天然气输气管道设计及管理知识讲解

天然气输气管道设计

及管理

一、天然气概况

1、天然气定义：从地下开采出来的可以燃烧的气体

2、天然气来源：气田气，油田气。

3、天然气组成：60%～90%为甲烷和乙烷，10%～40%的丙，丁，戊烷及重烃，在工标状态下只有甲、乙、丙、丁烷为气态，其余都为液态。

二、输气管道概况

1、输气管道分类：矿场集气管道，干线输气管道，城市配气管网

2、世界著名大型输气管道:前苏联乌连戈依——中央输气管道，全系统由6条输气干线组成，最著名的属亚马尔输气管道。该管道在苏联境内长

4451km，建设了41座压缩机站和2座冷却站，经西西伯利亚地区穿越水域945km，穿越河流700余处。

3、中沧线是中国第一次采用燃气轮机驱动离心压缩机输送油田伴生气的输气管线。

4、西气东输管线包括：青海涩北至甘肃兰州（2000年开工，02年竣工投产），重庆忠县至武汉（2000年开工），塔里木至上海（02年7开工，全长400多千米，管径1016mm，操作压力10MPa）

5、中国未来十年管网总体布局：两纵，两横，四枢纽(在北京，上海，信阳和武汉设立调度中心或分调度中心)，五气库（在北京，上海，大庆，山东，和南阳建立地下储气库）

6、管道防腐技术：从简单的人工除锈刷漆发展到外涂层与阴极保护和牺牲阳极相结合的联合保护。自1964年开始使用阴极保护到今天，所有的输气管道上都建有阴极保护站，单站保护长度可达50～80km.

输气管道的主要工艺设备包括压缩机组，阀门，计量设备和调压设备。

三、天然气的性质

1、天然气的分类

（1）按矿藏特点分：纯气藏天然气（在天然气开发过程中，不论何阶段流体在地层中均成气体，采出地面后可能有部分液体析出），凝析气藏天然气（矿藏流体在地层原始状态呈气态，但开采到一定阶段，随地层压力减小有部分烃类在地层中呈液态析出），油田伴生天然气（与原油共存，开采时与原油同时被采出，经油气分离得到的天然气）

（2）按烃类组分关系分：干气（地层中呈气态，开采出后在管线设备中也不会有液态烃析出），湿气（地层中呈气态，在一般地面设备的温度、压力下有液态烃析出），富气（丙烷级以上烃类含量大于100 ml/m3），贫气（丙烷级以上烃类含量小于100 ml/m3）

（3）按硫化氢、二氧化碳含量分：酸性天然气（含有显著地以上成分，要经过处理才能达到管输商品天然气的标准的天然气），洁气（以上含量甚微，不需净化处理的天然气）

2、工程标准状态：20℃（293.15K），1.01325×10^5Pa，这是中国计量气体体积流量采用的标准

标准状态：0℃（273.15K），1.01325×10^5Pa

3、理想气体状态方程：PV=nRT

P——气体压力，Pa

V——m kg或n kmol气体体积，m^3

n——气体千摩尔数，kmol

R——气体常数，Kj/(kg·k)

T——气体温度，k

实际气体状态方程：PV=ZRT

Z——压缩因子，在工标或是标态下认为Z=1

4、露点定义：在压力一定的情况下，逐渐降低气体温度，当天然气中水蒸气开始凝结时的温度。（压强高，露点低；压强低，露点高）

5、节流定义：当管道管径突然变小，引起能量损失而使压强降低的情况。

节流变化会引起温度变化，若温度随压强降低而降低，则为节流正效应又称冷却效应；若温度随压强降低而升高，则为节流负效应又称热效应。

6、天然气的燃烧性质：

华白数：符号为Ws，单位为kJ/m3，华白数越大，天然气燃烧性能越好。燃烧势：符号为CP无单位

四、天然气的净化

净化目的：去除其中的固体杂质、凝析液、水、酸性气体及其他有害物质。

净化意义：不但保证安全、稳定、高效的完成天然气的输送任务，而且变废为宝，使资源得到充分利用。

净化的工艺过程：除尘，脱水，脱硫，脱二氧化碳，酸气回收，尾气处理等过程

1、除尘

灰尘来源：地下粉屑，施工脏、焊渣，腐蚀产物

灰尘危害：管道磨损，管道堵塞

灰尘脱离器的原理：过滤，离心力，吸附，碰撞，粘滞，重力

（1）重力式分离器：分为立式和卧室两类。由分离，沉降，除雾，储存四部分组成。

（2）旋风分离器：又称离心式分离器（最常用），

优点：处理能力大，分离效果好，可将大于5微米的尘粒基本去除。（3）循环分离器

（4）多管旋风分离器

（5）过滤分离器

2、脱水

水的危害：内腐蚀，减小流通面积，生成水化物

（1）低温分离法：利用节流效应，一般适用于高压气田，天然气降压后仍高于输送压力，同时又使输送温度得以降低，是经济合理的，但是由于低温分离后天然气中的水蒸气仍处于该温度下的饱和态，仍有可能在输气管道上某点析出，造成冰堵，因此，该方法不能直接用于长输管道，一般只用作辅助措施。

（2）溶剂吸收法：露点有一定的降低，最适合先脱硫后脱水。甘醇类脱水剂主要包括二甘醇(DEG),三甘醇（TEG）和四甘醇（对于温度很高的原料气脱水特别有效）

（3）固体吸附法：脱水效果最好，也是脱水的最后一道工序

3、脱硫，二氧化碳

硫的危害：有毒，内腐蚀，在成钢的轻质开裂

（1）化学吸收法：以可逆反应为基础，以碱性溶剂为吸收剂，溶剂与原料气中的酸性组分发生化学反应而生成某种化合物，吸收了酸气的富液在升温和降低压力的条件下，化合物分解放出酸气使吸收剂再生。

（2）物理吸收法

（3）干式床层法（使用最多）

（4）氧化还原法

脱硫方法的选择：

①基本条件：原料气组成、压力、温度、气量

② 净化目的：要求的净化气净化度、压力、温度

③ 内部因素：消耗指标、“三废”产生与处理、操作技术水平

④ 经济因素：基建、设备投资与运营费用

五、气体管流基本方程

为了求得p 、ρ、v 、T ，必须有4个方程式，即连续性方程，运动方程，能量方程，气体状态方程

1、 连续性方程

ρAv=qm=常数

上式表示管道任意截面的质量流量相等。

由于输气管道的压力降集中于后半部分，所以输气管道中若截面积相等，则末端速度大于起点速度。

2、 运动方程：实际上是压力梯度方程，总压力梯度由重力、摩擦力和动能压降梯度构成。

六、输气管道水力计算

1、水平输气管道的体积流量基本公式（来自于连续方程）

TL Z Q D P P C Z Q ∆-=*5220

)(λ

C 0——常数，0.0384

T ——夏季温度，K

λ——水力摩擦因数 △*——天然气对空气的相对密度（工标下）