天然气管道输送工艺

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天然气管道输送工艺授课人：于海安单位：山东天然气集输项目部二〇〇七年五月三十日 非常感谢大家的信任与支持，不足之处欢迎大家批评指正，本次课程要求如下：①熟记管输天然气气质标准，掌握天然气管道的输送工艺参数，包括输气量、输气压力、供气压力、输气温度、输送距离、气体组成；常用的输送方法，不加压输送、加压输送的特点及适用范围。 ③掌握输气管的压力分布及平均压力、不等输量复杂管的计算方法，能准确分析输气管基本参数对输气量的影响作用，并采取有效措施提高输气管输气能力。②掌握输气管的水力计算、气体管流的基本方程，包括管道内气体流动基本方程，稳定流动状态下水平输气管道中气体流量计算基本公式，非水平输气管道中气体流量计算基本公式。 一、天然气气质指标1、天然气中硫化氢、二氧化碳等杂质组分均为金属材料的腐蚀性介质，当配输系统在低于天然气水露点的条件下运行时会出现严重的腐蚀。当天然气中硫化氢含量超过20mg/m3时，若其中还含饱和水，管道内壁将发生电化学腐蚀和硫化物腐蚀开裂（SSC）。电化学腐蚀会造成管壁减薄和点蚀等局部腐蚀破坏；（SSC）的破坏性更大，会造成管道无征兆突然破裂，极易造成重大恶性事故。 （3）净化处理时天然气生产的重要环节，气质要求与净化工艺密切相关商品天然气质对输配系统计数经济的影响主要反映在以下几个方面：（1）烃类组分的含量决定天然气作为商品的技术经济指标-发热量（2）准确测定天然气的气质指标也是准确计算天然气物性参数的关键 2、气质指标项目一类二类三类高位发热量106J/m3〉31.4总硫含量mg/m3≤100≤200≤460硫化氢含量mg/m3≤6≤20≤460二氧化碳含量，%≤3.0---水露点，℃在天然气交接点的压力和温度下，天然气的水露点应比最低环境温度低5℃在天然气交接点的压力和温度条件下，天然气中应不存在液态烃天然气固体颗粒含量应不影响天然气的输送和利用气体体积的标准参比条件是101.325kpa，20℃商品气分为三类，一、二类可供作民用燃料，三类气主要用作工业燃料或其他用途。为满足对管网对进口气质的要求则安装在线气相色谱仪，实施监控并在气质超标的情况下要求控制系统对进气阀门进行关闭。 2、输气压力：指管道最高输气压力，单位MPa，无压缩机的管道即为管道起点的最高压力，有压缩机时为压缩机出口压力。二、主要输送工艺参数1、输气量：按年输气量或日输气量计算，年输气量时，工作天数按350d计算3、供气压力：输气管道沿线或末端向用户供气，供气合同中要求确定交气压力，管输天然气应满足此压力要求。 6、气体组成：由气田或交气方给出，使工艺计算的必备参数。4、输气温度：天然气在输送过程中，由于土壤传热和压力降低产生焦-汤效应，导致温度降低，除对工艺计算产生影响外，对水、烃露点温度也会产生影响。站场的输气管道因此温度都比较低，空气中的水分液化成水，为防止锈蚀对设备的破坏，所以站场员工进行的日常维护保养、目前进行的标准化建设都有其重要作用。5、输送距离：从天然气管道起点到天然气用户交气点即为输送距离。 根据主要输送工艺参数及下游用户的用气压力需求来确定：1、不加压输送：直接利用天然气已具有的压力不用加压即可满足用户的用气需求。该方式主要用于天然气压力较高而输送距离较短的工况。三、输送方式2、加压输送：天然气压力不能满足压力需求而设置增压装置来对天然气增压。利用天然气已具有的原始压力不加压输送一段距离后，再在管线的中间位置设置增压装置以满足用户的勇气需求或管道的起点以及若干中间点设置增压装置以满足用户的需求。 四、水力计算式中：ρ—气体的密度，kg/m3v——气体的流速，m/st——时间变量，sx——沿管长变量，m对于稳定流动，其流动参数不随时间而变化，其连续性方程变为1、连续性方程 式中：g——重力加速度，m/s2Ө——管道与水平面间的倾角，radλ——水力摩阻系数D——管道内径，mP——管道中的气体压力，pa2、运动方程根据流体力学建立的运动方程为：对于稳定流动，变为： 3、能量方程Q——单位质量气体向外界放出的热量，J/kg；U——气体内能，J/kg；h——气体的焓，J/kg；s——管道位置高度，m；对于稳定流动，变为： 3、气体的状态方程实际气体的状态方程为：P=ZρRT4、气体流量的计算公式水平管道工艺计算水平管道是指管道沿线的相对高差小于200m的管道 式中：qvn——管道天然气的流量，m3/d;P1——输气管道计算段的起点压力（绝），MPa;P2——输气管道计算段的终点压力（绝），MPa;D——输气管道内直径,cm;λ——水力摩阻系数；Z——天然气的压缩因子；Gr——天然气的相对密度；T——天然气的平均温度，K；L——输气管道计算段的长度，km。 起伏管道当管道沿线的相对高差大于200m时，按式计算 aΔh是输气管道终点与起点高差对输气管道输送能力的影响，终点比起点位置越高则输气能力越低，反之亦然。式中：a——系数,m-1;Ra——空气的气体常数，在标准参比条件下，Ra=287.1名m2/(s2·K);Δh——终点对起点的标高差，m;n——沿线计算的分段数；hi——各计算分管段终点的标高，m;hi-1——各计算分管段起点的标高，m;Li——各分段管道的长度，km 是考虑线路中间各点相对高程对输气能力的影响，也就是线路纵断面特征对输气能力的影响,起伏越大输气能力越低。可以得出结论：起终点高差对输气能力存在影响，而且还存在着起伏地形对输气能力的影响，该影响是由于输气管起点的气体密度大于终点的气体密度，整条管线的气体密度逐渐降低造成的。 水力摩阻系数计算式中：K——管道内壁绝对粗糙度，m;Re——雷诺数。Q——工况下输气管流量，m/s;D——管内径，m。Δ*——输气管中气体在标准状态下的相对密度；μ——气体的动力粘度，N·s/m2 输气管道的雷诺数常常高达106－107数量级，因此在大多数情况下为紊流，一般在水力粗糙区或混合摩擦区，城市配气管道一般为水力光滑区，上述两个公式为分区的两个雷诺数：小于Re1为水力光滑区，大于Re1小于Re2为混合摩擦区，大于Re2为阻力平方区 3．潘汉德尔A式2．威莫斯公式 5．前苏联天然气研究所早期公式4．潘汉德尔B式 由于输气管道气体的流态处于阻力平方区，局部阻力对输气管道流量影响较大，必须考虑由于阀门，弯头，线路分水器等引起的阻里系数，一般可考虑：6．前苏联天然气研究所近期公式 输气管道沿线任意点的温度计算当无节流效应时式中：tx——管道沿线任意点的天然气温度，℃；t0——管道埋设处的土壤温度，℃；t1——管道计算段的起点天然气温度，℃；x——计算段起点至沿线任意点的长度，km;a——计算系数。式中：δ——输气管道壁厚，m；CP——天然气的定压比热容，J/kg·℃;K——管道中天然气到土壤的总传热系数，W/m2·℃。 式中：J——焦尔-汤姆逊效应系数，℃/MPa;ΔPx——x长度管道的压力降，MPa。当有节流效应时 式中的最后一项是由焦耳－汤姆逊效应引起的温降，在干线输气管道上一般为3－5℃。在大多数情况下，输气管道向周围环境散热，故随着气体沿管线的流动，其温度一般是下降的。但是由于焦耳－汤姆逊效应的影响，气体温度可能高于环境温度到低于环境温度。 PX——任意一点压力值PQ——起点压力PZ——终点压力五、1压力分布 输气管道沿线的压力是按抛物线的规律变化的。靠近起点的压力降比较缓慢，距离起点越远，压力降越快，在前3/4的管段上，压力损失约占一半，另一半消耗在后面的1/4的管段上PxL3/41/2 2、平均压力Pcp——平均压力 3、主要参数对流量的影响 直径增大1倍后，流量为原来的5.66倍，因此加大直径是增加输气管流量的主要方法，也是输气管道向大口径方向发展的主要原因。长度对流量的影响，若长度缩短一半，在两个压缩机站之间再增设一个压缩机站，Q2==1.41Q1即是倍增压缩机站，输气量增加41%。 温度对流量的影响,输气管道的流量与绝对温度的0.5次方成反比。如在压缩机站出口由于天然气经过压缩而使温度升高到高于防腐绝缘层所能承受的温度或在永冻土地带的输气管道，则必须对出口气体进行冷却。 （1）水合物的概念：水合物是天然气中的某些组分与液态水在一定的温度、压力下所形成的一种外形象冰霜的物质，其密度在0.88－0.90g/m3。水合物的形成机理与条件与水结冰完全不同，即使温度高达29℃，只要天然气的压力足够高，仍然可以与水结合成水合物。在天然气储运过程中，通常在产生剧烈焦耳－汤姆逊节流效应的装置处（例如调压阀）最容易形成水合物，故有时需在节流装置前加热。六、输气管道中水合物的形成及预防措施 从微观结构上讲，水合物是液态水与一些气体组份借助于分子力而形成的一种称为笼形包络物的固态结构。在这种结构中，若干个水分子通过氢键形成由五面体或六面体构成的笼孔，每个笼中可以容纳一个气体分子。天然气水合物的笼形结构有两种类型。一种每个水合物单元有两个小晶格和六个大晶格。第二种有十六个小晶格和八个大晶格。一般来说，甲烷、乙烷、二氧化碳和硫化氢可以形成第一种结构，丙烷、异丁烷可以形成第二种结构，戊烷及分子量更大的气分子因体积太大不能进入晶格，因而不能形成水合物。 （2）形成水合物的条件天然气只有在满足一定的温度、压力和水分条件时才可能形成水合物。对于可形成每一种水合物的气体都存在一个形成水合物的临界温度，当温度高于临界温度时，在任何压力下都不可能形成水合物。1、必须有液态水和天然气接触2、天然气中的水蒸汽分压等于或超过在水合物体系中与天然气的温度对应的水的饱和蒸汽压3、天然气的温度必须等于或低于其在给定压力下的水合物的形成温度 除了以上三个生成水合物的内因外，还有加速生成的外因：1、高流速、气流扰动或压力脉动2、出现小的水合物晶种3、天然气中含有硫化氢和二氧化碳，因为这两种气体比烃类分子更容易溶解于水在工程建设结束后，管道水压试验的残留水可能导致水合物的生成，为了避免这种情况，在输气管道投产过程中一定要对管道执行严格的清扫和干燥程序，以彻底消除施压过程中的残存水。 防止水合物形成及消除水合物的措施：1、干燥脱水是防止水合物生成最有效、彻底的办法，应用最为广泛2、添加水合物抑制剂既可以用于防止水合物的生成，也可以消除水合物，它可以破坏形成水合物的温度压力条件，也可吸收水蒸汽，破坏水分条件。如甲醇、乙二醇、三甘醇等3、加热主要适用于节流装置之前，可以采用从管子外部局部加热的方法消除确定水合物堵塞位置的管段 4、清管清管一方面可以清除管道中的液态水，另一方面可以清除已形成的水合物。应用这种方法可能造成清管器的卡死，应慎重考虑。 谢谢大家交流完毕,请各位领导和专家批评指正!