應(yīng)為經(jīng)過空冷器冷卻后的溫度。從理論上講，冷卻溫度越低越好，因為低溫輸送是提高輸氣管道通過能力、降低單位費用指標(biāo)的主要途徑之一，是當(dāng)前天然氣管道工藝輸送方面的一大研究方向。但目前要考慮其可能性和合理性。一種方法：根據(jù)俄羅斯的經(jīng)驗，計算段起點天然氣溫度（即壓縮機站出口的天然氣溫度）應(yīng)保持在14-27之間；另一種方法：根據(jù)規(guī)定，計算段起點天然氣溫度（即壓縮機站出口的天然氣溫度），應(yīng)比沿線年平均氣溫高10-15。其計算公式7： （3-10）式中 輸氣管道計算段起點天然氣溫度，；沿線年平均氣溫，；對氣候數(shù)據(jù)可變性的修正量（取=2），。(b)初步設(shè)定計算段中天然氣的平均溫度 =20； (c)已知和，查表3-2得天然氣定壓比熱（注意單位）；表3-2 、下天然氣的定壓比熱（）平均壓力平均溫度10152025304.52.5952.5852.5762.5692.5625.02.6392.6262.6152.6062.5975.52.6822.672.652.642.636.02.7252.7082.702.682.676.52.7682.7492.7322.7172.7037.52.8552.832.812.792.778.02.8982.872.852.832.81 、下天然氣的定壓比熱（） 續(xù)表3-2平均壓平均溫度10152025308.52.9412.912.892.872.849.02.9852.952.932.902.887.02.8122.792.772.752.74 (d)已知和，查表3-3得焦-湯系數(shù)；表3-3 、下的焦-湯系數(shù)定壓比熱 平均溫度10 15 20 25 30 2.504.294.133.973.813.672.554.214.033.893.743.602.604.133.973.813.673.532.654.053.893.743.593.462.703.983.823.673.533.392.753.903.753.613.473.342.803.833.683.543.403.282.853.773.623.483.553.222.903.703.563.423.293.172.953.643.503.363.233.11(e)初步設(shè)定管長；(f)總傳熱系數(shù)取=1.75，；(g)計算 （3-11）式中 總傳熱系數(shù)（取設(shè)定），；初步設(shè)定的管長，；質(zhì)量流量， ； 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（273.5，101325），天然氣相對密度； 天然氣定壓比熱（由已知和，查表得），。（h）計算式中 上一步計算所得。（i）計算 （3-12）式中 輸氣管道計算段中天然氣的平均溫度，；輸氣管道沿線年平均地溫（取平均值），；輸氣管道計算段起點天然氣溫度（即天然氣出站溫度，設(shè)定為=18），；上面計算所得； 上一步計算所得；焦-湯系數(shù)（由已知和，查表得），；輸氣管道計算段的起點壓力，；輸氣管道計算段的終點壓力，；輸氣管道計算段的平均壓力，。（j）把計算結(jié)果與初步設(shè)定相比較，如果接近則結(jié)果為所求；如果不接近則須重新設(shè)定，直到接近為止。得到。3.1.13計算天然氣管道計算段中天然氣的平均壓縮性系數(shù) （3-13）式中 天然氣管道計算段中天然氣的平均壓縮性系數(shù)；輸氣管道計算段的平均壓力，。3.2管道末段儲氣能力的計算輸氣管道末段即最后一個壓縮機站到城市配氣站之間的管段。因為城市用戶用氣存在不均勻性，所以輸氣管道末段通常兼用做調(diào)節(jié)晝夜用氣不均衡性的儲氣容器。末段的終點壓力比前面各站間管段的終點壓力要低得多，因此末段的長度比其它各中間站間管段要長的多。在設(shè)計一條新的長距離輸氣管道時，應(yīng)先進(jìn)行末段的計算，確定末段的管徑和長度，然后再計算中間各站，對中間管段進(jìn)行布站。如果輸氣管道在一開始就考慮利用末段作為解決晝夜“調(diào)峰”問題的措施。則輸氣管道末段的計算與其它各管段的計算存在以下區(qū)別：要考慮末段即能輸氣，又能儲氣，最理想的是使末段能代替為消除晝夜用氣不均衡所需要的全部儲氣罐的容積。3.2.1要求末段儲氣容積的計算根據(jù)題目給出的供氣系數(shù)，計算所要求的末段儲氣容積 8：(a)假設(shè)每日供氣量為100，得每小時平均供氣量為=4.17；(b)列表（如下表3-4）。計算每小時內(nèi)供氣量累積值，每小時內(nèi)用氣量累積值，每小時內(nèi)儲氣量累積值（供氣量累積值-用氣量累積值）；(c)找出儲氣量累積值的最大值、最小值，根據(jù)下面式子計算要求的末段儲氣容積=日供氣量 （3-14） 按表3-4有： =日供氣量 = =1.539表3-4 儲氣容積計算表小時供氣量累積值用氣量儲氣量累積值該小時內(nèi)累積值14.171.461.462.7128.341.793.255.09312.512.085.337.18416.682.217.549.14520.852.8810.4210.43625.023.2513.6711.35729.194.8818.5510.64833.365.6724.229.14 儲氣容積計算表 續(xù)表3-4小時供氣量累積值用氣量儲氣量累積值該小時內(nèi)累積值937.534.7128.938.601041.705.0433.987.721145.876.3840.365.511250.047.3047.662.381354.216.9754.63-0.421458.384.3258.95-0.571562.553.1762.120.431666.724.4866.600.121770.895.2171.81-0.921875.068.1679.97-4.911666.724.4866.600.121770.895.2171.81-0.921875.068.1679.97-4.911979.239.5689.53-10.302083.407.4096.93-13.532187.574.47101.40-13.832291.743.36104.76-13.022395.912.31107.07-11.1624100.001.69108.76-8.763.2.2按假設(shè)的末段長度、管徑計算末段儲氣能力（1）假設(shè)輸氣管道末段長度，輸氣管道末段管徑取與各計算段相同的管徑(前面已設(shè)定)；（2）計算輸氣管道末段輸氣量因為在中間第20號樁有分氣，管道的末段輸氣量要利用給出的任務(wù)輸量減去已知的管道沿線的分氣量 （3-15）式中 輸氣管道末段輸氣量，；輸氣管道任務(wù)輸氣量，；輸氣管道沿線分氣量，。 （3）確定儲氣開始末段終點壓力（不低于城市配氣管網(wǎng)的最小允許壓力），本設(shè)計取=1820000 ；（4）確定儲氣終了末段起點壓力（不高于壓縮機站的最大工作壓力），本設(shè)計取 =8500000；（5）初定末段天然氣平均溫度=273.15+18，；（6）初定末段天然氣平均壓縮性系數(shù)=0.864；（7）計算 （3-16）式中 設(shè)定量；輸氣管道管徑（本設(shè)計假設(shè)末段與計算段管徑相同，即取=，已設(shè)定），；末段天然氣平均壓縮性系數(shù)（該處取=0.864）， 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（273.5，101325），天然氣相對密度 ；末段天然氣平均溫度（該處取273.5+18K），K；輸氣管道末段長度（已假設(shè)）（8）計算末段管道幾何容積 （3-17）式中 輸氣管道末段幾何容積，；圓周率，取=3.1415；輸氣管道管徑（本設(shè)計假設(shè)末段與計算段管徑相同，取，已設(shè)定），； 輸氣管道末段長度（已假設(shè)）。 （9）計算儲氣開始末段起點壓力 （3-18）式中 儲氣開始末段起點壓力，；儲氣開始末段終點壓力（已取=1900000 ），；輸氣管道末段輸氣量，；設(shè)定量（前面已求得）。（10）計算儲氣開始末段平均壓力 （3-19）式中 儲氣開始末段平均壓力，；儲氣開始末段起點壓力（上一步已求得），；儲氣開始末段終點壓力（已取=1900000 ），。 （11）計算儲氣開始末段天然氣壓縮系數(shù) （3-20）式中 儲氣開始末段天然氣壓縮系數(shù)；儲氣開始末段平均壓力（上一步已求得），。（12）儲氣開始，輸氣管道末段中的氣體量 （3-21）式中 儲氣開始，輸氣管道末段中的氣體量，；輸氣管道末段幾何容積（已求得），；儲氣開始末段平均壓力（已求得），；末段天然氣平均溫度（前面已知），；標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的壓力（=101325），；標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的溫度（=273.15），；儲氣開始末段天然氣壓縮系數(shù)。（13）計算儲氣終了末段終點壓力 （3-22）式中 儲氣終了末段終點壓力，；儲氣終了末段起點壓力（已取=8500000），；輸氣管道末段輸氣量，；設(shè)定量（前面已求得）。（14）計算儲氣終了末段平均壓力 （3-23）式中 儲氣終了末段平均壓力，；儲氣終了末段起點壓力（已取=8500000），；儲氣終了末段終點壓力（上一步已求得），。（15）計算儲氣終了末段天然氣壓縮系數(shù) （3-24）式中 儲氣終了末段天然氣壓縮系數(shù)；儲氣終了末段平均壓力（上一步已求得），；（16）儲氣終了，輸氣管道末段中的氣體量 （3-25）式中 儲氣終了，輸氣管道末段中的氣體量，；輸氣管道末段幾何容積（已求得），；儲氣終了末段平均壓力（已求得），；末段天然氣平均溫度（前面已知），；標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的壓力（=101325），；標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的溫度（=273.15），；儲氣終了末段天然氣壓縮系數(shù)。（17）計算末段的儲氣能力 （3-26）式中 按所設(shè)末段長度、所設(shè)管徑求得的末段儲氣能力，； 儲氣開始，輸氣管道末段中的氣體量，； 儲氣終了，輸氣管道末段中的氣體量，。 3.2.3末段長度、儲氣能力的確定把3-26的計算結(jié)果與3-14中計算出的要求末段儲氣容積 相比較，如果接近，則所假設(shè)的末段長度滿足工藝要求：如果不接近，則重新假設(shè)末段長度，按3-15到3-26重新計算直到接近為止。得到、。3.3壓縮機站的布置 因為本設(shè)計中輸氣管道線路地形起伏，并且高差超過200，故布站是必須考慮地形和高差的影響。 又因為在第20號樁點處有一分氣支線，故在包含第20號樁點的管段內(nèi)的計算要考慮分氣。下面分沿線無分氣支線、沿線有分氣支線兩方面來討論。壓縮機站的布置需要采用試算法進(jìn)行計算。3.3.1沿線無分氣、進(jìn)氣支線時壓縮機站的布置0 5 3 1 4 2 99 第1站 第2站 圖3-2 布站示意圖（無進(jìn)分氣時） （1）假設(shè)1、2站站間距為 ，則假設(shè)的第2站位置在距離起點處；（2）確定第2站在哪兩個樁號之間。 把與已知的沿程各樁點位置相比較。如果滿足 ；同時 。即： （3-27）式中第2站前一樁點距起點距離，； 第2站后一樁點距起點距離，。則假設(shè)的第2站的位置在，+1兩個樁號之間（3）計算第2站處的正弦值 54 99 圖3-3 計算站點處正弦值 （3-28）式中 第2站所在位置的正弦值；第2站前一樁點高程，；第2站后一樁點高程，；第2站前一樁點距起點距離，；第2站后一樁點距起點距離，。（4）確定起點高程，終點高程。起點高程即為第1樁點（0處）高程（已知），； （3-29）式中 1、2站間計算段起點高程（即第1站所在位置高程），； 1、2站間計算段終點高程（即第2站所在位置高程），； 1、2站站間距（前面已假設(shè)），； 第2站前一樁點距起點距離，； 第2站前一樁點高程，； 第2站所在位置的正弦值。（5）計算計算段起終點高差 （3-30）式中 計算段起終點高差，；計算段終點高程，；計算段起點高程，。（6）計算 ； （3-31）式中 設(shè)定量；重力加速度（取=9.8），；天然氣管道計算段中天然氣的平均壓縮性系數(shù)（在第一部分中已求得）；氣體常數(shù)（取8.314），；計算段中天然氣的平均溫度（，在第一部分中已求得），。 （7）計算 例如示圖2中，則有： （3-32）（8）計算水力摩阻系數(shù) （3-33）式中 水利摩阻系數(shù)；輸氣管道管徑，；（9）計算 （3-34） 式中 天然氣在標(biāo)況下的體積流量（在假設(shè)站間距的基礎(chǔ)上求得），；輸氣管道計算段的起點壓力，；輸氣管道計算段的終點壓力，；設(shè)定量（前面已求得）； 計算段起終點高差，；輸氣管道管徑，；水利摩阻系數(shù)；計算段中天然氣的平均壓縮性系數(shù)；標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（273.15K，101325），天然氣相對密度；計算段中天然氣的平均溫度，；已假設(shè)的1、2站站間距（即第2站距起點距離），；設(shè)定量（前面已求出）。（10）把計算結(jié)果與已知的輸氣量相比較。如果接近，則所假設(shè)的站間距是合適的；如果不接近，則重新假設(shè)站間距，直到接近為止。得第1、2站間距，即第2站的位置。（11）以第2站為起點，按上面方法依次求得第3、4站的位置。3.3.2沿線有進(jìn)氣、分氣支線時壓縮機站的布置本設(shè)計在第20樁有一分氣支線，無進(jìn)氣支線。 22 20分氣點 19 21 第m站位置 m+1站位置 圖3-4 布站示意圖（有分氣時）（1）以第站（上一站）為起點，假設(shè)第、站站間距為。第m站距離起點的距離為。則假設(shè)的第站位置在距離站處，在距離起點+處。（2）確定第站在哪兩個樁號之間。 把與已知的沿程各樁點位置相比較。如果滿足 ，同時 。即： (3-35) 式中 第站前一樁點距起點距離，； 第站后一樁點距起點距離，。 則假設(shè)的第站的位置在，+1兩個樁號之間。（3）計算第站處的正弦值 (3-36)式中 第站所在位置的正弦值；第站前一樁點高程，；第站后一樁點高程，；第站前一樁點距起點距離，；第站后一樁點距起點距離，。（4）確定起點高程，終點高程起點高程，計算段起點高程為第站所在位置的高程（即為上一計算段終點高程，前面已求出），； 終點高程 (3-37)式中 、站間計算段起點高程（即第m站所在位置高程），；、站間計算段終點高程（即第m+1站所在位置高程），；第站距離起點的距離(前面各站間距之和)，；、站站間距（前面已假設(shè)），；第站前一樁點距起點距離，；第站前一樁點高程，；第站所在位置的正弦值。（5）計算計算段起終點高差 (3-38)式中 計算段起終點高差，；計算段終點高程，；計算段起點高程，。（6）計算 ； (3-39)式中 設(shè)定量；重力加速度（取），；天然氣管道計算段中天然氣的平均壓縮性系數(shù)（在第一部分中已求得）；氣體常數(shù)（取8.314），；計算段中天然氣的平均溫度（，在第一部分中已求得），。 （7）計算 (3-40)式中 設(shè)定量；天然氣管道計算段中天然氣的平均壓縮性系數(shù)（在第一部分中已求得）；標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（273.5，101325），天然氣相對密度；計算段中天然氣的平均溫度（，在第一部分中已求得），。水利摩阻系數(shù)（前面已求得）；輸氣管道管徑，。（8）計算 例如示圖3-4中，則有： (3-41)（9）計算例如示圖3-4中，則有： (3-42)（10）計算 (3-43)式中 設(shè)定量； 、站站間距（前面已假設(shè)），； 設(shè)定量；上面已求得。（11）計算 (3-44)式中 設(shè)定量； 分氣點、站之間的距離，； 分氣量（題目已知），； 設(shè)定量； 前面已求得。（12）計算 (3-45)式中 設(shè)定量； 分氣點、站之間的距離，； 分氣量（題目已知），； 設(shè)定量； 前面已求得。 （13）計算 (3-46)式中 天然氣在標(biāo)況下的體積流量（在假設(shè)站間距的基礎(chǔ)上求得），；設(shè)定量（前面已求得）；設(shè)定量（前面已求得）；設(shè)定量（前面已求得）； 輸氣管道計算段的起點壓力，； 輸氣管道計算段的終點壓力，；設(shè)定量（前面已求得）；計算段起終點高差，；設(shè)定量（前面已求得）。（14）把計算結(jié)果與已知的輸氣量相比較。如果接近，則所假設(shè)的站間距是合適的；如果不接近，則重新假設(shè)站間距，直到接近為止。得第、站站間距，即第站的位置。（15）以第站為起點，按3.3.1算后面站位置。3.4選擇設(shè)備3.4.1壓縮機及驅(qū)動設(shè)備壓縮機的作用是給氣體提供輸送壓力，因此常常將壓縮機比喻成管道輸送的心臟。壓縮機的種類很多，按工作原理可分為容積型、動力型(速度型或透平型)和熱力型三種。容積壓縮機中氣體壓力升高是通過將氣體體積進(jìn)行壓縮實現(xiàn)的；動力壓縮機中，壓力升高是通過壓縮機高速旋轉(zhuǎn)葉輪對氣體作用提高氣體動能，并將動能轉(zhuǎn)化為壓能來實現(xiàn)的；熱力型壓縮機是通過噴射的高速氣體在擴壓器中與需增壓氣體混合，將動能轉(zhuǎn)化為壓力能的。容積型壓縮機又可分為往復(fù)式壓縮機和旋轉(zhuǎn)式壓縮機。動力型壓縮機可分為離心式壓縮機和軸流式壓縮機等。目前，天然氣管道中用得較多的往復(fù)式壓縮機和離心式壓縮機。壓縮機的驅(qū)動設(shè)備主要是電動機，天然氣發(fā)動機和燃?xì)廨啓C。壓縮機和原動機選用除考慮上述各種機型的特點外，還應(yīng)注意以下問題：（1）由于壓縮機組與管道聯(lián)合工作二者互相影響和制約，因此，應(yīng)考慮管道和壓縮的工藝要求，經(jīng)濟條件等，確定壓縮機組類型，型號和規(guī)格。其工藝要求包排量變化范圍，進(jìn)出口壓力，排氣溫度等。經(jīng)濟條件包括壓縮機與管道匹配時管材，管壁厚，壓縮機站數(shù)，動力費用等。（2）由于壓縮機組的負(fù)荷隨投產(chǎn)年限，季節(jié)等的變化而變化。因此要求壓縮機組操作靈活，可調(diào)節(jié)范圍寬。（3）應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)特點和現(xiàn)場條件等具體要求，考慮壓縮機組的使用性能和結(jié)構(gòu)參數(shù)。其中使用性能包括壓縮機組的燃料和動力消耗，工作效率，運轉(zhuǎn)率和檢修周期以及操作維修難易程度等；而結(jié)構(gòu)參數(shù)包括壓縮機組的重量和空間尺寸，它將影響廠房規(guī)模，配管方案的投資費用等。（4）有利于實現(xiàn)自動控制，提高管道的運行管理水平。（5）還應(yīng)考慮機組的使用壽命，制造水平及供貨情況。壓氣站壓縮機組采用燃壓機組并聯(lián)運行，這樣可以滿足管道不同時期輸量增長的加壓需要，提高燃壓機組綜合效率。按工作兩臺備用一臺考慮。壓縮機采用離心式。和往復(fù)式壓縮機相比，離心式壓縮機的主要優(yōu)點是排量大且均勻、連續(xù)，結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸小，重量輕，摩擦部件少，振動小，易損件少，操作靈活，易于實現(xiàn)自動控制。燃?xì)廨啓C主要由壓氣機、燃燒室、渦輪等部分組成的連續(xù)旋轉(zhuǎn)式熱機。其主要特點是裝置緊湊，輕小，安裝維修方便，啟動快，運行可靠，自動化程度高。所以壓氣站壓縮機選用燃?xì)廨啓C驅(qū)動。驅(qū)動設(shè)備采用意大利新比隆公司產(chǎn)的16型燃?xì)廨啓C9。3.4.2清管設(shè)備清管設(shè)備是管道在施工和運行過程中需要用到的設(shè)備之一，其作用包括：（1）清管以提高管道效率；（2）測量和檢查管道周向變形，如凹凸變形；（3）從內(nèi)部檢測管道金屬的所有損失.如腐蝕等；（4）對新建管道在進(jìn)行嚴(yán)密性試驗后，清除積液和雜質(zhì)。清管設(shè)備的設(shè)計和安裝應(yīng)滿足一定的