管道輸送課程設(shè)計(jì)

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(chēng)為天然氣。石油工業(yè)所述天然氣是指從油氣田開(kāi)采出來(lái)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(jì)算所必須的基本數(shù)據(jù)。 長(zhǎng)距離輸氣管道由管路和壓縮機(jī)站兩部分組成，氣體沿管道流動(dòng)，需要消耗一定的能量，壓縮機(jī)站的任務(wù)就是提供一定的能量，將天然氣安全、經(jīng)濟(jì)地輸送到終點(diǎn)。 某長(zhǎng)距離輸氣干線(xiàn)，沿線(xiàn)地形起伏不大，海拔高度1200m。要求對(duì)該管道進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)。通過(guò)已知的設(shè)計(jì)參數(shù)及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)該管道進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)。管道的設(shè)計(jì)計(jì)算和選擇不當(dāng)，將會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性及工作的可靠性，甚至?xí)?lái)嚴(yán)重的破壞性事故。在對(duì)長(zhǎng)距離輸氣干線(xiàn)的工藝設(shè)計(jì)中，管道設(shè)計(jì)十分

2、重要。本文根據(jù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)的要求，進(jìn)行長(zhǎng)距離輸氣管道管道規(guī)格設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞：輸氣管道 天然氣 壓縮機(jī)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(chēng)為天然氣。石油工業(yè)所述天然氣是指從油氣田開(kāi)采出來(lái)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(jì)算所必須的基本數(shù)據(jù)。天然氣管輸系統(tǒng)是一個(gè)聯(lián)系采氣井與用戶(hù)間的由復(fù)雜而龐大的管道及設(shè)備組成的采、輸、供網(wǎng)絡(luò)。一般而言，天然氣從氣井中采出至輸送到用戶(hù)，其基本輸送過(guò)程(即輸送流程)是：氣井(或油井)-油氣田礦場(chǎng)集輸管網(wǎng)-天然氣增壓及凈化-輸氣干線(xiàn)-城鎮(zhèn)或工業(yè)區(qū)配氣管網(wǎng)-用戶(hù)。天然氣管輸系統(tǒng)雖然復(fù)雜而龐大，但將其系統(tǒng)中的管線(xiàn)、設(shè)備及設(shè)施進(jìn)行

3、分析歸納，一般可分為以下幾個(gè)基本組成部分，即：集氣、配氣管線(xiàn)及輸氣干線(xiàn);天然氣增壓站及天然氣凈化處理廠;集輸配氣場(chǎng)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(gè)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(jìn)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(chǎng)集輸氣支線(xiàn)及支干線(xiàn)，輸往天然氣增壓站進(jìn)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(shí)，可不增壓)，輸往天然氣凈化廠進(jìn)行脫硫和脫水處理(含硫量達(dá)到管輸氣質(zhì)要求的可以不進(jìn)行凈化處理)，然后通過(guò)礦場(chǎng)集氣干線(xiàn)輸往輸氣干線(xiàn)首站或干線(xiàn)中問(wèn)站，進(jìn)入輸氣干線(xiàn)，輸氣干線(xiàn)上設(shè)立了許多

4、輸配氣站，輸氣干線(xiàn)內(nèi)的天然氣通過(guò)輸配氣站，輸送至城鎮(zhèn)配氣管網(wǎng)，進(jìn)而輸送至用戶(hù)，也可以通過(guò)配氣站將天然氣直接輸往較大用戶(hù)。2 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)2.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求 某長(zhǎng)距離輸氣干線(xiàn)，沿線(xiàn)地形起伏不大，海拔高度1200m。要求對(duì)該管道進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)要求： （1）輸氣管道規(guī)格； （2）壓縮機(jī)站數(shù)及壓縮比； （3）確定壓縮機(jī)機(jī)組的功率與型號(hào)； （4）布置壓氣站。2.2設(shè)計(jì)參數(shù) 列出天然氣基礎(chǔ)資料，如天然氣物性資料、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù)，以便接下來(lái)的管道規(guī)格確定，和計(jì)算壓縮機(jī)站數(shù)及壓縮比，并引出設(shè)計(jì)范圍和依據(jù)。表2.1天然氣組分摩爾分?jǐn)?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(zhǎng)度為1000km，任務(wù)輸量為：25億方/年，起點(diǎn)氣源壓力為8MPa； 壓氣站最大工作壓力為7MPa，進(jìn)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(jī)入口壓損為0.15MPa；壓縮機(jī)出口到壓縮站壓損0.21MPa。3 天然氣物性參數(shù)3.1任務(wù)輸量 任務(wù)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(guān)，在低溫高壓下還與天然氣的壓縮因子有關(guān)。因此，說(shuō)明密度時(shí)必須

6、指名它的壓力和溫度。工程標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，天然氣密度為： （3-1）式中 天然氣在標(biāo)況的密度，kg/m； 組分i的體積百分?jǐn)?shù)（摩爾分?jǐn)?shù)）； 組分i的密度，kg/m。查表2.1各單一氣體的密度，計(jì)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(duì)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(duì)密度在標(biāo)準(zhǔn)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(duì)密度； 氣體密度，kg/m； 空氣的密度，在工程標(biāo)準(zhǔn)下為1.206kg/m。3.4天然氣的動(dòng)力粘度表3.1天然氣各組分參數(shù)組成密度（kg/m）相對(duì)分子質(zhì)量動(dòng)力粘度組成密度（kg/m）相對(duì)分子質(zhì)量動(dòng)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(duì)分子質(zhì)量的增加而減少，但實(shí)驗(yàn)證明，只要壓力不是特別高，粘度與壓力無(wú)關(guān)，一般只考慮溫度對(duì)粘度的影響。由各組分粘度計(jì)算天然氣粘度： (3-3)式中 天然氣動(dòng)力粘度, MPas； i組分的動(dòng)力粘度； i組分的摩爾分?jǐn)?shù)； i組分的相對(duì)分子質(zhì)量。代入數(shù)據(jù)得： 所以按公式計(jì)算得動(dòng)力黏度:=44.6997/4.2364=10.55MPas 3.5天然氣的運(yùn)動(dòng)粘度 天然氣的運(yùn)動(dòng)粘度計(jì)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(jì)算 管道內(nèi)經(jīng)計(jì)算公式如下： (4-1)式中 天然氣標(biāo)準(zhǔn)密度，kg/m； 天然氣運(yùn)動(dòng)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(dāng)P3.0MPa，取45MPa，當(dāng)1.4P3.0 MPa,，取35MPa。 代入數(shù)據(jù)計(jì)算管段內(nèi)徑：4.2管道壁厚計(jì)算輸氣管線(xiàn)的管徑確定后，要根據(jù)其輸送壓力、管線(xiàn)材質(zhì)等來(lái)設(shè)計(jì)壁厚。油田油氣集輸和外輸油、氣管線(xiàn)可按下式計(jì)算： （4-2）式中 p管線(xiàn)設(shè)計(jì)的工作壓力，10MPa； d管線(xiàn)內(nèi)徑，mm； 焊縫系數(shù)：無(wú)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(zhì)優(yōu)質(zhì)碳素鋼碳素鋼A3F低合金鋼16MnAPIS-SL1020X52X60X65X70，Mpa205245235353358413448482 F設(shè)計(jì)系數(shù)（查

10、表2）。表4.2設(shè)計(jì)系數(shù) 工作環(huán)境 管線(xiàn)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(xiàn)0.720.60輸氣管線(xiàn)0.600.50 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，管線(xiàn)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)參數(shù)F取0.60。綜上選擇管徑81312mm的管道。 5 壓縮機(jī)站數(shù)及壓縮比 長(zhǎng)距離輸氣管道由管路和壓縮機(jī)站兩部分組成，氣體沿管道流動(dòng)，需要消耗一定的能量，壓縮機(jī)站的任務(wù)就是提供一定的能量，將天然氣安全、經(jīng)濟(jì)地輸送到終點(diǎn)。 輸氣管道的工藝計(jì)算是為了妥善解決沿線(xiàn)管內(nèi)流體的能量消耗與壓縮機(jī)站能量供應(yīng)之間的矛盾，以達(dá)到安全經(jīng)濟(jì)地完成輸送的

11、目的。即在管道設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)工藝計(jì)算，確定管徑、選擇壓縮機(jī)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(jì)算合理確定各站運(yùn)行參數(shù)，從而確定最優(yōu)運(yùn)行方案。為此，必須首先要了解輸氣管道和壓縮機(jī)站各自的工作特性，即能量消耗和能量供應(yīng)規(guī)律，在此基礎(chǔ)上研究?jī)烧叩穆?lián)合工作，從而明確整個(gè)管線(xiàn)系統(tǒng)的工作狀況。5.1 壓縮機(jī)站數(shù)的確定輸氣管道未段終點(diǎn)配氣站的進(jìn)站壓力比前面各站間段終點(diǎn)的低，同時(shí)，要求管道未段又具有一定的儲(chǔ)氣能力，這樣，管道未段長(zhǎng)度要比其他各站間管段長(zhǎng)得多。因此，在輸氣管道沿線(xiàn)布置壓縮機(jī)站時(shí)，工藝計(jì)算必須從未段開(kāi)始，先決定其長(zhǎng)度和管徑，然后再進(jìn)行其他各中間管段的計(jì)算。各中間管段

12、，如果輸氣管段沿線(xiàn)地形較為平坦，高度不超過(guò)200m，沿線(xiàn)又無(wú)進(jìn)氣或分氣支線(xiàn)時(shí)，則可根據(jù)式：平均站間距： (5-1)壓縮機(jī)站數(shù)： (5-2)式中 n壓縮機(jī)站數(shù)，計(jì)算結(jié)果向上取整；L輸氣管道長(zhǎng)度，km末段儲(chǔ)氣管道長(zhǎng)度，km：l平均站間距，kmPQ,PZ分別為管道起點(diǎn)壓力和終點(diǎn)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(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)站間距的要求，壓氣站站數(shù)取3。5.2 計(jì)算各站起終點(diǎn)壓力根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定當(dāng)采用離心式壓縮機(jī)增壓輸送時(shí)，站壓比宜為1.21.5。假定壓比為=1.4 故壓比設(shè)計(jì)不合理假定壓比為=1.35 經(jīng)校核計(jì)算表明，進(jìn)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(diǎn)配氣站的最低壓力2MPa，故壓比設(shè)定合理因此，中間布一個(gè)壓縮機(jī)站，總管路上布置3個(gè)。第一個(gè)壓縮機(jī)布置在距起點(diǎn)氣源297.71km處，末尾管段的起始位置應(yīng)布置一個(gè)壓氣站，即距離第2站294.88km。中間布置一個(gè)壓縮機(jī)，在距離第一個(gè)壓縮機(jī)103.7km處。綜上，此輸氣干線(xiàn)共需布置3個(gè)壓氣站。5.3壓縮比壓縮比計(jì)算公式： （5-3）式中 壓縮比； 進(jìn)入壓縮機(jī)壓力，MPa； 進(jìn)入壓縮機(jī)壓力，MPa。由已知入站口到壓縮機(jī)入口壓損為0.15MPa；壓縮機(jī)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(yàn)，

14、壓氣站的設(shè)計(jì)壓比不宜太高，否則將導(dǎo)致管道全線(xiàn)的壓縮機(jī)功率增大，同時(shí)管道的輸氣能耗及輸氣成本增大，此外，在沒(méi)有特殊要求的情況下，管道全線(xiàn)所有壓氣站的設(shè)計(jì)壓比通常取同一個(gè)值。因此3個(gè)壓縮機(jī)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(shè)計(jì)中，取壓縮比為2.912，符合規(guī)范，故設(shè)計(jì)合理。6 確定壓縮機(jī)機(jī)組的功率與型號(hào)6.1壓縮機(jī)的分類(lèi)和選用原則 壓縮機(jī)是一種以?xún)?nèi)燃機(jī)或電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力，將常壓氣體壓縮成高壓氣體的一種動(dòng)力裝置。在天然氣輸配系統(tǒng)中，壓縮機(jī)用來(lái)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(shí)候也常常用壓縮機(jī)輸送壓縮氣體把管線(xiàn)中的雜質(zhì)頂替出去，

15、以免堵塞管線(xiàn)。因此常常將壓縮機(jī)比喻成管道輸送的心臟。壓縮機(jī)種類(lèi)很多，按照工作原理大體上可以分為容積型壓縮機(jī)和速度型壓縮機(jī)兩大類(lèi)。輸氣系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行有賴(lài)于壓縮機(jī)機(jī)組的性能，壓氣站的投資占輸氣管總投資的20%左右，運(yùn)行費(fèi)用占總經(jīng)營(yíng)費(fèi)用的40%左右，而其中壓縮機(jī)組的投資要占?jí)簹庹就顿Y的一半以上，壓縮機(jī)的燃料消耗占?jí)簹庹窘?jīng)營(yíng)費(fèi)用的70%左右，因此選擇技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)上合理的壓縮機(jī)組是至關(guān)重要的。選擇壓縮機(jī)組時(shí)，通常應(yīng)考慮以下問(wèn)題：1） 應(yīng)根據(jù)工藝要求選擇機(jī)組，首先決定機(jī)組的類(lèi)型，在決定機(jī)組的型號(hào)規(guī)格，所以選機(jī)組應(yīng)能滿(mǎn)足壓氣站在各種工況下運(yùn)轉(zhuǎn)的要求，并預(yù)留適當(dāng)?shù)陌l(fā)展余地。2） 機(jī)組的性能應(yīng)該是工作可靠、

16、操作靈活、可調(diào)范圍寬、調(diào)節(jié)控制簡(jiǎn)單、有利于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。3） 機(jī)組造價(jià)低、壽命長(zhǎng)、安裝維修方便。4） 機(jī)組的熱效率高、單位能耗低。5） 機(jī)組的輔助設(shè)備盡可能簡(jiǎn)單。6） 還應(yīng)該考慮機(jī)組的制造水平和供貨情況，在目前國(guó)內(nèi)還不能生產(chǎn)大型輸氣管道專(zhuān)用壓縮機(jī)組的情況下，此類(lèi)機(jī)組的選用尤其要注意這個(gè)問(wèn)題。6.2壓縮機(jī)機(jī)組的功率與型號(hào)序號(hào)產(chǎn)品型號(hào)排氣量(m3/M)排氣壓力(MPa)轉(zhuǎn)速(r/min)傳動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)機(jī)型號(hào)(功率)備注1VW-3/730.7740彈性聯(lián)軸器Y225M-8 (22KW)無(wú)基礎(chǔ)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(wú)基礎(chǔ)固定式5VW-6/3063.0740彈性聯(lián)軸器Y315M-8 (75KW)無(wú)基礎(chǔ)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(wú)基礎(chǔ)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(wú)基礎(chǔ)固定式16VW-18/7180.7980彈性聯(lián)軸器Y315M-6 (110KW)無(wú)基礎(chǔ)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(wú)基礎(chǔ)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