天然气管道输送及操作技术

天然气管道输送及操作技术

赵会军

江苏工业学院油气储运工程系

二00八年十二月

本课程的主要内容：

1．概述

2．天然气的基本特性

3．天然气净化

4．管路中气体流动的基本方程5．天然气管道输送

6．输气站与清管技术

7．天然气输送系统相关设备8．内涂层减阻技术简介

第一章 概述Introduction

§1.1 天然气在国民经济中的重要性

一、什么是天然气？

所谓的天然气一般是指自然生成、在一定压力下蕴藏于地下岩层孔隙或裂缝中、多组分、以烷烃为主的混合气体，从广义上讲，天然气可以说是气态的石油。

二、天然气的用途

天然气是清洁、高效、方便的能源，天然气的热值较高，每立方米平均为33MJ(人工煤气为14.6，液化石油气87.8～108.7气态)，不含灰分，容易完全燃烧，不污染环境，运输方便。它的使用在世界经济发展和提高环境质量中起着重要作用。天然气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 ％（我国2～3％）。目前世界天然气为仅次于石油和煤炭的世界第三大能源，据预测，21 世纪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－能源。 其主要用途为：

1、城镇居民、公共建筑和商业部门，约占总用

量的41.5％；天然气与其他燃料相比，具有使用方便、经济、热值高、污染少等优点，是一种在技术上已经得到证实的优质清洁燃料。天然气代替其他燃料，可以减少一氧化碳（CO ）、二氧化碳（CO2）、氮氧化物（NO ）及烃类等的排放，有利于环境保护;

2、工业部门，约占37％，主要用作生产化工产

品和工业燃料的基本原料。天然气的主要组分是甲烷，此外还含有乙烷、丙烷、丁烷及戊烷以卜烃类，是重要的基本有机化工原料。以天然气为原料，可以生产出合成氨、甲醇低碳含氧化合物、合成液体燃料等种类繁多的化工产品。至今全世界已有 10 ％的天然气用于制取化工产品，年产量已达到 16 亿吨 ；

3、发电厂，约占 19％以上。特别是采用天然气联合循环发电技术后，投资费用仅为煤炭和核发电厂 2 / 3 左右，对空气和水的污染也少，因而使得以天然气为燃料的发电厂更加具有竞争力 ；

4、运输部门所占比例不足 1％。天然气的一些特性使它有可能成为一种很有吸引力的汽油替代燃料。它的价格和汽车废气排放指标都低于汽油。

天然气的应用将会显著扩大，21世纪将逐步取代石油，并在世界能源消费结构中占据主导地位。世界能源消费结构趋势如下图所示 。

天然气市场发展情况 100％

0 20％

40％

60％ 80％

1800 1950 2100 比 例 年份 世界能源消费结构趋势

2003年全球十大天然气消费国一览表(单位：亿立方米)：

中国天然气资源分布情况

三、天然气的来源

天然气可以从油田气和气田气获得。

①油田气又称为油田伴生气，它是与石油伴生的天然气，伴随着石油的开采而采出。一般利用井上的油气分离器将石油与伴生气分离，然后采用吸收法或其它方法将气体中的碳氢化合物进一步分离，提取的C3、C4成分作为液化石油气销售，C1、C2成分作为天然气使用或管道外输。

②气田气是采自气田气井的天然气，通常这种气体的甲烷含量较高，可以达到85～97％，C3～C5只有2～5％，可以采用压缩法、吸收法、吸附法或低温分离法将C3、C4等重烃分离出来，制取液化石油气，其余纯净的天然气通过管道外输销售。

③炼厂气。从天然气的主要成分甲烷来说，其来源还有炼油厂如蒸馏气中0.5％为甲烷，催化裂化气中为5.9％，热裂化气35％，铂重整气中10.7％为甲烷。当然这些气体不能划在天然气的范围，量也不大，但其用途是一样的。

§1.2 天然气储运系统概述

一、天然气输送方式

1.管道输送

优点：输送量大、技术成熟可靠；缺点：建设与输送成本较高，适应灵活性较差。

现代管输技术成熟,约75％天然气通过管道输送。

长距离输气管道发展趋势:1)平均运距增大。最长单根输气管道是俄罗斯亚马尔管道(4451km);2)最大口径可达1420mm; 3)高压力,最高压力为12MPa，海底21MPa;4)自动化遥控,采用SCADA对管网实

施集散控制;5)形成大型供气系统;6向极地海洋延伸。

2. 液化天然气(LNG) liquefied natural gas

制备：液态储运即液化天然气(LNG)储运方式,利用经过净化天然气的压力经膨胀机制冷使其液化(若压力过低，需加压),制冷温度-80～-90℃,在LNG装置中使用液氮补充冷却,将其降至-163℃成为液化天然气,实现液态输送。

关键技术:预处理、液化及储存、液化天然气的气化、冷量回收及安全技术等。

LNG链:开采、液化、LNG运输、LNG接收与气化、外输管线、最终用户组成。

优势：1体积缩小620倍,便于运输; 2代替深海,地下长输管道省投资,降成本; 3超过3500km后船运占优势; 4有效回收边远、零散天然气; 5投资省,在等热能储气规模下LNG储罐与管道储存设施相比,占地少,工期短,受地质条件约束少;

物性:无毒,无色,无味液体;-163℃密度450~470;燃点650℃;爆炸限4.7％~15％

应用:1供城镇居民; 2远离气源且管线未到地方; 3城市燃气调峰; 4优质汽车燃料;5发电,特钢等提高质量; 6冷能发电,分离空气,制干冰等,间接冷冻食品,低温医疗等。

3. 压缩天然气(CNG)管束容器储运compressed natural gas

制备(新西兰): 20～25MPa压缩存储高压钢瓶中,降温至5℃,充入“管束”内径为152.4mm (高级钢管组成)容器中,在0.135 MPa释放,净储气量为210V/V～280V/V。

优势:与运距在1000km以上管道或LNG相比,具有竞争力;灵活性强，投资少；使不能管输天然气得到有效的利用,方便未铺设管道边远地区,补充城市管道供气不足。

不足: 1高压储存增加储气密度; 2建立专门高压加气站,配备多级压缩系统,投资大; 3器壁厚,自重增加,运费大; 4高压储罐制作,维护费用高; 5高压储气安全隐患多。

应用: 1清洁汽车燃料; 2气源; 3应急供气手段; 4气量不大，用户距气源较远情况。

4. 天然气水合物(natural gas hydrates)

物性: 雪花状晶体,笼型多面体结构,密度0.88~0.80g/cm3,含天然气164~220m3/m3。

制备：在3~5Mpa,2~6℃下,水与气充分接触逐渐生成水合物,经过三相分离及脱除游离水,制成干水合物,可在接近常压与-40℃下长期稳定储存。

性质：提高压力,温度也可提高,储存压力3~6Mpa,储运温度为0~8℃。减压或增温。

优点: 与LNG相比,生产,储运,装置与工艺简单，综合成本要比LNG低24％。

5. 吸附天然气(ANG)储存adsorbed natural gas

制备: 在储氢技术思路上开发,借助罐内活性吸附剂,利用巨大内表面和丰富微孔结构使天然气在较低压力下(3~4MPa)以较高密度(180V/V~240V/V)储于钢瓶中。

技术:优良性能吸附剂筛选与开发;吸附剂储存容器结构设计。

优点:单级压缩,储罐形状和用材选择余地大,质量轻,压力低,使用方便,安全可靠,ANG是最经济方法,总费用仅为CNG一半,吸附剂可重复使用。

难题: 1)高效专用吸附剂的投资大; 2)吸附剂性能影响实际储气量; 3)用后吸附性能下降; 4)自重增加; 5)储气过程中释放热量产生的高温存在安全隐患; 6)重组份的滞留。

二、几种运输方式的比较

1 管道输气是最主要方式，适应范围广，特别适用于长距离、大运量运输。

2 具备海运条件,运距很长,LNG优于管道。超过7000 km时,惟一经济运输方式。

3 LNG,CNG内陆运输是管道有益补充,主要适用于运量较小和分散供气的情况。

4天然气水合物NGH输送方式的技术不十分成熟，但具有发展前景

三、管输天然气储运系统

天然气储运系统是由气田集输管网、气体净化与加工装置、输气干线、输气支线以及各种用途的站场所组成。它是一个统一的、密闭的水动力系统。如下图所示。