天然气长输管道课程设计

天然气长输管道课程设计

一、设计任务

本设计所设计的中原油田至河北沧州输气管线：

（1）管线全长800千米，年输气量为7×1083

m/a（此流量为常温常压下的

流量

00.101325,293

P MPa T K

==）；

（2）以全线埋深1.45m处年平均地温14.7℃作为输气管道计算温度，最低

气温：-5℃。平均温度

pj

T=273+14.7=287.7K；

（3）各站自用系数（1-M）=0.6 %；

（4）沿线无分输气体；

（5）管道全线设计压力6.0Mpa，气源进站压力5.0Mpa，进配气站压力1.8 Mpa（最高可到4.0Mpa），站压比宜为1.2~1.5，站间距不宜小于100km；

（6）城市用气月、日、时不均衡系数均为1.09；

（7）年输送天数350天；

（8）管道平均总传热系数：取1.75W/m2.℃；

（9）管内壁粗糙度：取30μm；

（10）地震基本烈度：6—7度；

（11）天然气容积成分(%)：

CH4 C2H6 C3H8 C4H10 CO2 N2

89.6 5.0 3.5 1.2 0.5 0.20

二、设计任务要求

完成本工程的基本设计文件，包括：说明书，计算书，线路走向图，站场平面布置图及工艺流程图；论文撰写要符合一般学术论文的写作规范，具备学术性、科学性和创造性等特点。应语言流畅、准确，层次清晰、文字详略得当、论点清楚、论据准确、中心突出、材料翔实、论证完整、严密，并有独立的观点和见解。

要求：

1、达到一定的设计深度要求；

2、初步掌握主要设备的选型；

3、熟悉并熟练应用常用工程制图软件；

4、熟悉储运项目设计程序步骤；

5、掌握储运项目常用标准规范；

6、熟悉并掌握天然气长输管路工艺的计算方法；

7、掌握长输管道站场的工艺流程图和平面布置图；

8、初步掌握站场管线安装设计；

9、通过与实际工程项目的结合，加深对所学知识的理解和认识。

10、书写设计说明书。

设计流程：

1、根据天然气的组成计算物理性质、热力性质和燃烧性质；

2、根据经济流速法或压差法确定管道直径，本设计全程采用统一管径，并

选取几组相应的壁厚参数；

3、用不固定站址法布站：首先确定根据储气量要求确定末段管道长度，根

据升压比、流量进行压缩机选型，并用最小二乘法计算压缩机特性系数，

确定平均站间距，得到压缩机站数，并取整；

4、计算管道壁厚；

5、对几种运输方案进行经济性比较；

6、对管道进行强度、稳定性等校核。

三、主要参考文献与相关标准

[1] 姚光镇主编．输气管道设计与管理．东营：石油大学出版社．1991.6

[2] 《天然气长输管道工程设计》，石油大学出版社（以下简称《手册》）

[3] 冯叔初等．油气集输．东营：石油大学出版社．2002.7

[4] 王志昌主编．输气管道工程．北京：石油工业出版社．1997．4

[5] 李长俊主编．天然气管道输送．北京：石油工业出版社．2000．11

[6] 王树立等，输气管道设计与管理，北京：化学工业出版社.2006.1

设计标准

《输气管道工程设计规范》GB50251-2003

《石油天然气工程设计防火规范》GB50183-2004

《原油和天然气输送管道穿跨越工程设计规范穿越工程》SY/T0015.1-98

《输油（气）埋地钢质管道抗震设计规范》SY/T0450-2004

《石油天然气工业输送钢管交货技术条件第1部分：A级钢管》GB/T9711.1-1997 《石油天然气工业输送钢管交货技术条件第2部分：B级钢管》GB/T9711.2-1999 《石油天然气工业输送钢管交货技术条件第3部分：C级钢管》GBT 9711.3-2005 《管道干线标记设置技术规定》SY/T6064-94

《中华人民共和国安全生产法》主席令第70号（2002）《中华人民共和国环境保护法》主席令第22号（1989）《中华人民共和国水土保持法》主席令第49号（1991）《石油天然气管道保护条例》国务院（2001）

《碳钢药皮电弧焊焊条》AWS.A5.1

《低合金钢药皮电弧焊焊条》AWS.A5.5

《碳钢药芯电弧焊焊丝》AWS.A5.20

《低合金钢药芯电弧焊焊丝》AWS.A5.29

《管道下向焊接工艺规程》SY/T4071-93

《石油地面工程设计文件编制规程》SY0009-2004

《石油天然气工程制图标准》SY/T0003-2003

施工及验收标准

《输油输气管道线路工程施工及验收规范》SY0401-1998

《石油和天然气管道穿越工程施工及验收规范》SY/T4079-1995

《石油天然气金属管道焊接工艺评定》SY/T0452-2002

《钢质管道焊接及验收》SY/T4103-1995

《石油天然气钢质管道对接焊缝超声波探伤及质量分级》SY4065-93

《石油天然气钢质管道对接焊缝射线照相及质量分级》SY4056-93

《管道防腐层补口绝缘密封性试验方法标准》SY/T0074-93

《石油建设工程质量检验评定标准输油输气管道线路工程》SY/T0429-2000

《石油建设工程质量检验评定标准管道穿跨越工程》SY/T 4104-95

四、工艺计算

4.1天然气物性参数

各组分物性参数具体数据可参考《输气管道设计与管理》表2-3或设计手册表2-2-3及表2-2-4。

（此处按照设计手册计算）

4.1.1天然气平均分子量

1、平均分子量M

M=Mi Yi?

∑

=16.043×89.6%+30.07×5.0%+44.097×3.5%+58.124×1.2%+44.01×0.5%+28.0134×0.2%=18.395

其中M——平均分子量；

Mi——第i组分的分子量；

Yi——第i组分的摩尔组成；

或参阅《输气管道设计与管理》公式2-7

4.1.2天然气临界温度压力、对比温度压力

1、视临界压力Pc视临界温度Tc

∑

Pc Pci yi

=?

=4.544*89.6%+4.816*5%+4.194*3.5%+3.747*1.2%+7.29*0.5%+3.349*0.2%=4.547 MPa

∑

Tc Tci yi

=?

=190.55*89.6%+305.43*5%+369.82*3.5%+425.16*1.2%+304.19*0.5%+126.1*0.2 %=205.849K

其中Tci、Pci——分别为第I组分的临界温度和临界压力；

yi——第I组的摩尔组成；

2、对比压力P r对比温度Tr

Pr P Pc ==6÷ 4.607=1.319 Tr T Tc ==287.7÷205.823=1.398 其中 P ——平均压力；

T ——平均温度；

4.1.3天然气粘度

参阅《输气管道设计与管理》公式2-70，可得常压下混合气体的动力粘度。温度和压力对粘度的影响可以参，照公式2-69和图2-3计算得出；或者参照《设计手册》P107页内容。

此处按照《天然气长输管道工程设计》P107页计算。（即《油气集输》P101页）

μ=∑(μi y i M i 0.5)/ ∑(y i M i 0.5)= 1.028E-05 毫帕·秒

式中 μ——天然气粘度，毫帕·秒；

μi ——i 组分的动力粘度

M i ——i 组分的相对分子量

y i ——i 组分的摩尔分数

4.1.4定压摩尔比热容Cp

参阅《油气集输》中有关定压摩尔比热容的计算公式如下

天然气的定压比热容与其组成、压力、温度有关，可按下式计算：

(此处按照《油气集输》P103页（2-23）式计算)

425 1.124 5.0813.190.0920.624100.996(10)(100)Cp T T M p T --=+-?+?= 2.1504千焦/（摩尔·K ）

Cp=13.19+0.092T-6.24*10∧-5T 的二次方+(1.915*10∧11Mg p 的1.124)/T 的5.08次方= 43 (此处为书上公式)

其中 Cp ——天然气的定压摩尔比热，千焦/（摩尔·K ）；

T ——天然气的温度；

p ——压力，帕；

或参阅《输气管道设计与管理》公式2-97、2-98，表2-12.

4.1.5混合气体的密度

（1）混合密度

可参考《输气管道设计与管理》公式2-65

0i i

i i Y M YV ρ=∑∑

=(16.043*89.6%+30.07*5.0%+44.097*3.5%+58.124*1.2%+44.01*0.5%+28.0134*0.2% )/( 22.363*89.6%+22.182*5%+21.89*3.5%+21.421*1.2%+22.262*0.5%+22.403*0.2%)= 0.823867Kg/立方米

式中：i M ——i 组分的百分含量；

i Y ——i 组分的摩尔分数；

i V ——i 组分的摩尔体积。

（2）相对密度

可参考《输气管道设计与管理》公式2-66

i i

Y M Ma *?=∑

=(16.043×89.6%+30.07×5.0%+44.097×3.5%+58.124×

1.2%+44.01×0.5%+28.0134×0.2%) /28.964=0.635

式中：i M ——i 组分的摩尔质量；

i Y ——i 组分的摩尔分数；

Ma ——空气摩尔质量。

（3）压缩因子

计算方法1：可参考《设计手册》2-2-9、2-2-10，可由表2-2-6查表得出或查图2-2-2求得压缩系数，或者查阅《输气管道设计与管理》图2-1：

c i ci p y p =∑

c i ci T y T =∑

223Z pj Q Q Z P P P P P ??=+??+??

?? 对比压力 r pc

P P P = 对比温度 pj

r c

T T T = 式中： c P ——临界压力； Mpa

c T ——临界温度 ； K

i y ——i 组分的摩尔分数 ； %

i M ——i 组分的摩尔质量； /g mol

ci P ——i 组分的临界压力； Mpa

ci T ——i 组分的临界温度。 K

计算方法2：压缩因子也可其他由经验公式求得，其他公式可参考《输气》（石油大学版）1-18~1-19或《设计手册》2-2-9~2-2-14 （P59） 查表、查图或通过经验公式计算得出

668.34273.01--=r r T P Z =0.8349

4.1.6 天然气的热导率

参阅《输气管道设计与管理》公式2-116和表2-14、2-15等相关公式；参阅《设计手册》P113页

4.1.7 天然气的热值、华白数、燃烧势、爆炸极限

参阅《输气管道设计与管理》第二章第六节，或者参阅《设计手册》P101页相关内容计算。

华白数 W s =H s /△0.5=37916.202/0.6350.5=47581.482 千焦/立方米

此处按照《输气管道设计与管理》54页计算

H 的0次方=∑yiHi 的0次方

=32829*89.6%+69759*5%+99264*3.5%+128269*1.2%+0*0.5%+0*0.2%

=37916.202 （大热值）

=35807*89.6%+63727*5%+91223*3.5%+118577*1.2%+0*0.5%+0*0.2%

=39885.151 （小热值）

H=H 的0次方/Z

=37916.202/0.837=45300

=39885.151/0.837=47652.51

式中 Hi 的0次方-----i 组分的理想状态下的热值，千焦/立方米；

H 的0次方-----理想状态下混合气体的热值。千焦/立方米；

Z-------标准状态下燃气的压缩因子。

4.2管径的确定

根据经济流速，可求得管道内径D ，查阅《设计手册》P203-226页，或查阅GB9711.3-2005，可参考《输油管道设计与管理》附录1，可选取两种尺寸相近的管道，并选取相应壁厚。

经济流速：长输管道经济流速是3~7m/s ；场站内的架空管道流速范围为15~30m/s ，这个数据的出处是DL/T 5174-2003 《燃气-蒸汽联合循环电厂设计规定》。站内管道小于2公斤压力的10~15m ，大于的，可以做到15~30m ，但在设计过程中，一般天然气站场流速按8~12m/s 控制。

流量 Q=GZ/T=7*108*0.8349/350*24*3600=19.326

直径 d=(4Q/πv)0.5=（4*16.64/3.14*30）0.5=0.9058

4.3水力计算

1）根据4.2选取的管径分别计算混合气体雷诺数，可由《输气》公式4-17、《手册》公式（2-4-6）求得。

2）计算出雷诺数后，判断流体流动状态，然后再由水力摩阻系数相关公式（2-4-9）~（2-4-11）确定摩阻系数。

3）部分有关公式如下

1、雷诺数可按下式计算：

4Re wd Q v dv π=

= 又有 ,s a s

v μρρρ=

=? 所以

4Re 1.534a s s Q Q d d ρπμμ??==(此处改为1.536) =1.534*19.326*0.635/0.9364*1.02859*10-5=1.9545*106

其中 Re ——雷诺数；

s Q ——工程标况下的体积流量，2/m s ；

a ρ——空气的密度，取31.205/a kg m ρ=；

s ρ——工程标况下的密度，3/kg m ；

?——天然气对空气的相对密度；

d ——输气管的内径，m

μ——天然气的粘度，Pa s ?

根据雷诺数可判断天然气的流态

（1） Re<2000 层流；

（2） Re 〉3000 紊流；

工作区可按以下两个临界雷诺数公式来判断：

187

59.7Re (2)K d = =59.7/(2*30*10-3/936.4)8/7=3.701*106

2 1.511Re (2)

K d = =11/(2*30*10-3/936.4)1.5=2.145*107

其中 K ——馆内壁的当量粗糙度，mm

当 Re <1Re 为水力光滑区；

当 1Re

当 Re >2Re 为阻力平方区；

2、水力摩阻系数λ

（1）层流区摩阻系数按下式计算

λ=0.3164/Re 0.25=0.3164/(1.9545*106)0.25

=8.46*10-3

（2）临界过渡区的摩阻系数按下式计算

λ=（3）紊流区摩阻系数按下式计算

2.011lg(

3.7065k d =-或其他经验公式

4.4布站计算

4.4.1 站间管道特性公式

由《输气》公式6-9改写为 ： 222Q Z P P CLQ -= 式中P Q ——最高操作压力， pa ；

P z ——进口压力， pa ；

L ——管线长度 ， m ；

Q ——气体流量 ， m 3/s 。

其中系数C 由下列算得 250Z T

C C d λ?=

43.12105

9364.0203848.07.287635.08349.031046.8=∧?∧???-∧?= 式中λ——摩阻系数；

Z ——压缩因子；

?——天然气相对密度；

T ——温度； K

0C ——取0.03848

d ——管道直径(内径)，m ；

4.4.2布站计算

1、不固定站址法

2、首先参考《输气管道设计与管理》P187页内容确定末段储气管道的长度，再参照第五节 压气站布置，按照中间分集气、不考虑地形起伏高差的压气站布置方法进行布站。

（1）确定管道末端储气长度L 1：

①确定设计要求的储气能力Vs ’，取日最大用气量的10%。

小时最大用气量的计算：

max 3max 2max 1..24365k K K Qy Q ?==h Nm /510035.109.109.109.124

3658107∧?=??=?∧? Q ——计算流量（Nm 3/h ）；

Qy ——年用气量（Nm 3/a ）；

K 1——月高峰系数

K 2——月高峰系数

K 3——月高峰系数

② 预定末段管道长度L ，确定P 1max 、P 2min ；

③ 根据4.3介绍的相关摩擦阻力系数计算公式，代入公式250Z T C C d λ?=

计算系数

C ；

④ 根据管道特性方程，改写为P 1min =22min 2Q cL P z +，和P 2max =22max 1Q cL P Z -，计算P 2max 、P 1min ；

取P 1max =5.5、P 2min =2

⑤ 计算平均压力P cpmin 和P cpmax ，

P cpmin =)(32min

2min 12min 2min 1P P P P ++ P cpmax =)(32max

2max 12max 2max 1P P P P ++ ⑥ 计算管道末段储气能力Vs ，并与要求的储气能力Vs ’相比较，如差别超过10%，重新预定末段管道长度L ，重复②-⑥步骤，直到相互接近为止。

利用管道末段储气是在夜间用气低峰时，燃气储存在管道中，这时管内压力增高，白天用气高峰时，再将管内储存的燃气送出。这是平衡小时不均匀用气的有效办法。末段储气能力暂采用稳定流动法做近似计算分析，参考《天然气长输管道工程设计》计算公式如下：

z m m L TZ T P P P d Vs 00min max 2)

(4?-?=π

22max 1max 2v z q KL P P -= 22min 2min 1v z q KL P P +=

52d C T

Z K ?=λ

???? ?

?++=m ax 2m ax 12m ax 2m ax 1m ax 32P P P P P m

???

? ??++=m in 2m in 12m in 2m in 1m in 32P P P P P m 式中： Vs ——末段储气能力，（m 3）；

d ——末段管线管径，（m ）；

P mmax ——末段储气结束时平均压力，（Pa ）；

P mmin ——末段储气开始时平均压力，（Pa ）；

P 0 ——标准状态下压力，10132.5Pa ；

T 0 ——标准状态下温度，293.15K ；

T ——末段储气时平均温度，（K ）；

Z ——末段储气压缩系数；

L z ——末段管线长度，（m ）；

q v ——输气流量，（m 3/s ）；

P 1max ——末段储气终了时的起点压力，（Pa ）； P 1min ——末段储气开始时的起点压力，（Pa ）； P 2max ——末段储气终了时的终点压力，（Pa ）； P 2min ——末段储气开始时的终点压力，（Pa ）； λ ——摩阻系数；

Δ ——天然气相对密度；

C ＝0.03848。

例： 取P 1max =5.5Mpa,P 2min =2.0Mpa,

取L Z =10Km 时

P 1min =22min 2Q cL P z + =24

2675.281043.1210)1012(??+?=20002499.7pa P 2max =22max 1Q cL P Z -=2

42675.28104.1210)105.5(??-?=5499090.3pa 计算平均压力

P cpmin =)(32min 2min 12

min 2min 1P P P P ++=)20025.220025.2(322

++

? =2.0013 Mpa

P cpmax =)(32max 2max 12

max 2max 1P P P P ++=)499

..55.55.55.5(322++?=5.4988Mpa

管道容积 V=23.68839364.010424=??π

m 3

储气能力

V S =????

??-1min 2max

00Z P Z P T p VT

cp cp =)

(min max 0

0cp cp p p p V -=6510)0013.24988.5(1001325.123

.23.6883?-??

=2.376×105m 3

10.0042.051048.25

10376,251048.212

1∠=∧?∧?-∧?=-V V V 满足要求。

（2）确定平均站间距

确定平均站间距A=5.49 B=4.231010?