输气管道设计与管理

1气田气：从地层内开发生产出来的、可燃的烃和非烃混合气体，这种气体有的是基本上以气态形式从气井中开采出来的，称为气田气2油田伴生气：有的是随液态原油一块儿从油井中开采出来的，称为油田伴生气3习惯上把这两类气体都称为天然气。

气田气60%和油田伴生气40%4天然气热值很高33MJ/m5天然气的有那些优点？利用天然气作燃料与煤相比有那些优越性？干净、清洁、使用方便、燃料效率高比较价格低等优点6天然气的主要成分是甲烷，及少量的乙烷，丙烷，丁烷等。

7煤层气、油页岩、油砂是我国常规石油资源的重要补充，对提高我国油气资源的保障能力将起到重要作用。

煤层气俗称“瓦斯”，其主要成分是CH4（甲烷），是主要存在于煤矿的伴生气体，也是造成煤矿井下事故的主要原因之一。

油页岩，又称油母页岩，一种高矿物质的腐泥煤，为低热值固态化石燃料。

色浅灰至深褐，含有机质和矿物质；有机质的绝大部分不溶于溶剂，称油母。

油页岩是人造石油的重要原料。

经低温干馏可得页岩油、干馏气和页岩半焦。

所谓油砂，实质上是一种沥青、砂、富矿黏土和水的混合物，其中，沥青含量为10%～12％，砂和黏土等矿物占80%～85％，其余3%～5％是水。

82010年需求量将达到1000亿立方米，而缺口在200亿立方米左右，2020年求量将达到2000亿立方米，而缺口在1000亿立方米左右9我国天然气发展策略：立足国内、利用海外、西气东输、海气登陆、北气南下、就进共应、走国内生产与国外进口相结合的液化天然气发展道路10天然气水合物是21世纪的新能源。

1m3天然气水合物的能量相当于164m3天然气的热值11输气系统的组成：矿场集气管网、干线集气管网、城市配气管网和这些管网相匹配的的站、场装置组成12气田集气从井口开始，进分离、计量、净化、和集中处理等一系列过程，到向干线输气为止13干线输气管:从输气首站至管线的终点配气站，中间可能还设有若干压气站.主要是线路和压气站。

14储气库一般都设在城市附近，以调节输气的与供气之间的不平衡15气体可压缩性对输气和储气的影响：（1）上、下站输量不等时，压力变化较平缓（2）输气管中体积流量沿管长而改变，起始Q小，终点Q大。

（3）输气管末段储气，末段比中间站间管段长，可调节供气和利用气量间的不平衡，相当于一个储气设备。

（4）停输后管内压力的变化，发生压力均衡。

16输气管道的发展趋势：（1）向大口径、高压力方向发展（条件是天然气后备储量很大）⑵采用高强度、高韧性、直缝钢管，以节省钢材⑶管内壁涂敷有机树脂涂层（聚酰胺环氧树脂，无溶剂环氧树脂）（4）向数字化管道方向发展17按天然气的烃类组成分类：根据天然气中C5以上烃类液体的含量多少，用C5界定法划分为干气和湿气。

干气：指在1Sm3井口流出物中，C5以上烃类液体含量低于13.5mcm3的天然气。

湿气：指在lSm3井口流出物中，C5以上烃类液体含量高于13.5mcm3的天然气。

贫、富气的划分—C3界定法，贫气：指在1Sm3井口流出物中，C3以上烃类液体含量低于100cm3的天然气。

富气：指在lSm3井口流出物中，C3以上烃类液体含量高于100cm3的天然气。

按酸气含量分类：按酸气含量多少，天然气可分为酸性天然气和洁气18在工程上用压缩因子Z来表示真实气体与理想气体PVT特性的差别。

20气体的粘度随着温度的升高而加大，与液体的粘度随温度升高而降低不同。

随着压力升高，气体的性质逐渐接近液体，温度对粘度的影响，也越来越接近于液体。

21绝对湿度：每立方米湿天然气中所含有的水蒸气量。

单位为kg/m3或g/m3。

22. 湿天然气：天然气在地层中与地下水接触，因此采出的天然气中有水蒸气，此混合物称湿天然气。

23饱和时的绝对湿度：由于水的饱和蒸气压是温度的函数，所以饱和时的绝对湿度Wa0也只随温度而变化（表1-16），从表中可以看出，随温度T 的↑，P0 和绝对湿度↑24真实气体的焓不但与温度有关，也与压力有关。

所以对于真实气体，节流以后压力下降，通常也造成温度下降，这称为节流的正效应当气体的节流前温度T1，超过最大转变温度（约为临界温度的4.85～6.2倍）时，节流后压力下降，会造成温度上升，这称为节流负效应 25气体在流道中经过突然缩小的断面（如管道上的针形阀、孔板等），产生强烈的涡流，使压力下降，这种现象称为节流。

如果在节流过程中气体与外界没有热交换，就称为绝热节流。

节流以后，流速增大，但总的说来，动能变化不大，可近似认为节流前后气体的焓不变，即 H1=H2但节流不是等焓过程。

虽然节流起、终点焓值基本不变，但气体的压力回复不到原来的压力，p2<p1，气体具有的能量的品质降低了，作功能力减少了，是不可逆过程。

真实气体的焓不但与温度有关，也与压力有关。

所以对于真实气体，节流以后压力下降，通常也造成温度下降，这称为节流的正效应。

当气体的节流前温度T1，超过最大转变温度（约为临界温度的4.85～6.2倍）时，节流后压力下降，会造成温度上升，这称为节流负效应。

节流效应又称为焦耳－汤姆逊效应。

温度下降的数值与压力下降数值的比值称为节流效应系数，又称焦耳－汤姆逊效应系数，即 节流效应系数的意义是：下降单位压力时的温度变化值，它随压力、温度而变。

26在气田上，压力较高，天然气的节流效应系数一般为3～4℃/MPa 。

干线输气管上，压力较低，一般为2.0～3.0 ℃/MPa 。

27天然气主要杂质及危害从地层中开采出来的天然气往往含有砂和混入的铁锈等固体杂质，以及水、水蒸气、硫化物和二氧化碳等有害物质。

砂、铁锈等尘粒随气流运动，磨损压缩机、管道和仪表的部件，甚至造成破坏水积聚在管道低洼处，会减少管道输气截面，增加输气阻力，水又能在管内壁上形成一层水膜，遇酸性气体（H2S ，CO2等）形成酸性水溶液，对管内壁腐蚀极为严重，是造成输气管道破坏的重要原因之一水在一定温度和压力条件下还能和天然气中的某些组分生成冰雪状水合物（如CH4·6H2O 等），造成管路冰堵。

天然气中的硫化物分为两种1）有机硫化物；2）无机硫化物。

无机的主要是硫化氢（H2S ）,有机的主要是二硫化碳（CS2）、硫氧化碳（COS ）等。

H2S 及其燃烧产物（SO2）都具有强烈刺鼻气味，都是剧毒气体。

空气中硫化氢含量大于910mg/m3（体积分数约0.06%）时，人呼吸一小时就会严重中毒。

当空气中含有0.05％（体积分数）二氧化硫时，呼吸短时间就会有生命危险。

硫化氢和二氧化碳还是一种腐蚀剂，尤其有水存在时更是如此。

含有硫化物的天然气作为化工原料很容易使催化剂中毒，生产无法进行，生成的成品质量也不好。

天然气输送系统中的液体和固体杂质主要来自三方面：（1）采气时井下带来的凝析油、凝析水、岩屑粉尘；（2）管道施工时留下的脏物和焊渣；（3）管内的锈屑和腐蚀产物。

28几种常用的分离器：重力式分离器、旋风分离器、多管旋风分离器29含水量较多的天然气在长距离输送过程中，常常发生下列问题：（1）水气与天然气的某些组分生成冰雪状的水合物，堵塞管道和仪表；（2）凝结水积聚在管道的低洼部分，降低管道的输气能力，增加动力消耗；（3）酸性气体，如H2S 、CO2溶于水中，造成内壁腐蚀。

HH p i p T p T D ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆∆=→∆0lim30天然气工业中常用地脱水方法有三类：低温分离、固体干燥剂吸附、液体吸收法31天然气含H2S 多少的分类。

天然气按含H2S 和CO2的多少可分为四类：1）无硫或微含硫天然气 H2S 和CO2含量符合管输要求，不需净化；2）低含硫天然气 H2S 体积分数为0.0001～0.5％；3）中含硫天然气 H2S 体积分数为1～1.5％，CO2体积分数为6～8％；4）高含硫天然气 H2S 体积分数为4～8％。

气体在管内流动时，沿着气体流动方向，压力下降，密度减小，流速不断增大，温度同时也在变化。

在不稳定流动（非定常流）的情况下，这些变化更为复杂、激烈。

描述气体管流状态的参数有四个：压力p 、密度ρ、流速w 和温度T 。

为求解这些参数有四个基本方程:连续性方程、运动方程、能量方程和气体状态方程。

32连续性方程的基础是质量守恒定律33水力计算的目的： 研究一定的输气管的流量与压力之间的关系设计和生产上通常采用的是工程标准状态（压力p0=1.01325×105Pa ，温度T0＝293K ）下的体积流量。

为使用方便，必须将质量流量M 换算成工程标准状态下的体积流量Q34当输气管线路上有高于或低于起点高程200m 以上的地段时，就应该考虑高差和地形起伏对输气管输气能力的影响。

35p107图 纵断面线高于水平线的地方，面积取正值，低于水平线的面积取负值。

由（4-16）可以看出，当其它条件相同时，面积的代数和F 比较小的输气管，有较大的输气能力。

输气管1-2-3-4的输气能力小于长度一样、管径一样的输气管1-5对于输气管，不但象输油管一样，起终点高差对输送能力存在影响，而且还存在输油管上所没有的沿线地形起伏对输送能力的影响。

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上式说明输气管的通过能力与管径的2.67次方成正比。

36 即输量与长度的0.5次方成反比。

若站间距缩小一半，例如在 两个压气站之间增设一个压气站，L2=1/2L1，输气量与起、终点压力平方差的0.5次方成正比，改变起、终点压力都能影响流量，但效果是不同的37简单管：直径不变、流量一致的单一管道称为简单管所谓标准管就是p1、p2、L 、△*、Z 和T 都与要计算的复杂管相同，而管径D0为某一标准值（一般取D0=1m ）的输气管。

38副管铺在管道的前段、中间或尾部对改变流量和终点压力的影响是一样的。

从节约金属的观点来看，铺在压力较低的尾部较好。

改变相同的δp 时，提高起点压力对流量增大的影响大于降低终点压力的影响。

提高起点压力比降低终点压力有利。

变径管是提高流量或终点压力的措施之一39从平均温度公式可知，T0愈高，Tpj 也愈高。

而计算输气管流量时， Tpj 愈高，流量就愈小，因此，应选择夏季的T0作为水力计算的依据40水合物又称水化物，是天然气中某些组分与水分在一定温度压力条件下形成的白色结晶，外观类似密致的冰雪，密度为0.88~0.90g/cm3。

研究表明，水合物是一种笼形晶格包络物，水分子借氢键结合形成笼形结晶，气体分子被包围在晶格之中。

41水合物有三种结构低分子的气体（如CH4，C2H6，H2S ）的水合物为体心立方晶格，较大的气体分子（如C3H8，iC4H10）则是类似于金刚石的晶体结构。

仅出现在正丁烷（n-C4）382121⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=D D Q Q 5.01221⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=L L Q Q以上的大分子氢烃组分形成的水合物中，为一般六面体结构。