第六章长距离输气管道及城市输配气工程

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（三）天然气的密度与相对密度
密度：单位体积天然气的质量，温度、压力的函数。 相对密度：相同温度、压力下天然气的密度与干空
气的密度之比。因天然气不是理想气体，其相对密 度是温度压力的函数。通常指标准状态的相对密度。 气田气：0.58～0.62，伴生气：0.7～0.85
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（三）形成水合物的必要条件
必须有液态水与天然气接触（水分条件）； 天然气中水蒸气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（压力条件）； 天然气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（温度条件）。
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形成水合物的外因
高流速、气流扰动或压力脉动； 出现小的水合物晶体； 天然气中含有硫化氢和二氧化碳。
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为此，在工程上通常采用近似解法，即：先假 定输气管段的平均温度，按该温度计算输气管 段中气体的物性参数并计算输气管段的流量， 然后根据该流量求出输气管段沿线的温度分布 及平均温度，若该平均温度与假设的平均温度 之差满足工程精度的要求，则计算结束；否则， 以计算出的平均温度作为新的假设平均温度， 并重复前面的计算过程，直到输气管段平均温 度的假设值与新的计算值之差满足工程上的精 度要求为止。
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（一）干线输气管道的压缩机类型
目前在干线输气管道上采用的输气压缩机有两种 类型，即往复式压缩机和离心式压缩机。从工作 原理上划分，它们分别属于容积型压缩机和速度 型涡轮压缩机(也叫透平压缩机)。
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输气管道水力计算
P12
P22
1.62 Q02
d5
0
P0
T T0
Z Z0
L
P1—管道起点燃气的绝对压力，Pa； P2—管道终点燃气的绝对压力，Pa; P0—标准大气压，P0=101325Pa； λ—燃气管道的水力摩阻系数；
Q0—燃气管道的计算流量，Nm3/s； d—燃气管道的内径，m；
为同一管段的水力计算服务; 预测管段中出现凝析液和水合物情况。
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根据输气管段的流量公式：在其它条件一定的前 提下，输气管段的流量取决于整个管段中气体的 平均温度，而这一平均温度又取决于整个管段沿 轴向的温度分布。另一方面，输气管段的稳态温 度分布又取决于该管段的流量。因此，输气管段 的水力计算与热力计算实际上是相互耦合的一对 问题。为了求出一个输气管段的流量与沿线温度 分布，需要联立求解输气管段的流量关系式和温 度分布关系式。由于这两个关系式中的气体物性 取决于气体温度和压力，故要进行精确的联立求 解是相当困难的。
一、长距离输气管道的组成
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二、输气管道工艺设计
输气管道工艺设计主要包括管段的水力与热力计算、 管段设计压力与压气站压比的确定、压气站的布站、 压缩机组的配置、各种工艺站场的流程设计等方面 的内容。
2、压气站布站的基本步骤
区域：从管道起点到管道末段起点 正方向布站：从管道起点开始 反方向布站：从管道末段起点开始
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（三）管道沿线压气站布置（续）
3、正方向布站的基本步骤
令每个压气站的出站压力等于管道设计压力 将首站设为一个压气站（来气压力大于起点设计
压力时，不设首站） 计算各点的温度和压力，逐步确定各站位置 站位置调整
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四、干线输气管道的工艺方案设计
（一）工艺方案设计的基本步骤
1、确定各管段的管材、管径、设计压力和管道壁厚。 2、确定每个压气站在设计流量下的压比。 3、设每个压气站的出口压力等于所在位置管段的设计压
力。 4、根据管道末段储气量的要求，确定末段管径和长度，
并确定最后压气站的位置。 5、确定压气站的数量和位置。 6、确定压缩机组的配置方案。
根据输气管道的运行参数(流量、压力、温度等)是 否随时间变化，可以将输气管道的工况分为稳态工 况与非稳态工况(也叫瞬态工况)。严格地讲，输气 管道的工况在大多数情况下都是非稳态的，但在工 程设计中通常先按稳态工况对输气管道进行水力和 热力计算，然后再按非稳态工况进行校核。
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1、输气管道水力计算
(4)虽然采用简单回热循环和联合热力循环可以明显提高 燃气轮机的综合热效率，但采取这些措施后将使燃气 轮机的初始投资大大增加，因此，是否采取这些措施 应通过综合技术经济比较才能确定。
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二、压气站
进入干线管道的含水量不应超过96～128mg/ Nm3 天然气水露点：天然气在一定压力下析出液态水
时的最高温度； 天然气烃露点：天然气在一定压力下析出液态烃
时的最高温度。
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三、天然气供气系统的组成及特点
（一）天然气一体化供气系统
从气田的井口装置开始，经矿场集气系统、气 体净化系统、干线输气管道、再通过配气管网到用 户，天然气所通过的所有环节构成了一个统一的、 一体化的储、运、销系统。它是一个密闭的、连续 的水力系统。
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离心式压缩机
离心式压缩机纵剖面结构图
(1:吸气室 2:叶轮 3:扩压器 4:弯道 5:回流器 6:涡室 7，8:密封 9:隔板密封 10:轮盖密封 11: 平衡 盘12:推力盘 13:联轴节 14:卡环 15:主轴 16:机壳 17:轴承 18:推力轴承 19:隔板 20:导流叶片 )
天然气一体化体现在气源、管线建设和用户的统 一方面；也体现在其运行的安全性和可靠性方面。
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（二）天然气供气系统的组成
气田矿场集输管网（见第二章） 天然气净化处理厂 长距离干线输气管道或管网 城市输配气管网 储气库
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第二节 长距离输气管道的组成及勘察设计
标准状态下的体积称标准体积。
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（二）天然气组成的表示方法
体积分数：各种组分的分体积在天然气的总体积 中所占的比例；是温度、压力的函数。
摩尔分数：各种组分的摩尔数在天然气的总摩尔 数中所占的比例。
1摩尔纯物质的质量在数量上等于该物质的分子量， 单位：克。
质量分数：各种组分的质量在天然气的总质量中 所占的比例。
因为这两种气体比烃类气体更容易溶于水。
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（四）防止水合物形成及消除水合物的方法
1、干燥脱水 2、添加水合物抑制剂----降低水合物形成温度，破坏
形成水合物的温度条件；吸收天然气中水蒸气， 破坏形成水合物的水分条件。甲醇、乙二醇、二 甘醇等。 3、加热---使温度提高到水合物形成温度以上。 4、清管—清除液态水和已经形成的水合物。 5、降压－用于事故后解除。
(2)干线输气管道上的压气站具有流量大、站压比低的特点， 因而一般采用离心式压缩机。往复式压缩机主要适用于 中、小流量而压比较高的场合，例如气田集输管网、地 下储气库的地面注气系统等。
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(3)只有在压气站距离公用电网较近、而且电价比较便宜 的情况下才考虑采用电动机作为压缩机组的原动机。
➢ 相同温度下，压力越高，天然气的粘度越大。
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（五）天然气的节流效应
正节流效应和负节流效应 正节流效应：节流后压力下降、温度下降。 负节流效应：节流后压力下降、温度升高。 注：理想气体不存在上述节流效应.
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（六）天然气的含水量和露点
含水量：标准单位体积干气所含的水蒸汽质量， 单位kg/Nm3。
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（四）天然气的粘度
粘度是输配气管道计算的重要基础数据。气体粘 性产生机理：百度文库层气体之间摩擦和两层之间分子 的热交换。由于气体粘性的产生机理与液体不完 全相同，因而具有与液体粘度不同的特点：
➢ 液体的粘度随温度升高而降低，与压力基本无关；对于 气体来说，当压力不高时气体粘度随温度升高而升高， 当压力升高到某一限度时，气体粘度随温度升高而下降 （对于甲烷，该临界压力约为10MPa） 。
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（二）管道末段的储气能力
管道末段指管道最后一个压气站到管道终点的管段。 末段储气的目的：平衡均衡供气与不均匀用气的矛
盾。 原理：利用气体的压缩性改变所储气体的数量。 储气能力：最高压力与最低压力之间的储气容量。
与管道截面积、管道长度有关，但存在最优末段长 度。
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第三节 压缩机组与压气站
一、压缩机组
压缩机及与之配套的原动机统称为压缩机组。压缩机 组功能是提高进入压气站的气体的压力，从而使管道 沿线各管段的流量满足相应的任务输量的要求。
干线输气管道的运行可靠性和经济性在很大程度上取 决于所采用的压缩机组的性能。压气站的投资占输气 管道总投资的20％～25％，其经营费用占管道总经营 费用的40％～50％；压缩机组的投资占压气站投资的 一半以上，压缩机组的能耗费占压气站经营费用的70 ％左右。
第六章 长距离输气管 道及城市输配气工程
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概述：燃气发展和应用情况
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第一节 天然气的储运销一体化系统
一、天然气的组成与用途
工业与民用燃气：天然气、人工煤气、液化 石油气和沼气
用途：火力发电厂、民用、汽车、化工原料 来源：气田气、石油伴生气、凝析气田气、
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三、输气管中水合物的形成规律及预防措施
（一）水合物的基本概念
天然气中某些组分与液态水在一定 温度、压力下所形成的外形像冰霜 的物质。
节流处最易形成。
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（二）形成水合物的条件
温度、压力、水分条件。 临界温度：高于此温度不会形成水合物。
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输气管道水力计算的基本任务是确定管道流量与沿 线压力分布的关系。具体来说，就是在已知管段两 端压力的前提下计算其流量，或者在已知管段流量 及管段某一端压力的前提下计算该管段的沿线压力 分布。此外，在管道的流量和沿线各点(起点和终 点除外)的压力均为未知、但管道沿线的压气站运 行方案已知的情况下，通过沿线各管段与全线各压 气站的匹配计算可以确定这些管段与压气站的流量 与压力。
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转子叶轮
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（二）输气压缩机组的原动机类型
燃气轮机 燃气发动机—类似内燃机 电动机
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（三）输气压缩机组的选型
根据各类输气压缩机与原动机的特点以及国外干线输气 管道的建设实践，输气压缩机组的选型可以参考以下原 则或经验：
(1)燃气轮机--离心式压缩机组和燃气发动机--往复式压缩机 组是干线输气管道上最常用的两种组合，特别是大功率 机组基本上都是燃气轮机--离心式压缩机组。
煤层气。 主要成分：甲烷、乙烷、丙烷和丁烷
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二、基本概念
（一）标准状态与标准体积 天然气计量的标准状态：
20℃，1标准大气压（101325Pa ) 城市燃气行业的标准状态：
0℃，1标准大气压（101325Pa ) 美国天然气行业：
60ºF（15.6 ℃)，1标准大气压（101325Pa )
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（三）管道沿线压气站布置
1、压气站布置的前提条件
管道入口天然气压力、温度、流量 管道终点供气流量和压力 管道分支点流入/流出流量 每个压气站压比或压缩机组的配置 压缩机组原料天然气的消耗率 各管段管材、管径和壁厚 管道末段的起点位置
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（三）管道沿线压气站布置（续）
ρ0—标准状况下燃气管道的密度，kg/Nm3； T—燃气的绝对温度，K； T0—标准状态绝对温度，T0=273.15K； Z—燃气的压缩因子； Z0—标准状况下燃气的压缩因子；Z0=1 L—燃气管道的计算长度，m。
输气管道应采用：高压、低温的输送方式。
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2、输气管道热力计算
输气管段的热力计算主要有两个目的：