输气管道设计.docx

1、输气管道设计1 绪论1.1 研究课题的目的和意义石油和天然气是世界经济发展和人民生活中不可缺少的重要能源，尤其天然气是现代生活的优质、清洁能源，它的使用在发展世界经济和提高环境质量中起着重要作用。全球蕴藏着相当丰富的天然气资源，目前天然气是仅次于石油和煤炭的世界第三大能源。近年其年产量增长速度高于石油与煤，在能源消费结构中的比例达23.5%。据预测，在不久的将来天然气在能源消费结构组成中的比例将超过石油，成为世界第一能源1。天然气管道是天然气工业的纽带，是国家的重要基础设施。加强天然气管道建设是加快石油天然气工业发展的重要内容，是保证我国国民经济持续稳定发展的重要措施2。近几十年来，天然气作为

2、燃料或原料和石油一样是一种国际间进行大规模交换的商品。因此全球建立起了大型的天然气输配基础设施。中国经过三十多年的开发建设，已经摸索出一套完整的符合中国国情和气田特点的工艺流程和工艺方法，并研制出一批经济实用的设备仪表和材料，掌握了不同类型气田的采输规律和技术措施。原有其它燃气气源城市在将实行气源转换为天然气的同时，大幅度的增大供气规模。大量中小城市则由燃气空白状态跨越式的进入天然气利用阶段。城市分配管网规模和总长度得到了极大的发展，并且出现了质的飞跃，城市燃气分配系统进入了以天然气为主导气源的新的发展阶段。中国天然气资源主要分布在塔里木、柴达木、鄂尔多斯、四川、松辽、渤海湾、东海和南海等八个

3、盆地，其中塔里木、柴达木、鄂尔多斯、四川等四个盆地位于我国新疆、青海、宁夏、甘肃、内蒙古、陕西、四川和重庆等西部省区，其天然气资源量占总资源量的55%；东海和南海盆地位于东部和南部沿海地带，而我国天然气市场主要分布在东部经济比较发达的长江三角洲、环渤海和珠江三角洲等地区。从地域分布上看，资源和市场分别处于西部和东部地区，中间距离相隔数千公里，而世界上很多天然气资源和市场也都相隔很远。因此，为了满足市场的需求，需要长距离输送天然气3。由于与液体输送方式不同，天然气具有密度小，体积大的特点，因而管道输送几乎成了天然气远距离输送的唯一方式。它是天然气走向市场的重要环节，是沟通气田与天然气用户的重要纽

4、带，也是促进气田开发，加速天然气消费利用的重要手段。世界范围内天然气管道发展迅速，目前世界上已建成天然气管道约150万km以上。我国已有天然气管道20000km。而“西气东输”管道工程的建设及完成全面带动了中国油气管道工业的飞跃发展，带动了陕京二线天然气管道、冀宁联络线天然气管道等一大批长距离大口径油气干线管道和支线管网的建设。侯河江都末站输气（支）干线起始于江苏省靖江市侯河镇侯河分输清管站，末站位于江苏省江都市江都分输清管站，其中河矢段、四巷段分设一分输站，扩建江都分输清管站与冀宁管道连接。管线途经江苏省靖江市、泰兴市、泰州市及江都市等4个行政区境内。靖江近海，是江苏省人口最密的地区之一。2

5、009年GDP364亿元，2010年在全国百强县排名36名。泰兴市位于长江下游，现有产值过亿元的企业46家，其中产值超10亿或利税过亿元的企业5家。主要产品涉及化工、医药、机械、纺织等十大类近6000个品种。泰州是全国最大的医药生产科研基地，形成以机电、化工、纺织、食品、轻工、医药、建材等为主体的支柱行业。江都市2009年工业产值达922亿元，位列苏中苏北各县市区第一位。均为经济发达地区，对能源的需求很紧迫。侯河江都末站输气（支）干线主要定位为西气东输管道的联络管道，不但可以将西气东输管道作为冀宁管道的气源管道，而且可以实现西部主力气田的联网，使得西部主力气田的天然气可以相互调剂、补充，提高为

6、靖江市、泰兴市、泰州市及江都市供气的可靠性和安全性,另外泰兴市溪桥二氧化碳气田属中深层、低丰度、高产能的中大型气田，按目前的开发能力，预计可使用年限至少在200年以上，江都市也有天然气资源，可进一步满足管道沿线城市对能源的需求，对促进当地经济持续发展有重要意义。而从环境的角度出发考虑，天然气的使用将会较少城市的污染，尤其是对于工业城市来讲，低碳生活是人们所期望的，对人类的长期的可持续发展的生活会带来更多的益处。因此，进行侯河江都末站输气（支）干线的建设是十分必要和有实际意义的。1.2 国内外研究现状目前，国外输气管道技术的发展主要有以下几个特点：(1) 提高输气压力输气管道向更高压的方向发展是

7、一个趋势，也在一定程度上反映了一个国家输气管道的整体技术水平。目前，世界陆上输气管道的最高设计压力为：美国12MPa，前苏联7.5MPa，德国和意大利8MPa，中国10MPa。海底输气管道的设计压力一般还要高，像阿意输气管道海底段的最大工作压力为15MPa，挪威Zeepipe管道压力为15.7MPa，Statepipe管道输气压力为13.5MPa，中国崖13-1至香港海底输气管道操作压力为15.5MPa。在高压管道的设计与建造中，采用了一系列的先进技术，如极限状态设计方法、机械化自动焊接技术、高分辨率的缺陷超声波自动定量检测技术及适用性评价方法等。(2) 采用高钢级管材通过高钢级管材的开发和应

8、用可以减小壁厚，减轻钢管的自重，并缩短焊接时间，从而大大降低钢材耗量和管道建设成本。国外输气管道普遍采用X70级管材，X80级管材以用于管道建设中，全世界已敷设了大约500km这样的管道。有关文献介绍，用X80级管材比用X65级管材节省建设费用7%，而采用X100级管材比采用X65、X70级管材节约管道建设成本10%-12%。此外，采用复合材料增强管道强度的技术也正在开发。即在高钢级钢管外部包敷一层玻璃钢和合成树脂。采用这种管材，可以进一步提高管道的输送压力，降低建设成本，同时可增加管输量以及提高钢管抵抗各种破坏的能力和安全性。(3) 干线采用大口径管道一般来说，在输气量可以准确预测的情况下，

9、建设一条高压大口径管道比平行建几条低压小口径管道更为经济，因为输气管道的输送能力与管道直径的2.5次方成正比。所以，增大管径是提高管道输送能力的最有效措施。(4) 输气干线呈网络化发展，形成大型的供气系统随着天然气需求量在世界范围内的剧增，将进一步促进干线输气管道和地区性官网的建设，目前，世界上已先后形成了一些洲际的、国际的、全国性的和地区性的大型输气管网，如：前苏联的统一供气系统，向东西欧地区供气，是当今世界上规模最大的天然气输送管网，全长22.5104km。北美欧洲输气系统，包括从阿尔及利亚至意大利的阿意输气管道（全长2500km，管径1220mm）和阿尔及利亚至西班牙的阿西输气管道（全长

10、1434km，管径1220mm）两大输气管道系统，这两大输气系统分别在意大利和西班牙与欧洲输气管网连通，形成了目前世界上第一个洲际输气管网。(5) 采用高压富气输送工艺富气输送工艺是指输入管道前只将天然气中的水、硫化物和部分液体脱掉，而将乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等重烃气保留在天然气流中一起以气态单相输送的工艺，富气输送工艺是含凝析液的湿天然气管输工艺的一种。管道采用富气输送工艺时，由于压力高，热值也较普通干气输送的天然气高，减压波速很低，这就要求管材具有较高的防止脆性断裂和延性裂纹扩展的韧性，因此断裂控制是富气输送工艺的关键技术。对富含凝析液的天然气采用富气输送技术将会产生巨大的经济效益，主要因

11、为：富气输送管道中天然气流总热值的提高，使管道的输送效率得到提高；随着乙烷等重烃气组分的增加，使管输天然气的密度增加，从而使天然气的压缩系数降低，即天然气更易压缩，因此压缩机需求的功率就会降低，相应地也会减少燃料消耗，降低运行成本，减少废气排放。(6) 输气管道建设向极地和海洋延伸由于世界新开发的大气田很多分布在北极地区，如俄罗斯亚马尔半岛、美国普鲁德霍湾，欧洲北海等，这些气田促使管道向极地延伸，管道需通过永冻土地带。海上气田的开发以及长输管道通过海峡，促进了海底管道的建设。全世界铺设了近万千米的海底管道。(7) 高度的自动化遥控和先进的通信技术在现代输气管道的设计中，SCADA系统必不可少，

12、已成为管道系统管理和控制的标准化设施，压气站、计量站、调压站、清管站、阴极保护站等均有SCADA系统实施遥控。(8) 重视采用压缩机组故障诊断技术美国研究开发了天然气压缩机故障诊断软件（CDS），通过建立数据库，对以偏移曲轴形状进行三维显示和动画显示，分析曲轴的偏移趋势。(9) 采用先进、快速的管道机械化施工技术和装备模块化施工技术闪光对接焊工艺先进的移动式预制厂先进的机械化施工装备(10) 广泛采用内涂层减阻技术，提高输送能力输气管道采用内涂层后一般能提高输气量6%-10%，同时还可有效地减少设备的磨损和清管次数，延长管道的使用寿命。(11) 完善的调峰技术为保证可靠、安全、连续的向用户供气

13、，发达国家都采用金属储气罐和地下储气库进行调峰供气。(12) 提高压缩机组功率，采用回热循环燃气轮机采用燃气轮机回热循环及联合循环系统收到很好的节能效果，采用回热联合循环系统后每台燃气轮机的综合热效率由原来的36.5%上升到47.5%，国外还广泛采用配有机械密封、磁性轴承的压缩机，不仅可以延长轴承的使用寿命，取消润滑油系统，降低压缩机的运行成本，而且可以从根本上提高机组的可靠性和完整性，减少由于装置密封不严造成的天然气泄露4。国外正在研究新的输气工艺，着眼点是提高管输条件下的天然气密度，即在低温高压下气态输送或液态输送。据称在-70及117.68105Pa的压力下，输气能力将为通常输气条件下的

14、3.8倍，而低温所用的含镍3%-3.5%的钢管的价格为一般钢管的2.8倍。气体液化后，密度为通常管输条件的15倍，可达到更高的输送能力5。中国管道工业的发展，至2006年底已有48年的历史，先后出现过三次建设高潮。第一个建设高潮是在20世纪70年代伴随大庆、辽河和胜利等东部大型油田的开发，中国建成了连接东北、华北和华东地区的东部输油管网。第二个高潮建设是在上世纪8090年代伴随新疆、塔里木、吐哈、四川和长庆等西部油气田的开发，中国在西部地区建成了连接油气田和加工企业的长输油气管道和川渝输气管网。目前，随着中国东部和西部地区油气田的进一步开发和国外油气资源的引进，特别是天然气工业的快速发展，中国

15、油气管道建设进入了第三个高潮。近年来一批区域性大型天然气干线管道的建成投产，使中国管道工业的发展速度和技术水平跨入了世界先进行列。截至2006年底，中国已建成长输油气管道总长度超过5万千米，其中天然气管道约3万千米，原油管道约1.5万千米，成品油管道约0.56万千米，形成了初具规模的跨区域油气管网2。(1) 天然气区域管网中国天然气管道经过几十年的发展，以及近年来西气东输、陕京二线、冀宁线、淮武线及其支线的建设，川渝、华北及长三角地区已形成了比较完善的区域性管网，中南、珠三角地区也基本形成区域管网主体框架。川渝地区是中国天然气运输业较为发达的地区，目前已建成输气管道总里程超过6400千米，约占

16、中国天然气总里程的20%。继上世纪70年代，威成线、泸威线、卧渝线、佛渝线建成后，1989年建成了从渠县至成都的半环输气干线（北干线），这些管线的建成首次在中国形成了区域性环形供气管网，实现了川渝天然气的灵活调度，增大了川渝地区供气的安全可靠性。最近几年，川渝气区不断进行老管线的改造和新供气支线的建设，供气网络日益完善。特别是随着罗家寨和普光气田的开发，川渝管网将得到更大的发展。环渤海地区是目前中国天然气的主供地区。随着1997年陕京线、2005年陕京二线以及2006年冀宁联络管道的建成投产和配套储气库的建设，环渤海地区天然气利用水平得到了大幅度的提高。目前已基本形成以陕京线、陕京二线及其配套

17、工程为中心的供气网络系统。长三角地区是中国未来天然气的主力消费区，目前供气气源包括西气东输和东海气田，供气管道包括西气东输干线及支线、冀宁线、东海平湖管道、东海宁波管道、浙江省天然气管道等多条输气管道，已然构成了能相互衔接的管网系统。中南地区以西气东输和忠武线的干线和支线为基架，形成了本区域的管网供应系统。随着2006年西气东输和忠武线联络管道（淮武线）的建成，这个区域管网系统将更加完善。珠三角地区以广东LNG管道工程干支线为主，在珠三角地区已基本形成区域性的供应系统的主体框架。随着广东LNG二期工程和珠海LNG及其站线的建设，以及供气支线的不断完善，该区域将形成比较完善的供气网络3。(2)

18、中国油气管道技术水平钢铁冶炼和制管水平大幅度提升，X70等高钢级管线钢得到了大规模应用。中国20世纪90年代初期的管线钢生产还停留在X60级水平。随着国内对天然气需求的迅速增长，为了提高管道输送能力、降低管道建设成本，采用高强度管线钢建设高压长输管线势在必行。在不到10年的时间里，中国X65、X70管线钢就已从试制发展到大规模的工程应用。目前中国X70管线钢生产已趋于成熟，基本实现国产化。2001年，X70管线钢首先在涩宁兰管道上得到试验性应用，之后在西气东输管道建设过程中，大规模采用了国产的X70管线钢。根据有关资料，西气东输管道大约有52%的钢管由国内的钢管厂提供，热煨弯管国产率也达到62

19、%。2005年建成的陕京二线和2006年建成的冀宁联络管道也基本上采用国产的X70管线钢。2006年中国成功实现了向印度出口5万吨直径1219毫米的X70钢管5。2003年，在中国石油集团科技发展部的主持下，石油部门与相关单位联合，开展了10余项国家基础攻关、应用基础研究和技术开发项目，其中包括“高强度管线钢的重大工艺基础研究”、“X80管线钢管的开发与应用”、“X80管线”。钢的焊接及高韧性焊材选择”等，取得了很好的研究成果。2005年，在冀宁联络线上成功地铺设了长约7.7千米、直径为1016毫米的X80试验段，该试验段标志着国内钢铁冶炼、轧制和制管技术已初步具备制造X80级管线钢管的能力。

20、在已取得的X80级管线钢研究应用的基础上，2006年，中国石油集团科技发展部又组织立项进行X80级管线钢管大规模生产的技术研究，开展了X80级管线钢管在大口径高压大输量长输天然气管线上的应用研究和焊接研究等专题工作。中国的冶金和制管工业可望得到更大的发展。2006年7月14日，鞍钢研制开发的X100管线钢获得成功，鞍钢一举成为国内首家、世界上少数掌握这种高钢级管线钢技术并具备生产能力的钢铁企业。这标志着中国的冶金工业已迈上一个新的台阶2。(3) 陆上管道施工的部分技术已达到国际先进水平自西气东输工程建设以来，一些与X70及大口径钢管相关的施工技术水平得到了大幅度提升。管道施工从过去的完全手工化

21、操作到现在可以完全智能化操作，工程焊接合格率从涩宁兰的85%到兰成渝的90%，再到西气东输的95%，工作质量、效率和施工技术水平都得到了极大提高。兰成渝工程使国内管道建设队伍掌握了艰难的山地施工作业方法；西气东输工程又从实践中摸索出更多更复杂地形和更恶劣气候条件下的施工作业方法。管道工程建设管理水平、运营管理水平及维护抢修技术水平也有了很大提高。2006年中国石油天然气管道局中标印度东气西输管道工程，这极大地提高了中国管道施工队伍在国际上的知名度，对于中国石油打开并站稳南亚市场具有重要意义。(4) 我国输气管道的发展我国能源资源丰富，但分布不尽合理。我国天然气管道输送战略布局要根据我国能源资源

22、的分布和工业生产布局选择我国天然气管道的走向。既要考虑国内天然气管道联网，又要考虑远期的与东北亚天然气管网相联，以便将来实现国内、国际间天然气的调配。同时，在管道建设项目的选择中，以经济效益最优为标准，采用世界先进技术，提高我国天然气管网的总体工艺水平和自控水平3。根据国情，近几年我国管道发展的目标是：改造旧管道与新建管道统筹兼顾，增加天然气管道建设投资，合理布局，配套成网，管道建设可适度超前。今后我国天然气管道输送战略是：以国内各大气田、各主要消费地联接的天然气管网为主，积极开发利用本国天然气资源，将国内管网与国际管网接通。适当引进其他国家天然气资源，参与世界天然气资源的再分配，加速我国天然

23、气工业的发展，形成由不同等级、不同规模组成的生产与消费相接的天然气管输网络。我国天然气管网的形成，需要经过几十年的努力才能实现3。1.3 研究内容本课题研究的是运用地形起伏地区输气管道的基本公式进行输气管道的相关设计；运用所学知识，查阅相关文献及规范，确定输气管线的水力计算、热力计算及强度计算从而选择该管径对应的壁厚、确定进出站的压力、压缩机站数目及布站、压缩机站所选压缩机的型号、功率及所需燃压机组数目、管线的调峰能力与其它设备的选型与布置，并绘制全线流程图、首站流程图、清管站流程图、分输站流程图。1.4 本题目的设计步骤采用地形起伏地区输气管道的计算方法确定每一种方案的压气站间距，计算末段长

24、度，确定压气站数，计算单站功率，选定压缩机型号和台数等。绘制全线流程图、首站流程图、清管站流程图、城市配气门站流程图。撰写设计说明书，计算说明书。1.5 本设计所采用的规范压缩机与驱动机选用手册石油天然气工程制图标准全苏输气管道工艺设计标准输气管道工程设计规范2 天然气管线2.1 天然气长输管线的基本定义及输气站组成天然气长输管线就是连接脱硫净化厂或LNG终端站与城市门站之间的管线，在我国压力管道分类中属国标A类，其设计应遵循规范输气管道设计规范GB50251。输气站是输气管道工程中各类工艺站场的总称。按它们在输气管道中的位置分为：输气首站、输气末站和中间站（中间站又分为压气站、气体接收站、气

25、体分输站、清管站等）四大类型。按功能可分为：调压计量站、清管分离站、配气站和压气站等。2.2 天然气长输管线的发展前景20世纪后期，世界科学技术突飞猛进，电子计算机的迅速发展和推广使用，新材料、新设备、新工艺的开发与更新换代，把世界油气管道工业推进到了人们喻之为“新的技术革命”的时代3。由于天然气产地越来越远离主要消费中心，为了获得最佳输气效益，天然气长输管道呈现出了以下几种主要的发展趋势： (1) 长运距天然气产量和贸易量的不断增加，采用超长管线输送天然气已被认为是最为经济的方法。近20几年来，欧美各国投入了大量资金建设一大批长距离、大口径输气管线。美国为了开发利用阿拉斯加的天然气资源，于1

26、9801986年建成了美国横贯阿拉斯加输气管线系统，该系统贯穿阿拉斯加和加拿大境内，向美国本土48个州输气，总长达7763km。苏联至1987年，输气管道的平均长度已近2000km，天然气的平均运距猛增：1990年是10年前的1.4倍，20年前的3倍，30年前的4.6倍。 (2) 大口径高压力建设大口径管道的经济性是十分明显的。增加管道直径和提高输送压力，第一，可以提高管道的输送能力。在其他如输送压力(7.5MPa)、温度(+40)相同条件下，管径越大，输气能力越高；在其它如管径(720mm)、温度(+40)等相同条件下，输送压力越高，输气能力越大。第二，可以大量节约投资和钢材消耗。一般来说，

27、在输气量可以较准确预测的情况下，建一条高压大口径管线比平行建几条低压小管线更为经济。有人计算，一条914mm管道的输送量是304mm管道的17倍；一条输送压力为7.5MPa、管径为1420mm的输气管道可代替3条压力为5.5MPa、直径为1000mm的管道，但前者可节省投资35%，节省钢材19%。前苏联采用大口径多层壁管线输送秋明油田天然气，钢材耗量降低了23%25%，净投资节省了15%16%，全部费用节省了14%15%。前苏联是大口径天然气长输管道最多的国家。俄罗斯天然气股份公司拥有的直径超过1m的长输管道占输气管道总长度的60%以上7。管道采用的最高输气压力，在一定程度上反应了一个国家输气

28、管道的整体水平。目前世界陆上输气管道的最高设计压力为：美国10MPa，前苏联7.5MPa，美国7MPa，德国和意大利8MPa。海底输气管道的设计压力一般较高，如阿意输气管道横穿西西里海峡段的设计压力为15MPa，而发生事故时压气站的出口压力可高达20.5MPa。我国四川气田万卧输气管线的设计压力达到8.0MPa。 (3) 高度的自动化遥控当代输气管道的自动化管理和遥控水平相当高，并不断朝着更高的层次发展。自动化与通信系统发展速度之快，已使该系统设计水平的高低，常常被作为评价某一天然气储运工程现代化水平的依据。现代输气管道自动化管理多采用SCADA系统。在国内外输气管道设计中，SCADA系统已成

29、为必不可少的选择，已成为管道系统管理和控制的标准化设施，压气站、计量站、调压站、清管站、阴极保护站等均由SCADA系统实行遥控。SCADA系统的主要发展趋势有：(1)采用容量更大、存取速度更高的外存储器，以激光技术为基础的光盘将取代现有的磁盘和磁带；(2)采用更逼真的三维彩色图形显示器，操作人员可以从显示器上观察到压气机组、控制网等工艺设备三维图像；(3)开发功能更强大的SCADA系统软件和应用软件；(4)采用人工智能和专家系统技术使SCADA系统智能化3。 (4) 输气干线网络化人们从长期的天然气开发和利用的经验教训中认识到，单条输气管道具有很大的局限性，在条件允许的情况下，将若干单条输气管

30、道相互连通，形成管线网，则具有许多优越性，主要表现为：多气源供气，可提高供气的可靠性；有利于拓展天然气市场；有利于充分利用输气管道的能力，不会因某一气源的衰竭而出现无气可输的管道或管段；有利于提高输气调度的灵活性等。当今世界上已先后形成了一些洲际的、国际的、全国性的和地区性的大型输气管网。前苏联统一供气系统前苏联统一供气系统是当今世界上规模最大的天然气输送管网。至1990年末，该系统有干线输气管道22.5万千米，连接着500多个气田，907座压气站（共3850台压气机组、总安装功率5000万kW）、46座地下储气库（总储气能力为2832亿m3）、4500座配气站、6座天然气加工处理厂和约150

31、00个城市和居民区。系统总输气能力（包括支线）超过10000108m3/a；固定资产总值（不包括城市供气管网）约650亿卢布，占整个燃料部门固定资产总值的68%。欧洲输气管网整个欧洲是当今世界上输气管道密度最大的地区。输气管道密密麻麻，纵横交错，组成了一个从东（欧亚边境）到西（大西洋）、从南（西西里岛、直布罗陀海峡）到北（挪威北海）的输气管网群。如今，天然气可从欧洲任何一个角落输送到每一个消费区。北美输气管网在北美洲，从加拿大到美国到墨西哥形成了庞大的输气管网系统。1993年，北美商品气产量为6796.8亿m3，天然气干线管道达到50多万km，这些管网将北美的主要产气区（如加拿大西部、墨西哥湾

32、的海上部分、陆地上的得克萨斯、路易斯安那及俄克拉何马州）与美国、加拿大和墨西哥的约8500万个天然气用户连接起来，并向这些用户供气。北非欧洲输气系统北非欧洲输气系统包括阿尔及利亚至意大利和阿尔及利亚至西班牙两大输气管道工程。阿意输气管道从阿尔及利亚通过突尼斯、穿越地中海而进入意大利的西西里岛，全长2500km，管径1220mm，设8座压气站。阿西输气管道从阿尔及利亚穿越直布罗陀海峡后进入西班牙的塞维利亚，全长1434km，管径1220mm；该管道从塞维利亚一直延伸到葡萄牙、法国和德国4。2.3 天然气长输管线的组成与功能长输管线的任务就是根据用户的需求把经净化处理的符合管输气质标准的天然气送到城市或大型工业用户，它必须具备：(1) 计量功能。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、