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天然气管道优化

摘要

随着天然气逐渐应用与社会主义建设事业的各个领域，天然气的长距离输送越来越不可或缺。

由于长输管道的大规模敷设，加上长输管道工程存在着高技术、高投入、高风险的特点，所以对长输管线的设计方案进行优化选择，对于天然气高质、高效的输送具有非常重要的现实意义。

一般来说，对于天然气长输管线的设计方案的选择需要根据天然气工程设计原则，运用合适的评价方法，从所提供的预选设计方案中评选出最佳方案。

本文通过充分了解天然气系统对于长输管线设计方案的各种优选方法，最后总结出可通过天然气长输管线设计方案的综合评价系统，并结合层次分析法等各种有效理论，来进行对天然气长输管线设计方案的选择。

关键字：

天然气，长输管道，设计，路由

目录

第1章前言1

1.1国内天然气长输管道建设现状及发展趋势1

1.1.1国内天然气长输管道建设的现状1

1.1.2我国输气管道技术发展水平2

1.2天然气长输管道设计水平的现状及分析2

1.3我国天然气长输管道设计水平的缺陷2

第2章天然气长输管道设计基础4

2.1天然气长输管道的输送介质4

2.2天然气长输管道的组成与功能4

2.3天然气长输管道的特点5

第3章路由技术研究6

3.1路由技术研究现状6

3.2塔巴庙—榆林天然气管道工程应用6

第4章工艺参数优化技术研究8

4.1主要工艺参数8

4.2输气工艺优化8

4.2工艺优化结论9

第5章管道选材技术研究10

第6章总结12

参考文献13

致谢14

第1章前言

21世纪是世界天然气能源发展的高速增长时期，也是我国天然气作为城市能源走向成熟时期。

天然气从气田运输到城市，目前世界上普遍采用管道方式运输天然气，做好天然气长输管道输送技术设计，对天然气的输送工作具有特别重要的意义。

国外尤其是西方发达国家天然气工业发展比较早，美国大规模管线建设开始于20世纪20年代，西欧天然气工业开始于20世纪50年代，到20世纪70、80年代长输管道工程设计技术已趋于成熟。

我国的天然气工业在90年代开始进入规模利用阶段，所以长输天然气管道的输送技术起步较晚，在工艺、技术、工程等方面主要借鉴国外成熟技术，特别是在增大管径、制管技术和管道穿越方面与国外先进国家有较大差距，但发展速度较快，到目前已经建成天然气长输管道总计约3.3万公里，2009年又开始建设了首条跨国输气管道——中亚天然气管道管线，目前已经焊接8000公里，中亚天然气管道与西气东输二线衔接后，总长度超过1万公里，是迄今为止世界上距离最长、等级最高的天然气输送管道[1]。

根据中石油的天然气发展规划，未来几年，中国天然气的长输管道建设和天然气利用事业将得到更大发展，天然气在所有能源中的比重进一步提高，这必将对环境保护和提高人民生活质量将产生更加积极的影响。

1.1国内天然气长输管道建设现状及发展趋势

1.1.1国内天然气长输管道建设的现状

我国输气管道建设经过40余年的建设有了较大的发展，至2013年底，全国天然气输气管道总长度已达到2.2×104km，其中陆上天然气管道2.0×104km，海上天然气管道0.2×104km，输气能力达到160×108m3/a。

随着西气东输工程进入到投运阶段，我国的储气库工程建设也呈现较快的发展势头。

目前，我国输气管道工业还处于发展阶段，还未形成覆盖全国的输气管网。

由于陆上天然气资源主要集中在四川、陕甘宁、柴达木和塔里木四大气区，资源量占总资源量的70%，因此，输气管道建设受到资源的限制，输气管道也主要集中在这四个区域内。

近期，我国已建设和正在建设的天然气管线主要包括西气东输管线、涩北—西宁—兰州管线、四川忠县—武汉管线、冀宁联络线（主线长910km、支线长1200km）和陕北靖边—北京复线。

其中西气东输管线西起新疆的轮南，经陕北靖边至上海，全长4176km，初期输气量为120×108m3/a，最终将达到200×108m3/a。

管道直径为1016mm，设计压力10MPa，管道钢级L485，全线共设工艺站场35座，线路阀室137座，压气站10座。

建成后将是我国长度最长、管径最大、输气压力最高的一条输气管道。

1.1.2我国输气管道技术发展水平

我国天然气管输技术随着冶金、制管、通讯和自控仪表等方面发展均有较大的技术进步。

目前，我国制定了从管材生产、设备制造到勘察设计、施工安装、生产采用先进的系统配置，以586以上的微机或工作站作为主机，并配有高性能的打印机，以VisualFoxPro升级版为支持软件。

系统的建立准备整体采用数据库技术及动态制表技术，系统设计和编程上采用结构化技术、模块化技术及排错技术。

系统应界面良好、性能稳定并具有良好的可扩展性和可维护性。

应达到技术指标：

①开发平台为FoxPro升级版，运行环境为中文Windows98；②编制软件全部执行中文操作；③界面友好，功能全面，操作方便；④在线帮助，错误提示；⑤系统行动可靠、稳定。

1.2天然气长输管道设计水平的现状及分析

国内天然气长输管道设计水平以西气东输工程为标志性工程而得以提升，目前，国内拥有并掌握了大中型河流（如长江、黄河、钱塘江等）、山涧、黄土冲沟等复杂地形的穿跨越设计技术；拥有大型结构分析计算软件如：

SAP2000、ANSYS、Dr.Bridge-桥梁博士系统、BriCAS桥梁设计综合计算程序、2D-σ隧道设计计算软件及GIAS岩土工程计算机集成分析系统等。

可进行水平定向钻穿越、山体及过江（河）隧道（人工钻爆、顶管、盾构）穿越工程、大型斜拉索管桥、悬索管桥、悬缆管桥、悬链管桥、拱式管桥及梁式桁架管桥的设计与计算。

1.3我国天然气长输管道设计水平的缺陷

首先是缺乏大型跨越及特大型穿越的设计能力。

目前很多公司设计的跨越最大跨距仅有160m，对于大型河流、山涧、海峡、冲沟等复杂地段的跨越设计、结构计算等尚缺少设计经验，对盾构穿越、隧道穿越、漂管就位、沉管敷设等其它河流穿越方式的了解明显不足。

其次是缺乏埋地管道应力分析能力。

长输管道一般采用埋地敷设，但在跨越处、进出站场处必然有管道出土情况。

如何对全线进行受力分析，对受力较大处采取必要的防护措施，以保证管道的安全，是设计中应该考虑的问题，目前还没有在输管道工程设计中对此类问题做过深入探讨。

第三是缺乏复杂输气系统分析、计算的经验。

我国公司近年来完成的输气管道均是单气源、单用户的供气管线。

虽然自购进TGNET软件后，曾进行过人员培训，并针对已完成的几个项目进行了模拟核算，但对复杂输气系统的分析、计算至今还未真正用于实践之中。

第四是缺乏水工保护设计经验。

在以往工程中大多是参考相关的设计手册和外院的习惯做法（通用图或典型图），而对于诸如“与河流穿越相关的稳管、护岸；河漫滩管道段的稳管；与管沟回填密切相关的管沟基础处理、斜坡地段的管沟挡土墙”等水工保护措施，只是掌握了它们的典型、通用做法，在实际应用中，还缺少根据不同地区、不同地质条件下工程设计的应对方案。

第五是缺乏系统的技术积累与开发。

通过西气东输管道工程的设计工作，使相关公司相关技术人员开阔了视野，在接触许多新知识、新领域、新问题当中，逐步提高了工程技术人员学习、创新、开拓的意识，但这些工作目前还只停留在较低的学习层面上，并未形成一个可供后序工程借鉴的专业设计体系，未在更深层面做深入研究及探讨，未形成可连续使用的定型图和标准设计。

第2章天然气长输管道设计基础

2.1天然气长输管道的输送介质

天然气长输管道输送的介质是经过净化处理后的天然气，主要是以甲烷（占90%-95%以上）为主要成分的混合物。

其中有害和无用成分如硫化氢、水和二氧化碳在进入长输管道前已经经过净化处理，达到了国家规定的技术标准：

即高热值＞31.47MJ/m3，二氧化碳≤3.0%，总硫≤200mg/m3，硫化氢≤20mg/m3。

天然气的优点是：

热值高（32~35MJ/m3，是人工煤气的2.6倍），燃烧充分，有害气体排放量极少，因而属于清洁燃料；安全性好，天然气中不含有毒成分；天然气的爆炸极限范围（体积百分比5～15%）比人工煤气的爆炸极限（体积百分比4～47%）窄，密度为0.774Kg/m3，一旦泄露到空气中，易于在空气中稀释消散；运输与储存成本低，作为一次能源，具有较好的经济效益。

2.2天然气长输管道的组成与功能

天然气长输管道就是连接输气首站和城市门站（末站）之间的管道，有时还有中间站，根据需要可实现增压、分输接收和清管功能。

长输管道的任务就是根据用户的需求把经净化处理的符合标准的天然气送到城市。

（1）计量功能

由于气体的特殊性，长输管道在交接气过程中必须设置专门的计量装置，如孔板流量计、超声波流量计或涡轮流量计进行计量。

（2）增压功能

由于产地和用户之间距离的长短不等、气田原始压力高低不同，长输管道在输送过程中有时需要增压。

（3）接收和分输功能

大口径、长距离的输气管道往往经过沿线附近的多个气田分别供给许多城市使用，因此它中途要接收气田的来气和分输给各地的城市。

（4）截断功能

为了当管道在某一地点发生爆破或检修时不至于造成更大范围的断气和放空损失，应分段设置截断阀，并在发生意外爆破事故时能自动关闭阀门。

（5）调压功能

与长输管道连接的下游管道，如城市管网，通常会以较低的压力等级进行设计，因此要把出口压力调节到一个相对稳定的合适范围。

（6）清管功能

由于管道内不可避免地遗留有施工过程的杂质和长期运行后产生的铁锈等，而压缩机、流量计、调压器等设备是不允许气体内有杂质的，所以一般长输管道都要定期清管。

（7）储气调峰功能

天然气的生产和运输过程通常是每天24h内均衡供给的，但城市用气每小时都在变化，可以利用长输管道末端压力的变化部分地缓冲这种均衡供气和不均匀用气之间的矛盾。

2.3天然气长输管道的特点

天然气管道可分为矿场集输管道、长输管道和城市输配管网。

长输管道的特点可以

从与矿场集输管道和城市输配管道两种管道的比较中表现出来，具体表现有：

大口径、长距离、高压力、巨输量。

以已建成的西气东输工程为例：

从新疆库尔勒至上海市全长约4000多公里，管径φ1016mm，最高输送压力10MPa，年设计输量120亿立方米／年，投产五年来，累计向东部地区输送优质天然气420亿立方米，管网覆盖70多个城市、3000多家大中型企业收到了巨大的经济效益和社会效益，2008年2月已经开始建设西气东输二线工程，工程设计输气能力300亿立方米/年，总投资1422亿元，土库曼斯坦将成为西气东输二线的主供气源地，每年将向中国出口400亿立方米天然气。

第3章路由技术研究

3.1路由技术研究现状

3.2塔巴庙—榆林天然气管道工程应用

根据地区的气象、水文、地质、地貌资料和风沙环境状况条件，通过现场线路踏勘检测，综合考虑管道长度、建设总投资的各项费用，开展典型地区天然气长输管道走向、布局优化技术研究，确定管道路由。

塔巴庙—榆林天然气管道工程线路走向应根据气田和陕-京二线首站的位置确定。

根据气田主力区块位置确定该工程首站；根据陕-京二线首站位置确定末站。

线路宏观走向方案：

大牛地2＃集气站经塔巴庙—榆林管道首站到达马家峁乡末站；由马家峁末站进陕-京二线首站。

根据线路所经毛乌素地貌特征和宏观线路走向方案，结合气田区域展布以及交通运输状况，经在1∶100000地形图图面作业及现场踏勘，确定了两个线路具体走向方案。

分别为直接穿越方案和沿公路（210国道）敷设方案（见表1）。

表3.1不同方案线路主要工程量比较

项目

方案走向

直接穿越沙漠

沿公路敷设

线路总长度（km）

86

90

穿越沙漠长度

82

82

穿（跨）越

公路（m/次）

250/5

250/5

河流沟渠（m/次）

1800/4

1800/4

依托公路（km）

21

32

施工作业带平整土方量（×104m3）

110

110

管沟开挖土方量（×104m3）

89

95

临时占地（×104m2）

175

183

永久占地（×104m2）

95

100

由表3.1可知，直接穿越方案比沿公路敷设方案线路总长度少4km。

因此，管沟开挖土方量、管道临时占地及永久占地均小于沿公路敷设方案，且穿越河流与沟渠长度也少，穿越及公路的长度等同，虽然穿越方案比沿公路敷设方案依托公路敷设长度要少11km，但综合考虑直接穿越方案施工及管材费用相对较低，因此，推荐直接穿越方案。

第4章工艺参数优化技术研究

基于地区天然气长输管道路由技术研究的基础上，在保证管道结构可靠性的前提下，根据不同的管径、壁厚、管材、输送压力、压缩比及压缩机站站数等情况，综合考虑管道建设投资，确定地区天然气长输管道最优的工艺参数。

4.1主要工艺参数

2＃集气站至首站段管道设计输气量为15×108m3/a；首站至末站段管道设计输气量为30×108m3/a。

（1）计算管道长度。

2＃集气站至首站段管道长度为25km；首站至末站段管道长度为60km；末站至陕-京二线首站段管道长度为1km。

（2）气源供气条件。

塔巴庙气田供气压力为3.15MPa，温度为20℃。

（3）管道末端压力。

大输量、长距离是输气管道发展趋势，提高输气压力，可增加输气能力降低运营费用；陕-京二线首站同时还接收长庆气田天然气，长庆气田天然气进陕-京二线压气站压力为4.0～4.5MPa。

因此，塔巴庙—榆林天然气管道末端压力按4.5MPa考虑。

（4）站内压降。

首站站内压降≤0.2MPa。

（5）进出站温度。

首站出站温度不高于60℃；末站进出站温度为常温。

（6）设计地温。

以管道埋深处年平均地温作为设计地温。

（7）调峰方式。

塔巴庙—榆林天然气管道工程输气按平稳供气。

下游季节调峰按气源调节、缓冲用户、储气库、LNG气化厂等调峰方式或其组合调峰方式。

4.2输气工艺优化

输气工艺计算采用世界公认的用于气体管道设计、能力分析、日常操作决策和计算分析的高精度TGNET软件，主要用于气体管网进行稳态和瞬态水力分析。

2＃集气站至首站段管道长度为25km，起点压力为3.15MPa，终点压力为3.0MPa，经工艺计算，管径为Φ660mm。

气田来气进首站输至末站，当站压力低于陕-京二线首站要求的进站压力时，在首站则需要增压。

根据末端压力和设计输量，选择∅610mm、∅660mm、

∅711mm、∅762mm、∅813mm5种管径，计算首站外输压力和首站至末站至陕-京二线首站输气工艺方案对比（见表2）。

表3.2设计输量条件下不同管径首站外输压力和工艺方案对比

工艺条件

管径∅（mm）

610

660

711

762

813

管重（t）

9676

10473

11283

14776

17200

压气站数（座）

1

1

1

1

1

首站外输压力（MPa）

6.03

5.56

5.3

5.02

4.88

压缩机功率（KW）

10806

9428

8050

7585

7196

机组耗气量（×104m3/a）

3087

2694

2383

2167

2056

费用现值（万元）

36726

33537

30850

31050

31252

注意：

设计输量30×104m3/a；线路长度61km；首站进气压力3.0Mpa；末端压力4.5MPa.

4.2工艺优化结论

综合比较5种管径方案，评价期内∅711mm管径输气工艺方案费用现值最低。

因此，首站至末站至陕-京二线段管道管径推荐采用∅711mm。

末站进气压力为4.5MPa，返算管道满负荷运行时首站压力为5.3MPa。

考虑到首站压降，首站进气压力为5.5MPa。

第5章管道选材技术研究

管道用管的选择不仅关系到建设投资成本，而且关系到管道的安全可靠运行。

不同输量、工况条件下，管道的承压能力与管材钢级、管径、壁厚直接相关，而这又直接与管道的总投资费用相关。

根据直缝埋弧焊钢管、螺旋缝埋弧焊钢管、电阻焊钢管、无缝钢管4种情况，针对不同工况条件下综合考虑管材等级、壁厚、管径进行优化比选。

塔巴庙—榆林天然气管道工程输送介质为经过处理的干气，沿途主要经过地区，对管材的强度、韧性等要求较高。

（1）强度

采用高强度等级钢能节约钢材，但过分强调高强度薄壁，虽然能在一定程度上降低工程投资，却易带来管道稳定性差、抗断裂性差及抗震性差等不利因素。

（2）韧性

输气管道与输油管道的差别在于，原油可压缩性小、储能小，出现破裂后，不会出现大范围爆裂；而输气管道运行时，管道中积聚了大量的气体压缩能，一旦破裂，材料裂纹扩展速度极快，不易止裂，撕裂长度较大。

因此，输气所用钢管要求具有良好的韧性。

对于大口径的天然气长输管道，一般采用直缝埋弧焊钢管和螺旋缝埋弧焊钢管。

无缝钢管、直缝电阻焊钢管一般用于工程直径小于500mm的管道。

塔巴庙—榆林天然气管道工程管道直径为660mm和711mm，因此，主要考虑螺旋缝埋弧焊钢管和直缝埋弧焊钢管的选型。

直缝埋弧焊钢管与螺旋缝埋弧焊钢管相比，直缝埋弧焊钢管残余应力小、焊缝长度短、焊接质量高，在国外长输管道上广泛采用，但其成本较高，国内生产厂家少，生产能力有限。

螺旋缝埋弧焊钢管的焊缝与管道轴线方向成一定角度，焊缝避开了主应力方向，焊缝的止裂能力比直缝埋弧焊钢管好，钢管的整体刚度优于直缝管，再加上螺旋缝埋弧焊钢管制造工艺简单、生产成本较低，工艺成熟，生产厂家较多，供货周期相对较短，因此在国内油气长输管道上广泛采用。

综合以上分析，根据国内外输气管道建设的经验，塔巴庙—榆林天然气管道工程确定用管类型：

管道经过的一、二、三级地区直管段全部采用螺旋缝埋弧焊钢管；所有弯头和弯管全部采用直缝埋弧焊钢管进行煨制；大型穿跨越及进出站上下游200m、进出截断阀室上下游50m采用直缝埋弧焊钢管。

另一方面，考虑到塔巴庙—榆林天然气管道工程自然条件比较特殊，沙丘起伏较大，沙丘活动性强烈，为保证线路的安全性和可靠性，输气管道钢管的材质应具有较高的强度、良好的韧性和可焊性，其化学成分和机械性能均应能适应该地区的自然条件。

结合目前国内制管厂、钢板生产厂生产、供应情况和施工企业的施工水平，塔巴庙—榆林天然气管道推荐选用L415钢级。

第6章总结

本论文从天然气长输管道路由、工艺参数、管道选材等方面进行优化研究，结论具有占地少、材料省、投资低、采用的工艺设备技术先进、选型可靠合理等特点，并且各项技术指标均达到了国内先进水平。

以塔巴庙—榆林天然气管道工程为例，进行设计优化研究。

事实证明,在天然气的长距离输送事业中,对长输管线的设计方案的选择势在必行,而在各种各样的设计方案中,选出最佳的设计方案使管道施工具经济又可靠,并在天然气的运输中具有很重要的作用。

天然气长输管线施工技术的好坏，直接影响天然气长输管线的使用寿命，施工技术人员应该严控施工工序、严把质量关口，及时消除影响各类隐患。

参考文献

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化学工业出版社，2005.

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28-29.

致谢

本论文是在马玉鹏老师的悉心指导下完成的。

马玉鹏老师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。

另外，也感谢我的家人和朋友，他们的理解与支持使我能够顺利完成了我的学业！

中国石油大学（华东）现代远程教育

指导教师：

马玉鹏职称：

助教工作单位：

中国石油大学（华东）对函授（网络）级专升本层次油气储运工程（城市燃气输配方向）专业学员所完成毕业设计（论文）的

评语

指导教师签名：

2015年08月26日

注：

此页由指导教师填写