陕京输气管道工程设计概况

陕京输气管道工程设计概况波3向梅三强宋德琦四川石油管理局勘察设计研究院向波等1陕京输气管道工程设计概况1天然气工业,19981816668摘要陕京输气管道是我国迄今最长的一条大口径天然气输气管道。该管线西起陕西,东至北京,全长约860KM,横跨陕西、山西、河北、北京三省一市。全线共穿跨越大型河流5条,中小型河流238次,大中型黄土冲沟15次,铁路15次,主干公路86次。设计中采用了SCADA系统实施全线的数据采集、远程控制和调度管理配备了先进的管理和运行软件,进行科学和优化运行管理采用的卫星通讯手段为工程提供了可靠、先进的传输通道在线检漏系统对管道进行实时在线监测,以提高管道运行的安全性先进的三层结构PE外防腐涂层提高了管道的防腐性能和使用寿命。全线设置有36座截断阀室,其中9座为远控阀室,各阀室均能在管道事故状态下紧急自动关闭同时还设置有阴极保护站9座,对全线实施保护。主题词陕甘宁地区北京输气管道管线设计自动控制防腐绝缘层阴极保护陕甘宁气田至北京输气管道工程以下简称陕京管道西起陕西省北部靖边县,东至首都北京。管道从西向东横跨陕西、山西、河北、北京三省一市共22个县、市、区。其设计压力为614MPA,全线采用660MM管道,设计年最大输送能力为20108M3。线路全长约860KM,其中在陕西省境内水平长度为28715KM,山西省境内为340KM,河北省境内为17112KM,北京市境内为4113KM。管道沿线经过平原52016KM,丘陵8819KM,河谷川台20915KM,山地21KM穿跨越大型河流5条,中小型河流共238次,大中型黄土冲沟15次,铁路16次,主干公路86次管沟土石方总量达518104M3。全线共设置线路截断阀室36座其中9座远控阀室。各阀室均能在管道事故状态下紧急自动关闭,以减少天然气损失和减轻次生灾害及缩短维护抢修时间。9座阴极保护站均设在工艺站场内,最大站间距为115KM。永定河采用沟埋方式穿越过河秃尾河采用定向钻方式穿越过河黄河采用悬索结构体系跨越过河。21线路工艺设计1推荐工艺方案通过对610、660、771三种管径,按最终输气量20108M3/A构成的数十种工况的工艺计算及优化,最终选用输气管道管径660MM,管道设计压力614MPA管道最大允许压力为614MPA管道起点最高压力6127MPA北京末站天然气进站压力大于或等于119MPA。2管道调峰能力采用长输天然气管道末段储气解决城市供气的部分调峰是世界上常用且较为经济合理的方式。根据北京市年平均日小时用气不均匀系数和月用气不均匀系数以及北京市各规划期内的年用气量计算的城市需要的年平均日调峰气量和季节调峰气量见表1。从表1中可以看出,城市所需的季节调峰气量很大,拟采用在北京市附近新建地下储气库解决。城市所需的年平均日调峰气量相对较小,经过工艺模拟计算,本输气管道可采用管道末段储气满足北京市正常日调峰的需要。线路设计11大型河流穿跨越设计陕京管道共穿跨越无定河、秃尾河、窟野河、黄河、永定河5条大型河流。其中,无定河、窟野河、3向波,1963年生,高级工程师,1984年毕业于西南石油学院储运专业,一直从事于输油输气管道工程设计,是陕京输气管道工程项目负责人之一,曾获中国石油天然气总公司优秀青年设计师,现任四川石油管理局勘察设计研究院一室副主任。地址610017四川省成都市小关庙后街28号。电话0286747914转346。66储运与地面工程第18卷第1期天然气工业表1北京市需要调峰气量表自力强度在活动断层两侧过渡段外,分别设置自动截断阀室,以减轻当活动断层错位而造成管道破裂时,可能导致的次生灾害管道通过活动断层段采用弹性敷设和冷弯管,以增加管道的柔性对通过断层及过渡段的管道应加大管沟尺寸,并采用松散的无粘性砂土回填,以减少周围土壤对管道的约束。2湿陷性黄土地区管道的保护措施陕京管道大部分地处黄河中游的黄土地区,通过黄土地区长度为580KM,占管道全长67黄土覆盖厚度为870M,沟壑纵横地形破碎,平均沟壑密度为217KM/KM2,相对割切深度达100200M管道途径坡度大于10,斜坡段占5060。由于管道施工中对原始地貌及地表植被的破坏,管沟回填土难以达到原土密实度,因而造成水土流失,冲沟发育,沟壁垮塌,直接危及管道安全。针对这一管道建设新课题,管道通过湿陷性黄土地区,应强调七个环节的全过程保证体系设计思想。七个环节包括管道施工放线、管沟开挖、管沟回填、回填土的防护、地貌恢复、水工保护、生产维护管理。任何一个环节的疏忽都可能使黄土地区自然特性对管道存在的潜在危害转变为对管道的直接破坏。由于在湿陷性黄土地区施工中重视了上述各个环节,因此管道经受住了1996年和1997年两年大暴雨的考验。与此同时,针对湿陷性黄土地区的洞穴、冲沟、斜坡、特殊复杂地点等四种地形条件可能对管道产生的不利影响,采取了洞穴灰土填实,冲沟头部填实,冲沟顶部设置阻水墙,冲沟底部设置淤土坎,灰土回填沟底管沟,斜坡分段设置阻水墙,斜坡分段设置截水沟,设置截水沟散水、抗冲层,斜坡分段设置灰土挡土墙,对特殊复杂地点修建特殊构筑物及打桩等十种具体处理措施以保证管道安全。通过现场施工和实践证明,黄土地区管道的设计思想是正确的,所针对的处理对象是明确的,采取的工程处理措施是切实可行的。31管道强度设计1管道通过地震区的强度设计根据对地震期间地面运动的各种研究和记录,地震烈度与当地的地面运动参数存在下列关系,见表2。表2地震烈度与地面运动参数表经对管道通过地震烈度区采用最不利情况的抗震验算,本输气管道所通过的度及度以下烈度区时,管道是安全的。2管线用管确定管道强度计算采用ANSIB3118第841111节计算公式,根据管道所通过的不同地区等级分别计算管子壁厚。经强度计算,推荐X60为陕京管线管道用材。不同地区等级用管情况为级地区,660711MM级地区,660817MM级地区,6601013MM级地区,6601217MM。管道沿线地区等级的划分根据沿线的居民密集程度按设计规范的分级标准进行。本工程管道通过的、级地区均采用国产双面埋弧焊螺旋缝钢管,管道通过的、级地区及大型河流穿跨越均采用进口直缝埋弧焊钢管,用管质量均符合API5L标准。41管道通过特殊地段的处理措施1管道通过活动地震断裂带处理管道通过活动断层的处理措施为选择适宜的管道穿越活动断层位置使管线与断层走向有一个3070的理想交角,让埋地管道在断层错位作用下单纯受拉通过断层及过渡段的管道采用较大壁厚管子,并采用进口直缝焊钢管以提高管道管道防腐设计11外防腐涂层陕京管道采用三层结构PE涂层,该防腐涂层具有机械性能好、化学稳定性高、绝缘电阻高、抗人为损坏和运输损坏能力强、易于修补等优点,其寿命大于50年,是目前国际上占主导地位的管道外防腐层。6719942014CHINAACADEMICJOURNALELECTRONICPUBLISHINGHOUSEALLRIGHTSRESERVEDHTTP/WWWCNKINET地震烈度MSK1964分级最大速度M/S最大加速度M/S2010250105001100012000125015011002100管输气量108M3/A北京市用气量108M3/A年平均日调峰气量104M3季节调峰气量104M311152071015411759168914335048007200储运与地面工程天然气工业1998年1月21阴极保护陕京管道的阴极保护站均设在工艺站场内。阴极保护电流密度为15A/M2,阴极保护站站间距大于100KM。阴极保护站采用停电3S,供电12S的保护电位同步测试方法。保护电位以停电期间测得的管地电位为准,最大为1115V,最小为0185V。所有阴极保护站及带有远程终端RTU的线路截断阀室中,阴极保护所采集的数据都通过RTU传输至调度控制中心,同时调度控制中心也通过RTU控制所有阴极保护站的工作状态。北京调度控制中心能监控全线,3个输气处能监视全线输配情况。全线系统除调控中心外,可达到无人操作的运行管理水平。北京调控中心的主要功能为通过卫星通道向各RTU采集主要运行参数及状态,向各RTU发送遥控指令,通过站控ACS系统实施对站监控运行参数、状态显示,动态趋势显示,模拟流程显示运行事件、资料、数据存储和记录运行报表打印汉化,事故、事件报告打印数据处理、分析及运行调度决策指导系统运行的优化模拟预测管道系统运行的漏失监测及定位工程应用开发研究,系统运行模拟培训。自控系统配置UNIX操作系统软件及SCADA系统软件。按生产运行需要,以模块化方式配置管道系统应用软件。工艺站场设计陕京工程共设10座输气站场,3座计量站和7座中间清管站。北京末站在计量后设有减压装置,以保证下游供气系统不超过最高限定压力。站内主要控制阀均采用气动和电动阀门。三座计量站均可由RTU完成站内的自动控制和站内紧急自动截断,同时也可由北京调度控制中心通过监控与数据采集系统SCADA系统遥控RTU对站进行监控和数据采集,可实现无人操作。站内还设有可燃气体检测、电气设备监视、火灾检测等安全系统,以确保对事故的防范。设有7座中间清管站,用以清除管内杂质或残液,提高管道输送效率。利用清管装置发送和接收智能清管器检测输气管道的缺陷。清管站实行半自动清管流程,并兼设远控干线截断阀室功能。通信设计陕京管道工程通信系统为各站场与北京调度控制中心之间以及各站场之间提供SCADA数据传输、指挥调度语音通信、自动电话直拨,以及传真、图像等多种业务服务,由主用通信、备用通信、应急移动通信三部分构成。主用通信的主用路采用卫星通信手段,具有技术先进、可靠性高、投资省、建设周期短、维护方便等优点,适合于管道通信。备用通信使用邮电通信网PSTN网作为管道SCADA数据传输的第二路由。应急移动通信用以提高管道在紧急情况下的通信保障能力,其系统由6套车载机动式通信站组成,可在事故现场组成一个临时性无线通信网,并通过VSAT站与北京建立长途通信电路,提供电话、数据、传真、调度等业务。陕京输气管道是我国建成的陆上第一条长距离、高压、大口径、全线自动化生产及管理的输气干线工程,首次在国内采用了国际上先进的SCADA系统来实施全线的数据采集、远程控制和调度管理,配备了先进的管理、运行软件,为工程的科学管理和优化运行管理创造了条件首次在国内长输管道上采用卫星通信手段,为工程提供可靠和先进的传输通道首次在国内天然气管道采用检漏系统来对管道进行实时在线监测,及时发现泄漏的存在,提高管道运行的安全性首次在国内管道防腐中采用了先进合理的三层结构PE外防腐涂层,极大地提高了管道的防腐性能和寿命。陕京管线的成功经验,必将对我国管道工业的发展起十分重要的作用。自动控制设计陕京管道自动控制系统包括站场自动控制系统ACS及全线集中的SCADA系统。系统设计中采用新工艺、新技术设备,实施站的集中监控为本自动控制系统的基础。其系统规模为建立北京调度控制中心1座,沿线设3个区域监视终端。自动控制系统对象包括计量站3座二期有压气站、遥控阀室9个、中间清管站7座、RTU21个。11自动控制系统主要功能1站控制系统主要功能该功能包括与调度控制中心进行数据通信,站运行参数的集中检测,站流量、有关数据及分析处理,站运行压力及流量的调节与控制,站流程切换,站火警,气体漏失紧急截断系统监控,首、末站天然气水露点、硫化氢在线自动分析监控,首、末站天然气组分变化跟踪等。2SCADA系统主要功能68收稿日期1997210223编辑王瑞兰19942014CHINAACADEMICJOURNALELECTRONICPUBLISHINGHOUSEALLRIGHTSRESERVEDHTTP/WWWCNKINETNATURALGASINDUSTRY/JAN1998THEBEIJINGMUNICIPALITYTHROUGHAJOINTINVESTMENTTHETOTALLENGTHOFTHEPIPELINEIS918112KM,INWHICHTHEMAINPIPELINEIS853123KM,STRIDINGACROSSTHREEPROVINCESANDONEMUNICIPALI2TY,IESHAANXI,SHANXI,HEBEIANDBEIJINGANDBEINGTHELONGESTLANDGASPIPELINEINCHINAATPRESENTTHEBUDGETARYESTIMATEFORTHEENGINEERINGIS39125108YUANRMBACCORDINGTOTHEPLAN,THEYEARLYGAS2TRANSFERRINGCAPACITYTOWARDJING2JINAREAIS1312108M3WHENNONPRESSURIZEDINTHEFIRSTSTAGEAND20108M3WHENPRESSURIZEDINTHESECONDSTAGE,THEMAXIMUMONEBEING30108M3BECAUSETHEPHYSIOGRAPHICALANDENGINEERINGGEOLOGICALCONDITIONSAREVERYCOMPLEXALONGTHEPIPELINE,ITISDIFFICULTTOOPERATEINADDITION,THETIMELIMITFORTHEPROJECTISSHORTANDAFINEQUALITYOFTHEPROJECTISINDEMANDINTHEENTIREPROCESSOFTHEPIPELINEENGINEERINGCONSTRUCTION,USEDTHROUGHOUTTHEWORLDATPRESENT,ANEWMODELOFSIGNIFICANTENGINEERINGCON2STRUCTIONWASINSISTENTLYADOPTED,ANDSOMENEWOPERATIONANDMANAGEMENTANDBIDDINGSYSTEMWHICHTOOKTHEPROJECTLEGAL2PERSONRESPONSIBILITYSYSTEMASITSCORE,THEENGINEERINGCONSTRUC2TIONINSPECTIONANDCONTROLSYSTEM,THEINDEPENDENTLOSS2FREEDE2TECTIONSYSTEMANDTHEQUALITYSUPERVISIONSYSTEMBYTHETHIRDPARTY,WEREOVERALLCARRIEDOUT,ANDANEWWAYOFTHEFUNDRAIS2ING,CONSTRUCTIONANDMANAGEMENTHADBEENGOTOUTTHISPIPELINEHADBEENBUILTUPANDPUTINTOPRODUCTIONONTHE10THOFSEPTEMBER,1997INRESPECTOFTHEBUILT2UPPIPELINE,ITSROUTEISREASONABLEANDTHEPIPELINEENGINEERINGISSAFEANDRELIABLEITSANTI2CORROSIONMATERIALPROPERTYISEXCELLENTANDTHEDISTANCEBE2TWEENTHECATHODICPROTECTIONSTATIONSISLONGITSTECHNOLOGICALSYSTEMISOPTIMUMANDTHEARRANGEMENTOFSTATIONISRATIONALITSTECHNOLOGICALSTATION/SITEPROCESSISADVANCEDANDTHEAUTOMATICMONITORINGCANBEREALIZEDALL2SIDEDLYITSAUTOMATICCONTROLSYS2TEMISOFAHIGHAUTOMATIZATIONLEVEL,WHICHCANMAKETHEUNIFIEDDISPATCHANDMANAGEMENTBEREALIZEDANDTHEFUNCTIONOFTHECOMMUNICATIONSYSTEMISDIVERSIFIED,WHICHISOFAHIGHRELIABILITYINOPERATIONSUBJECTHEADINGSSHAANGANNINGAREA,BEIJING,GASPIPELINEYANGCHENGZHIPROFESSORIALSENIORECONOMIST,GRADUATEDININDUSTRIALANDCIVILARCHITECTUREFROMTHEDEPARTMENTOFARCHI2TECTURALENGINEERINGOFTHETONGJIUNIVERSITY,SHANGHAI,IN1964CURRENTLY,HEISGENERALMANAGEROFTHEBEIJINGGASGATH2ERINGCOMPANY,BEINGINCHARGEOFTHEPREPARATIONSANDCONSTRUC2TIONOFTHESHAAN2JINGGASPIPELINEADDSECTIONA,NO4BUILD2INGOFHUIYUANAPARTMENTHOUSE,YAYUNVILLAGE,CHAOYANGDIS2ANOUTLINEOFSHAANJINGGASPIPELINGENGINEERINGDESIGNXIANGBO,MEISANQIANGANDSONGDEQISURVEYANDDESIGNINSTITUTEOFSICHUANPETROLEUMADMINIS2TRATIONNATURGASINDV18,NO1,PP6668,1/25/98ISSN10000976INCHINESEABSTRACTUPTONOW,THESHAAN2JINGGASPIPELINEISTHELONGESTGASPIPELINEWITHAMAJORDIAMETERINCHINATHISLINESTARTSFROMSHAANXIINTHEWESTTOBEIJINGINTHEEAST,BEINGOFATOTALLENGTHOF860KMANDSTRIDINGACROSSTHREEPROVINCESANDAMUNICIPALITY,IESHAANXI,SHANXI,HEBEIANDBEIJING,ACROSSFIVELARGERIVERS,ANDACROSSTHEMEDIUMANDSMALLRIVERSFORTWOHUN2DREDANDTHIRTY2EIGHTTIMES,THELARGEANDMEDIUMLOESSGULLIESFORFIFTEENTIMES,THERAILWAYSFORFIFTEENTIMESANDTHEMAINHIGHWAYSFOREIGHTY2SIXTIMESINTHEDESIGN,THEWHOLELINEDATAACQUISITION,REMOTECONTROL,DISPATCHANDMANAGEMENTAREIMPLE2MENTEDBYUSEOFSCADASYSTEMASCIENTIFICANDOPTIMALOPERA2TIONANDMANAGEMENTARECARRIEDOUTTHROUGHPROVIDINGADVANCEDMANAGINGANDOPERATINGSOFTWARESARELIABLEANDADVANCEDTRANS2MISSIONCHANNELISSUPPLIEDFORTHEENGINEERING,BECAUSEOFADOPT2INGSATELLITECOMMUNICATIONMEANSAREAL2TIMEON2LINEMONITORINGISCARRIEDOUTFORTHEPIPELINEBYUSEOFON2LINELEAKDETECTIONSYS2TEMSOASTORAISETHESAFETYOFTHEPIPELINEOPERATIONANDTHEAN2TI2CORROSIONPROPERTYANDSERVICELIFEOFTHEPIPELINEAREENHANCEDBYUTILIZINGTHEADVANCEDPEEXTERIORCORROSION2INHIBITINGCOATINGWITHTHREE2PLYSTRUCTUREALONGTHEWHOLEPIPELINE,THEREARETHIR2TY2SIXSH