管道輸送課程設計

1、摘 要自然界中天然生成的氣體化合物或氣體元素的混合物統(tǒng)稱為天然氣。石油工業(yè)所述天然氣是指從油氣田開采出來的可燃性氣體，它在各種壓力和溫度下的物性參數(shù)是管輸工藝計算所必須的基本數(shù)據(jù)。 長距離輸氣管道由管路和壓縮機站兩部分組成，氣體沿管道流動，需要消耗一定的能量，壓縮機站的任務就是提供一定的能量，將天然氣安全、經(jīng)濟地輸送到終點。 某長距離輸氣干線，沿線地形起伏不大，海拔高度1200m。要求對該管道進行工藝設計。通過已知的設計參數(shù)及基礎數(shù)據(jù)，對該管道進行工藝設計。管道的設計計算和選擇不當，將會影響整個系統(tǒng)的經(jīng)濟性及工作的可靠性，甚至會帶來嚴重的破壞性事故。在對長距離輸氣干線的工藝設計中，管道設計十分

2、重要。本文根據(jù)課程設計任務書的要求，進行長距離輸氣管道管道規(guī)格設計。 關鍵詞：輸氣管道 天然氣 壓縮機1 緒論自然界中天然生成的氣體化合物或氣體元素的混合物統(tǒng)稱為天然氣。石油工業(yè)所述天然氣是指從油氣田開采出來的可燃性氣體，它在各種壓力和溫度下的物性參數(shù)是管輸工藝計算所必須的基本數(shù)據(jù)。天然氣管輸系統(tǒng)是一個聯(lián)系采氣井與用戶間的由復雜而龐大的管道及設備組成的采、輸、供網(wǎng)絡。一般而言，天然氣從氣井中采出至輸送到用戶，其基本輸送過程(即輸送流程)是：氣井(或油井)-油氣田礦場集輸管網(wǎng)-天然氣增壓及凈化-輸氣干線-城鎮(zhèn)或工業(yè)區(qū)配氣管網(wǎng)-用戶。天然氣管輸系統(tǒng)雖然復雜而龐大，但將其系統(tǒng)中的管線、設備及設施進行

3、分析歸納，一般可分為以下幾個基本組成部分，即：集氣、配氣管線及輸氣干線;天然氣增壓站及天然氣凈化處理廠;集輸配氣場站;清管及防腐站。天然氣管輸系統(tǒng)各部分以不同的方式相互連接或聯(lián)系，組成一個密閉的天然氣輸送系統(tǒng)，即天然氣是在密閉的系統(tǒng)內(nèi)進行連續(xù)輸送的。從天然氣井采出的天然氣，以及油井采出的原油中分離出的天然氣，經(jīng)油氣田內(nèi)部的礦場集輸氣支線及支干線，輸往天然氣增壓站進行增壓后(天然氣壓力較高，能保證天然氣凈化處理和輸送時，可不增壓)，輸往天然氣凈化廠進行脫硫和脫水處理(含硫量達到管輸氣質要求的可以不進行凈化處理)，然后通過礦場集氣干線輸往輸氣干線首站或干線中問站，進入輸氣干線，輸氣干線上設立了許多

4、輸配氣站，輸氣干線內(nèi)的天然氣通過輸配氣站，輸送至城鎮(zhèn)配氣管網(wǎng)，進而輸送至用戶，也可以通過配氣站將天然氣直接輸往較大用戶。2 課程設計任務書2.1 設計內(nèi)容及要求 某長距離輸氣干線，沿線地形起伏不大，海拔高度1200m。要求對該管道進行工藝設計。設計要求： （1）輸氣管道規(guī)格； （2）壓縮機站數(shù)及壓縮比； （3）確定壓縮機機組的功率與型號； （4）布置壓氣站。2.2設計參數(shù) 列出天然氣基礎資料，如天然氣物性資料、基礎設計參數(shù)，以便接下來的管道規(guī)格確定，和計算壓縮機站數(shù)及壓縮比，并引出設計范圍和依據(jù)。表2.1天然氣組分摩爾分數(shù)組成Mol%組成Mol%甲烷95己烷1.06乙烷2.0硫化氫0.2丙烷1

5、.47二氧化碳0.37丁烷0.32氮1.3正戊烷0.02氦0.00 天然氣的溫度為30，管道長度為1000km，任務輸量為：25億方/年，起點氣源壓力為8MPa； 壓氣站最大工作壓力為7MPa，進站壓力為5.2MPa，各站自用氣系數(shù)為0.5%，末端最低壓力2.0MPa； 入站口到壓縮機入口壓損為0.15MPa；壓縮機出口到壓縮站壓損0.21MPa。3 天然氣物性參數(shù)3.1任務輸量 任務輸量為25億方/年。Q=25 m/a=7.142 m/d=297619.05 m/h=82.67 m/s3.2天然氣的密度 天然氣的密度與壓力和溫度有關，在低溫高壓下還與天然氣的壓縮因子有關。因此，說明密度時必須

6、指名它的壓力和溫度。工程標準狀態(tài)下，天然氣密度為： （3-1）式中 天然氣在標況的密度，kg/m； 組分i的體積百分數(shù)（摩爾分數(shù)）； 組分i的密度，kg/m。查表2.1各單一氣體的密度，計算天然氣密度，得：950.7174+2.01.3553+1.472.0102+0.322.45+0.023.4537+1.063.7854+0.21.5392+0.371.9768+1.31.25+0.000.1786=(81.348)%= 0.81348kg/m3.3天然氣的密度及相對密度 3.1.1 天然氣密度 =16.6956/24.055=0.694kg/m3 3.1.2 天然氣的相對密度在標準狀態(tài)下

7、，天然氣的密度與干空氣的密度之比為： (3-2)式中 氣體的相對密度； 氣體密度，kg/m； 空氣的密度，在工程標準下為1.206kg/m。3.4天然氣的動力粘度表3.1天然氣各組分參數(shù)組成密度（kg/m）相對分子質量動力粘度組成密度（kg/m）相對分子質量動力粘度甲烷0.71741610.6己烷3.7854869.8乙烷1.3553308.77硫化氫1.53923411.90丙烷2.0102447.65二氧化碳1.97684414.3丁烷2.4500586.68氮1.25002818.042正戊烷3.4537726.48氦0.17864 粘度是流體抵抗剪力切作用能力的一種度量。氣體的粘度與液

8、體的粘度不同之處在于前者隨溫度的升高而增大，隨相對分子質量的增加而減少，但實驗證明，只要壓力不是特別高，粘度與壓力無關，一般只考慮溫度對粘度的影響。由各組分粘度計算天然氣粘度： (3-3)式中 天然氣動力粘度, MPas； i組分的動力粘度； i組分的摩爾分數(shù)； i組分的相對分子質量。代入數(shù)據(jù)得： 所以按公式計算得動力黏度:=44.6997/4.2364=10.55MPas 3.5天然氣的運動粘度 天然氣的運動粘度計算公式如下： （3-4）4 輸氣管道規(guī)格確定4.1管道內(nèi)徑計算 管道內(nèi)經(jīng)計算公式如下： (4-1)式中 天然氣標準密度，kg/m； 天然氣運動粘度，mm/s； 天然氣在該管內(nèi)的流量

9、，m/h; 管道在100米的壓力降，當P3.0MPa，取45MPa，當1.4P3.0 MPa,，取35MPa。 代入數(shù)據(jù)計算管段內(nèi)徑：4.2管道壁厚計算輸氣管線的管徑確定后，要根據(jù)其輸送壓力、管線材質等來設計壁厚。油田油氣集輸和外輸油、氣管線可按下式計算： （4-2）式中 p管線設計的工作壓力，10MPa； d管線內(nèi)徑，mm； 焊縫系數(shù)：無縫鋼管=1，縫管和螺旋焊縫鋼管=1， 旋埋弧焊鋼管=0.9； 剛性屈服極限，MPa(查表1)；鋼管材質優(yōu)質碳素鋼碳素鋼A3F低合金鋼16MnAPIS-SL1020X52X60X65X70，Mpa205245235353358413448482 F設計系數(shù)（查

10、表2）。表4.2設計系數(shù) 工作環(huán)境 管線野外地區(qū)居住區(qū)，油氣田站內(nèi)部、穿跨越鐵路公路小河渠（常年枯水面寬20m）輸油管線0.720.60輸氣管線0.600.50 根據(jù)設計要求，管線設計壓力P取壓氣站最大工作壓力7MPa，選直焊縫鋼管，選用APIS-SL，X70，設計參數(shù)F取0.60。綜上選擇管徑81312mm的管道。 5 壓縮機站數(shù)及壓縮比 長距離輸氣管道由管路和壓縮機站兩部分組成，氣體沿管道流動，需要消耗一定的能量，壓縮機站的任務就是提供一定的能量，將天然氣安全、經(jīng)濟地輸送到終點。 輸氣管道的工藝計算是為了妥善解決沿線管內(nèi)流體的能量消耗與壓縮機站能量供應之間的矛盾，以達到安全經(jīng)濟地完成輸送的

11、目的。即在管道設計過程中通過工藝計算，確定管徑、選擇壓縮機及組合方式、確定壓氣站數(shù)及其布站的位置的最優(yōu)組合方案，并為管道工藝計算合理確定各站運行參數(shù)，從而確定最優(yōu)運行方案。為此，必須首先要了解輸氣管道和壓縮機站各自的工作特性，即能量消耗和能量供應規(guī)律，在此基礎上研究兩者的聯(lián)合工作，從而明確整個管線系統(tǒng)的工作狀況。5.1 壓縮機站數(shù)的確定輸氣管道未段終點配氣站的進站壓力比前面各站間段終點的低，同時，要求管道未段又具有一定的儲氣能力，這樣，管道未段長度要比其他各站間管段長得多。因此，在輸氣管道沿線布置壓縮機站時，工藝計算必須從未段開始，先決定其長度和管徑，然后再進行其他各中間管段的計算。各中間管段

12、，如果輸氣管段沿線地形較為平坦，高度不超過200m，沿線又無進氣或分氣支線時，則可根據(jù)式：平均站間距： (5-1)壓縮機站數(shù)： (5-2)式中 n壓縮機站數(shù)，計算結果向上取整；L輸氣管道長度，km末段儲氣管道長度，km：l平均站間距，kmPQ,PZ分別為管道起點壓力和終點壓力,Pa代入數(shù)值后： 平均站間距取461km190km，符合輸氣管道工程設計規(guī)范中對站間距的要求，壓氣站站數(shù)取3。5.2 計算各站起終點壓力根據(jù)設計規(guī)范規(guī)定當采用離心式壓縮機增壓輸送時，站壓比宜為1.21.5。假定壓比為=1.4 故壓比設計不合理假定壓比為=1.35 經(jīng)校核計算表明，進出站壓力均不高于管材的最高工作壓力7MP

13、a，末段管道壓力高于終點配氣站的最低壓力2MPa，故壓比設定合理因此，中間布一個壓縮機站，總管路上布置3個。第一個壓縮機布置在距起點氣源297.71km處，末尾管段的起始位置應布置一個壓氣站，即距離第2站294.88km。中間布置一個壓縮機，在距離第一個壓縮機103.7km處。綜上，此輸氣干線共需布置3個壓氣站。5.3壓縮比壓縮比計算公式： （5-3）式中 壓縮比； 進入壓縮機壓力，MPa； 進入壓縮機壓力，MPa。由已知入站口到壓縮機入口壓損為0.15MPa；壓縮機出口到壓縮站壓損0.21MPa。因此=5.2-0.15=5.05MPa。=7+0.21=7.21MPa。求得壓縮比： 根據(jù)經(jīng)驗，

14、壓氣站的設計壓比不宜太高，否則將導致管道全線的壓縮機功率增大，同時管道的輸氣能耗及輸氣成本增大，此外，在沒有特殊要求的情況下，管道全線所有壓氣站的設計壓比通常取同一個值。因此3個壓縮機均取為1.428，由于串聯(lián)，總壓縮比為1.4281.4281.428=2.912因此在本次設計中，取壓縮比為2.912，符合規(guī)范，故設計合理。6 確定壓縮機機組的功率與型號6.1壓縮機的分類和選用原則 壓縮機是一種以內(nèi)燃機或電動機為動力，將常壓氣體壓縮成高壓氣體的一種動力裝置。在天然氣輸配系統(tǒng)中，壓縮機用來壓縮天然氣，提高天然氣的壓力貨輸送能力，以及在清掃管的時候也常常用壓縮機輸送壓縮氣體把管線中的雜質頂替出去，

15、以免堵塞管線。因此常常將壓縮機比喻成管道輸送的心臟。壓縮機種類很多，按照工作原理大體上可以分為容積型壓縮機和速度型壓縮機兩大類。輸氣系統(tǒng)安全可靠運行有賴于壓縮機機組的性能，壓氣站的投資占輸氣管總投資的20%左右，運行費用占總經(jīng)營費用的40%左右，而其中壓縮機組的投資要占壓氣站投資的一半以上，壓縮機的燃料消耗占壓氣站經(jīng)營費用的70%左右，因此選擇技術先進、經(jīng)濟上合理的壓縮機組是至關重要的。選擇壓縮機組時，通常應考慮以下問題：1） 應根據(jù)工藝要求選擇機組，首先決定機組的類型，在決定機組的型號規(guī)格，所以選機組應能滿足壓氣站在各種工況下運轉的要求，并預留適當?shù)陌l(fā)展余地。2） 機組的性能應該是工作可靠、

16、操作靈活、可調(diào)范圍寬、調(diào)節(jié)控制簡單、有利于實現(xiàn)自動化。3） 機組造價低、壽命長、安裝維修方便。4） 機組的熱效率高、單位能耗低。5） 機組的輔助設備盡可能簡單。6） 還應該考慮機組的制造水平和供貨情況，在目前國內(nèi)還不能生產(chǎn)大型輸氣管道專用壓縮機組的情況下，此類機組的選用尤其要注意這個問題。6.2壓縮機機組的功率與型號序號產(chǎn)品型號排氣量(m3/M)排氣壓力(MPa)轉速(r/min)傳動方式驅動機型號(功率)備注1VW-3/730.7740彈性聯(lián)軸器Y225M-8 (22KW)無基礎固定式2VW-3/100310.0450皮聯(lián)Y280M-6 (55KW)固定式3VW-5/1051.0510皮聯(lián)Y

17、225S-4 (37KW)固定式4VW-6/760.7740彈性聯(lián)軸器Y280-8 (37KW)無基礎固定式5VW-6/3063.0740彈性聯(lián)軸器Y315M-8 (75KW)無基礎固定式6VW-7/1071.0740彈性聯(lián)軸器Y315S-8 (55KW)固定式7VW-9/1291.2980彈性聯(lián)軸器Y280S-6 (65KW)固定式8VW-7.8/47.80.4980Y250M-6（37KW）9VW-9.8/49.80.4980Y280S-6（45KW）10VW-10/7100.7980Y280M-6（65KW）11VW-11/10111.0500皮聯(lián)Y280S-4 (75KW)固定式12V

18、W-13/7130.7980彈性聯(lián)軸器Y315M-6 (75KW)無基礎固定式13VW-13/20132.0520皮聯(lián)Y315M1-4 (132KW)固定式14VW-13.5/413.50.4980Y280M-6（65KW）15VW-17/12171.2980彈性聯(lián)軸器Y315M-6 (132KW)無基礎固定式16VW-18/7180.7980彈性聯(lián)軸器Y315M-6 (110KW)無基礎固定式17VW-18.5/418.50.4980Y315M-6（90KW）18VW-20/8200.8980彈性聯(lián)軸器Y315L2-6 (132KW)無基礎固定式19VW-30/8300.8560皮聯(lián)Y315L2-4 (200KW)固定式20VW-33/3330.3980Y315M-6（120KW）21VW-40/3400.3740Y