輸氣管道設(shè)計(jì)與管理 (2)

1氣田氣：從地層內(nèi)開發(fā)生產(chǎn)出來的、可燃的烴和非烴混合氣體，這種氣體有的是基本上以氣態(tài)形式從氣井中開采出來的，稱為氣田氣2油田伴生氣：有的是隨液態(tài)原油一塊兒從油井中開采出來的，稱為油田伴生氣3習(xí)慣上把這兩類氣體都稱為天然氣。氣田氣60%和油田伴生氣40%4天然氣熱值很高33MJ/m5天然氣的有那些優(yōu)點(diǎn)？利用天然氣作燃料與煤相比有那些優(yōu)越性？ 干凈、清潔、使用方便、燃料效率高比較價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)6天然氣的主要成分是甲烷，及少量的乙烷，丙烷，丁烷等。7煤層氣、油頁巖、油砂是我國常規(guī)石油資源的重要補(bǔ)充，對(duì)提高我國油氣資源的保障能力將起到重要作用。煤層氣俗稱“瓦斯”，其主要成分是CH4（甲烷），是主要存在于煤礦的伴生氣體，也是造成煤礦井下事故的主要原因之一。油頁巖，又稱油母頁巖，一種高礦物質(zhì)的腐泥煤，為低熱值固態(tài)化石燃料。色淺灰至深褐，含有機(jī)質(zhì)和礦物質(zhì)；有機(jī)質(zhì)的絕大部分不溶于溶劑，稱油母。油頁巖是人造石油的重要原料。經(jīng)低溫干餾可得頁巖油、干餾氣和頁巖半焦。所謂油砂，實(shí)質(zhì)上是一種瀝青、砂、富礦黏土和水的混合物，其中，瀝青含量為10%12，砂和黏土等礦物占80%85，其余3%5是水。 8 2010年需求量將達(dá)到1000億立方米，而缺口在200億立方米左右，2020年求量將達(dá)到2000億立方米，而缺口在1000億立方米左右9我國天然氣發(fā)展策略：立足國內(nèi)、利用海外、西氣東輸、海氣登陸、北氣南下、就進(jìn)共應(yīng)、走國內(nèi)生產(chǎn)與國外進(jìn)口相結(jié)合的液化天然氣發(fā)展道路10天然氣水合物是21世紀(jì)的新能源。1m3天然氣水合物的能量相當(dāng)于164m3天然氣的熱值11輸氣系統(tǒng)的組成：礦場集氣管網(wǎng)、干線集氣管網(wǎng)、城市配氣管網(wǎng)和這些管網(wǎng)相匹配的的站、場裝置組成12氣田集氣從井口開始，進(jìn)分離、計(jì)量、凈化、和集中處理等一系列過程，到向干線輸氣為止13干線輸氣管: 從輸氣首站至管線的終點(diǎn)配氣站，中間可能還設(shè)有若干壓氣站.主要是線路和壓氣站。14儲(chǔ)氣庫一般都設(shè)在城市附近，以調(diào)節(jié)輸氣的與供氣之間的不平衡 15氣體可壓縮性對(duì)輸氣和儲(chǔ)氣的影響：（1）上、下站輸量不等時(shí)，壓力變化較平緩（2）輸氣管中體積流量沿管長而改變，起始Q小，終點(diǎn)Q大。（3）輸氣管末段儲(chǔ)氣，末段比中間站間管段長，可調(diào)節(jié)供氣和利用氣量間的不平衡，相當(dāng)于一個(gè)儲(chǔ)氣設(shè)備。（4）停輸后管內(nèi)壓力的變化，發(fā)生壓力均衡。 16輸氣管道的發(fā)展趨勢(shì)：（1） 向大口徑、高壓力方向發(fā)展（條件是天然氣后備儲(chǔ)量很大） 采用高強(qiáng)度、高韌性、直縫鋼管，以節(jié)省鋼材 管內(nèi)壁涂敷有機(jī)樹脂涂層 （ 聚酰胺環(huán)氧樹脂，無溶劑環(huán)氧樹脂）（4）向數(shù)字化管道方向發(fā)展17按天然氣的烴類組成分類：根據(jù)天然氣中C5以上烴類液體的含量多少，用C5界定法劃分為干氣和濕氣。干氣：指在1Sm3井口流出物中， C5以上烴類液體含量低于13.5mcm3的天然氣。濕氣：指在lSm3井口流出物中， C5以上烴類液體含量高于13.5mcm3的天然氣。貧、富氣的劃分 C3界定法，貧氣：指在1Sm3井口流出物中，C3以上烴類液體含量低于100cm3的天然氣。富氣：指在lSm3井口流出物中，C3以上烴類液體含量高于100cm3的天然氣。 按酸氣含量分類：按酸氣含量多少，天然氣可分為酸性天然氣和潔氣18在工程上用壓縮因子Z來表示真實(shí)氣體與理想氣體PVT特性的差別。20氣體的粘度隨著溫度的升高而加大，與液體的粘度隨溫度升高而降低不同。隨著壓力升高，氣體的性質(zhì)逐漸接近液體，溫度對(duì)粘度的影響，也越來越接近于液體。21絕對(duì)濕度：每立方米濕天然氣中所含有的水蒸氣量。單位為kg/m3或g/m3。22. 濕天然氣：天然氣在地層中與地下水接觸，因此采出的天然氣中有水蒸氣，此混合物稱濕天然氣。23飽和時(shí)的絕對(duì)濕度：由于水的飽和蒸氣壓是溫度的函數(shù)，所以飽和時(shí)的絕對(duì)濕度Wa0也只隨溫度而變化（表1-16），從表中可以看出，隨溫度T的，P0 和絕對(duì)濕度24真實(shí)氣體的焓不但與溫度有關(guān)，也與壓力有關(guān)。所以對(duì)于真實(shí)氣體，節(jié)流以后壓力下降，通常也造成溫度下降，這稱為節(jié)流的正效應(yīng)當(dāng)氣體的節(jié)流前溫度T1，超過最大轉(zhuǎn)變溫度（約為臨界溫度的4.856.2倍）時(shí)，節(jié)流后壓力下降，會(huì)造成溫度上升，這稱為節(jié)流負(fù)效應(yīng)25氣體在流道中經(jīng)過突然縮小的斷面（如管道上的針形閥、孔板等），產(chǎn)生強(qiáng)烈的渦流，使壓力下降，這種現(xiàn)象稱為節(jié)流。如果在節(jié)流過程中氣體與外界沒有熱交換，就稱為絕熱節(jié)流。節(jié)流以后，流速增大，但總的說來，動(dòng)能變化不大，可近似認(rèn)為節(jié)流前后氣體的焓不變，即 H1=H2但節(jié)流不是等焓過程。雖然節(jié)流起、終點(diǎn)焓值基本不變，但氣體的壓力回復(fù)不到原來的壓力，p2<p1，氣體具有的能量的品質(zhì)降低了，作功能力減少了，是不可逆過程。真實(shí)氣體的焓不但與溫度有關(guān)，也與壓力有關(guān)。所以對(duì)于真實(shí)氣體，節(jié)流以后壓力下降，通常也造成溫度下降，這稱為節(jié)流的正效應(yīng)。當(dāng)氣體的節(jié)流前溫度T1，超過最大轉(zhuǎn)變溫度（約為臨界溫度的4.856.2倍）時(shí)，節(jié)流后壓力下降，會(huì)造成溫度上升，這稱為節(jié)流負(fù)效應(yīng)。節(jié)流效應(yīng)又稱為焦耳湯姆遜效應(yīng)。溫度下降的數(shù)值與壓力下降數(shù)值的比值稱為節(jié)流效應(yīng)系數(shù)，又稱焦耳湯姆遜效應(yīng)系數(shù)，即節(jié)流效應(yīng)系數(shù)的意義是：下降單位壓力時(shí)的溫度變化值，它隨壓力、溫度而變。26在氣田上，壓力較高，天然氣的節(jié)流效應(yīng)系數(shù)一般為34/MPa。干線輸氣管上，壓力較低，一般為2.03.0 /MPa。27天然氣主要雜質(zhì)及危害從地層中開采出來的天然氣往往含有砂和混入的鐵銹等固體雜質(zhì)，以及水、水蒸氣、硫化物和二氧化碳等有害物質(zhì)。砂、鐵銹等塵粒隨氣流運(yùn)動(dòng)，磨損壓縮機(jī)、管道和儀表的部件，甚至造成破壞水積聚在管道低洼處，會(huì)減少管道輸氣截面，增加輸氣阻力，水又能在管內(nèi)壁上形成一層水膜，遇酸性氣體（H2S，CO2等）形成酸性水溶液，對(duì)管內(nèi)壁腐蝕極為嚴(yán)重，是造成輸氣管道破壞的重要原因之一水在一定溫度和壓力條件下還能和天然氣中的某些組分生成冰雪狀水合物（如CH4·6H2O等），造成管路冰堵。天然氣中的硫化物分為兩種1）有機(jī)硫化物；2）無機(jī)硫化物。無機(jī)的主要是硫化氫（H2S）,有機(jī)的主要是二硫化碳（CS2）、硫氧化碳（COS）等。H2S及其燃燒產(chǎn)物（SO2）都具有強(qiáng)烈刺鼻氣味，都是劇毒氣體?？諝庵辛蚧瘹浜看笥?10mg/m3（體積分?jǐn)?shù)約0.06%）時(shí)，人呼吸一小時(shí)就會(huì)嚴(yán)重中毒。當(dāng)空氣中含有0.05（體積分?jǐn)?shù)）二氧化硫時(shí)，呼吸短時(shí)間就會(huì)有生命危險(xiǎn)。硫化氫和二氧化碳還是一種腐蝕劑，尤其有水存在時(shí)更是如此。含有硫化物的天然氣作為化工原料很容易使催化劑中毒，生產(chǎn)無法進(jìn)行，生成的成品質(zhì)量也不好。天然氣輸送系統(tǒng)中的液體和固體雜質(zhì)主要來自三方面：（1）采氣時(shí)井下帶來的凝析油、凝析水、巖屑粉塵；（2）管道施工時(shí)留下的臟物和焊渣；（3）管內(nèi)的銹屑和腐蝕產(chǎn)物。28幾種常用的分離器：重力式分離器、旋風(fēng)分離器、多管旋風(fēng)分離器29含水量較多的天然氣在長距離輸送過程中，常常發(fā)生下列問題：（1）水氣與天然氣的某些組分生成冰雪狀的水合物，堵塞管道和儀表；（2）凝結(jié)水積聚在管道的低洼部分，降低管道的輸氣能力，增加動(dòng)力消耗；（3）酸性氣體，如H2S、CO2溶于水中，造成內(nèi)壁腐蝕。30天然氣工業(yè)中常用地脫水方法有三類：低溫分離、固體干燥劑吸附、液體吸收法31天然氣含H2S多少的分類。天然氣按含H2S和CO2的多少可分為四類：1）無硫或微含硫天然氣 H2S和CO2含量符合管輸要求，不需凈化；2）低含硫天然氣 H2S體積分?jǐn)?shù)為0.00010.5；3）中含硫天然氣 H2S體積分?jǐn)?shù)為11.5，CO2體積分?jǐn)?shù)為68；4）高含硫天然氣 H2S體積分?jǐn)?shù)為48。氣體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，沿著氣體流動(dòng)方向，壓力下降，密度減小，流速不斷增大，溫度同時(shí)也在變化。在不穩(wěn)定流動(dòng)（非定常流）的情況下，這些變化更為復(fù)雜、激烈。描述氣體管流狀態(tài)的參數(shù)有四個(gè)：壓力p、密度、流速w和溫度T。為求解這些參數(shù)有四個(gè)基本方程:連續(xù)性方程、運(yùn)動(dòng)方程、能量方程和氣體狀態(tài)方程。32連續(xù)性方程的基礎(chǔ)是質(zhì)量守恒定律33水力計(jì)算的目的： 研究一定的輸氣管的流量與壓力之間的關(guān)系設(shè)計(jì)和生產(chǎn)上通常采用的是工程標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（壓力p0=1.01325×105Pa，溫度T0293K）下的體積流量。為使用方便，必須將質(zhì)量流量M換算成工程標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量Q34當(dāng)輸氣管線路上有高于或低于起點(diǎn)高程200m以上的地段時(shí)，就應(yīng)該考慮高差和地形起伏對(duì)輸氣管輸氣能力的影響。35p107圖 縱斷面線高于水平線的地方，面積取正值，低于水平線的面積取負(fù)值。由（4-16）可以看出，當(dāng)其它條件相同時(shí)，面積的代數(shù)和F比較小的輸氣管，有較大的輸氣能力。輸氣管1-2-3-4的輸氣能力小于長度一樣、管徑一樣的輸氣管1-5對(duì)于輸氣管，不但象輸油管一樣，起終點(diǎn)高差對(duì)輸送能力存在影響，而且還存在輸油管上所沒有的沿線地形起伏對(duì)輸送能力的影響。該影響是由于輸氣管起點(diǎn)的氣體密度大于終點(diǎn)的氣體密度，整條管線的氣體密度逐漸降低造成的上式說明輸氣管的通過能力與管徑的2.67次方成正比。36 即輸量與長度的0.5次方成反比。若站間距縮小一半，例如在兩個(gè)壓氣站之間增設(shè)一個(gè)壓氣站，L2=1/2L1，輸氣量與起、終點(diǎn)壓力平方差的0.5次方成正比，改變起、終點(diǎn)壓力都能影響流量，但效果是不同的37簡單管：直徑不變、流量一致的單一管道稱為簡單管所謂標(biāo)準(zhǔn)管就是p1、p2、L、*、Z和T都與要計(jì)算的復(fù)雜管相同，而管徑D0為某一標(biāo)準(zhǔn)值（一般取D0=1m）的輸氣管。38副管鋪在管道的前段、中間或尾部對(duì)改變流量和終點(diǎn)壓力的影響是一樣的。從節(jié)約金屬的觀點(diǎn)來看，鋪在壓力較低的尾部較好。改變相同的p時(shí)，提高起點(diǎn)壓力對(duì)流量增大的影響大于降低終點(diǎn)壓力的影響。提高起點(diǎn)壓力比降低終點(diǎn)壓力有利。變徑管是提高流量或終點(diǎn)壓力的措施之一39從平均溫度公式可知，T0愈高，Tpj也愈高。而計(jì)算輸氣管流量時(shí)， Tpj愈高，流量就愈小，因此，應(yīng)選擇夏季的T0作為水力計(jì)算的依據(jù)40水合物又稱水化物，是天然氣中某些組分與水分在一定溫度壓力條件下形成的白色結(jié)晶，外觀類似密致的冰雪，密度為0.880.90g/cm3。研究表明，水合物是一種籠形晶格包絡(luò)物，水分子借氫鍵結(jié)合形成籠形結(jié)晶，氣體分子被包圍在晶格之中。41水合物有三種結(jié)構(gòu)低分子的氣體（如CH4，C2H6，H2S）的水合物為體心立方晶格，較大的氣體分子（如C3H8，iC4H10）則是類似于金剛石的晶體結(jié)構(gòu)。僅出現(xiàn)在正丁烷（n-C4）以上的大分子氫烴組分形成的水合物中，為一般六面體結(jié)構(gòu)。42形成水合物的條件有三：（1）天然氣中含有足夠的水分；（2）一定的溫度與壓力；（3）氣體處于脈動(dòng)、紊流等激烈擾動(dòng)之中，并有結(jié)晶中心存在。這三個(gè)條件，前二者是內(nèi)在的、主要的，后者是外部的、次要的。43防止水合物的形成不外乎破壞水合物形成的溫度、壓力和水分條件，使水合物失去存在的可能。這類方法很多，主要有：1.加熱 2.降壓3.添加抑制劑 4.干燥脫水44輸氣站是長距離輸氣管道的兩大組成部分之一。它的任務(wù)是進(jìn)行氣體的調(diào)壓、計(jì)量、凈化、加壓和冷卻，使氣體按要求沿著管道向前流動(dòng)壓縮機(jī)和壓縮機(jī)車間是輸氣站的核心設(shè)備和建筑，故輸氣站又稱為壓氣站。輸氣管上第一個(gè)輸氣站通常建于氣田附近，它是輸氣管的起點(diǎn)，又稱為首站。第二個(gè)壓氣站開始稱為中間壓氣站，它的位置和站間距由工藝計(jì)算決定，站間距一般為110200Km。輸氣管的最后一個(gè)輸氣站即干線管道的終點(diǎn)城市配氣站，它也是一個(gè)調(diào)壓計(jì)量站。增壓站建在有地下儲(chǔ)氣庫的地方，其用途是從干線輸氣管道中把天然氣壓送到地下儲(chǔ)氣庫，或從地下儲(chǔ)氣庫中抽出天然氣，將其送入干線干線輸氣管或直接將天然氣送給用戶。與中間壓氣站相比，增壓站的壓力比比較高（24），對(duì)從地下儲(chǔ)氣庫出來的天然氣要進(jìn)行完善的處理，以除去天然氣帶出來的各種雜質(zhì)。45當(dāng)流量小于最小流量時(shí)，即Q1Qmin，壓縮機(jī)將發(fā)生喘振現(xiàn)象，壓縮機(jī)嚴(yán)禁在這種情況下運(yùn)行，最小流量Qmin即為喘振流量?；蛘吡魉匐m未達(dá)到音速，但葉輪對(duì)氣體作的功全部用于克服流動(dòng)損失，氣體壓力并不升高，最大流量Qmax又稱滯止流量。46喘振是離心壓縮機(jī)本身固有的特性。在選用離心壓縮機(jī)時(shí)，排量選得過于富裕是無益的。47一個(gè)壓氣站有多臺(tái)壓縮機(jī)共同工作，相互間根據(jù)需要有的并聯(lián)、有的串聯(lián)，或者并聯(lián)、串聯(lián)聯(lián)合使用，多臺(tái)壓縮機(jī)聯(lián)合工作的特性就是壓縮機(jī)站的特性。離心壓縮機(jī)并聯(lián)工作的主要目的是增加流量離心壓縮機(jī)串聯(lián)工作的主要目的是增加壓力無論是并聯(lián)或是串聯(lián)都得到形式上完全相同的壓縮機(jī)特性方程48末端儲(chǔ)氣：干線輸氣管末段的起點(diǎn)就是最后一個(gè)壓氣站的出口，終點(diǎn)就是城市配氣站的進(jìn)口，終點(diǎn)壓力就是城市配氣站進(jìn)站壓力。終點(diǎn)流量就是配氣站向城市的供氣量。末段終點(diǎn)壓力的變化，實(shí)際上只對(duì)最后一個(gè)壓氣站的進(jìn)出站壓力產(chǎn)生影響，對(duì)輸氣管的系統(tǒng)流量并沒有什麼影響?？烧J(rèn)為最后一個(gè)壓氣站是以不變的流量向末段供氣。即末段起點(diǎn)的流量是不變的。49輸氣管末段的氣體處于不穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)，為簡化起見，下面的討論與計(jì)算是以穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)為基礎(chǔ)的，以連續(xù)替換法作近似計(jì)算，計(jì)算結(jié)果其儲(chǔ)氣能力比實(shí)際小1015%。還應(yīng)指出：除末段外，其它管段只要存在壓力變化也就有儲(chǔ)氣能力，但沒有末段那樣明顯而已。50在進(jìn)行壓氣站的布置時(shí)需要考慮的問題：為充分利用地層能量可以省去首站；注意末段儲(chǔ)氣的要求；使運(yùn)行壓力接近管線承壓；對(duì)于初期流量較小的管線，應(yīng)分期建造壓氣站。51壓氣站布置愈是接近輸氣管的起點(diǎn)，輸氣管的輸氣能力就愈大。因?yàn)榈谝?，壓氣站向起點(diǎn)移動(dòng)時(shí)，進(jìn)站壓力增高，壓縮機(jī)進(jìn)口條件下的流量變小，壓力比要增大，若保持壓力比不變，則可增大輸氣能力；第二，壓氣站向前移動(dòng)之后，站間平均壓力增高，平均流速下降，克服摩阻所需的能量減小，允許站間通過能力進(jìn)一步提高。52預(yù)先固定某些站址的壓氣站布置：際工作中，由于地形、地質(zhì)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展各方面的需要，往往事先規(guī)定某些站的位置。剩下的問題就是如何布置其余的壓氣站53增加輸氣管的輸氣能力：當(dāng)一條輸氣管的最高工作壓力已達(dá)到管路強(qiáng)度允許的最大值時(shí)，提高輸氣能力實(shí)際上只有兩個(gè)辦法：在站間鋪設(shè)副管；增建新的壓氣站；例題1-1 求運(yùn)行的輸氣管的氣體體積（工程標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)：p101325Pa，T0293.15K）已知輸氣管長125km，內(nèi)徑700mm，平均壓力為44.13×105Pa，溫度為5，氣體的體積分?jǐn)?shù)是：甲烷97.5，乙烷0.2，丙烷0.2，氮1.6，二氧化碳0.5。解：1.求氣體的視臨界參數(shù)pcmyipci44.85×105Pa TcmyiTci 191.16K2. 求對(duì)比態(tài)參數(shù)pr 0.984 Tr 1.4553. 查圖1-1得 Z0.894. 求氣體體積輸氣管容積 V1 × 0.72 ×125000= 48081.25m3注：Z1V0pV0ZmRTp1V1Z1mRT12479784m3高壓下定壓比熱與定容比熱之差為