天然气门站（首站）设计说明书.doc

化工与材料工程学院毕业设计设计说明书化工与材料工程学院毕业设计设计说明书双坨子输气站至伏龙泉输气站长输管线伏龙泉输气站设计(门站） The design of Shuangtuozi gas transmission stations to Fu Long Quan Long distance pipeline of Fu Long Quan gas transmission terminal station(Gas transmission)学生学号 09160228 学生姓名 赵明月 专业班级油气0902 指导教师 杨靖华讲 师 联合指导教师 教 授 完成日期2013.6.18吉林化工学院Jilin Institute of Chemical Technology前言4第 1 章 设计概述41.1 设计依据41.1.1 设计原则41.1.2 管道设计规范和要求41.2 某输气干线首站施工图设计原始资料5第 2 章 站场工艺52.1 输气站功能52.1.1 过滤62.1.2 清管62.1.3 调压62.1.4 计量62.1.5 加臭72.1.6 安全泄放 输气站的各类站场必须设置安全设施。72.2 站址选择和各站流程说明82.2.1 站址选择82.2.2 站场平面布置原则82.2.3 消防安全92.3 站场工艺设备选型92.3.1 简述92.3.2 除尘器的设计92.3.3 导叶式旋风子设计10工艺计算11第 3 章 天然气参数计算113.1 气体混合物的临界参数和对比参数113.2 气体混合物的压缩因子计算123.3 气体混合物的虚拟分子量计算133.4 气体混合物的密度和相对密度143.5 定压摩尔比热15第 4 章 输气管线工艺计算164.1 站内管线管径计算公式164.2 直管壁厚计算公式164.3 站场入口到汇管一之间天然气干线工艺计算174.3.1 管线直径计算174.3.2 管线壁厚计算174.4 汇管一二间天然气干线工艺计算174.4.1 管线直径计算184.4.2 管线壁厚计算184.5 汇管二到出站口天然气干线工艺计算184.5.1 管线直径计算184.5.2 管线壁厚计算194.6 排污管线和防空管线直径确定。194.7 调压阀的计算194.8 旋风分离器的计算204.8.1 旋风分离器个数确定204.8.2 操作压力下流量204.8.3 管径、管壁计算204.8.4 管径校验204.8.5 进出口流速确定214.9 清管器发射筒：224.9.1 管径设计计算224.9.2 发球筒尺寸选择224.10 安全阀224.10.1 安全阀通道截面积234.11 汇管234.11.1 汇管一244.11.2 汇管二24前言 本工程主要内容是天然气输气管道工程的初步设计。课题的提出是针对目前各种用户对清洁能源的需求量急剧升高的现状以及天然气工业的蓬勃发展的形式。现在天然气的供应量的需求与日俱增而我国又存在着气源分布不均的情形作为天然气输送调节气源不均情况的主要手段长输管线的设计就尤为重要。通过长输管线的优化设计来提高管输天然气量以及提高其经济性为解决现今供气不足和供气费用昂贵的情况提供了好的方案。长输管线的动力，输气站，那是整个长输工程中的重点。根据国家能源会议精神天然气的开发和利用是今后几十年内我国能源开发的主要方向已纳入我国“十一五”规划和2020年远景目标中的能源发展战略是国民经济和社会发展计划中的重要组成部分。 加快开发和利用天然气的步伐提高天然气在能源消费中的比重是坚持可持续发展战略、调整能源结构、保护生态环境的重要举措是利国利民的大政方针。第 1 章 设计概述 1.1 设计依据 1.1.1 设计原则 1 严格执行作业的有关规范和标准并参照国际上有关的先进的标准和规范。 2 采用先进的技术努力吸收国内外的新的科技成果。 3 比较优化设计方案确定经济合理的输气工艺及最佳的工艺参数。 4 站场设计要确保能长期安全、均衡、平稳的进行天然气的输送。 5 适应线路的自然环境气候确保生产运行安全可靠能保护环境、防止污染、节约能源、节约土地处理好管线与铁路、公路、河流等的相互的关系。 1.1.2 管道设计规范和要求 输气管道设计与管理李玉星 姚光镇主编 中国石油大学出版社 油气集输与矿场加工冯叔初主编 中国石油大学出版社 天然气长输管道工程设计中国石油天然气总公司主编中国石油大学出版社天然气应用技术手册贺永德主编 化学工业出版社 输气管道设计与管理王树立 赵会军主编 化学工业出版社天然气输配技术严铭卿主编 化学工业出版社天然气工程手册 石油工业出版社输气管道工程设计规范GB 502512003 石油天然气工程初步设计内容规范 第2部分管道工程SY/T 0083.22006 石油天然气工业输送钢管交货技术条件 第2部分 A级钢管GB/T 9711.1-1999 石油天然气工程设计防火规范GB 501832004 石油天然气工程制图标准SY/T 00032003天然气工程工程总图设计标准SY/T 00482009城镇燃气加臭规程 GB50028-2006城镇燃气设计规划 GB50028931.2 首站施工图设计原始资料气体流量：60104 m3/d进站压力：1.6 MPa进站温度：30 出站压力：1 MPa天然气气质参数：(%V)组分体积（V%）CH487.493C2H62.262C3H80.908iC40.311iC40.399iC5 0.146nC5 0.1192.2-c60.0292-c60.042N26.835CO21.685O20.155S100.00第 2 章 站场工艺 2.1 输气站功能 输气站的主要功能输气首战是设在输气管道起点的站场。一般具有加臭、分离、调压、计量、清管发送等功能。 2.1.1 过滤 为了保证进入输气管道的气体的气质要求在一些站场要设置分离装置分离其中携带的干粉尘其除尘设备多采用旋风除尘器、多管除尘器、过滤除尘器等。大流量站场的气体除尘器可以经过汇管采取并联安装来满足处理要求。在设计除尘器台数时应按除尘器的最小处理能力来设计计算安排以保证当一台除尘器检修时余下的除尘器的最大处理能力仍能满足站场的处理要求。 2.1.2 清管 输气管线在施工过程中积存下来的污物和管道投产运行时所积存下来的腐蚀产物都是影响气质、降低输气能力堵塞仪表、影响计量精度和加站场工艺 剧管线内部腐蚀的主要因素。为此应于管线投产前和运行过程中加以清除。清管气体发装置 清管气体发装置包括收发筒、工艺管线、全通径阀门、装卸工具以及指示器等辅助设备。 1发球筒发球筒的筒直径一般比主管大1-2倍以便清管器的放入和取出。2快速开关盲板快速开关盲板上应有防自松安全装置快开盲板不应正对距离小于或等于60m的居住区或建构筑物区当受场地条件限制无法满足上述要求时应采取相应的安全措施。 2.1.3 调压 1输入和输出支线与干线的连接点应保持稳定的输入和输出压力并规定其波动范围以利于对支线和干线输送过程中的控制。输气首站内调压设计中应符合输气工艺设计要求并应满足开、停工和检修的需要。 2调压装置应设置在气源来气压力不稳定且需要控制进站压力的管线上。分输气和配气管线上以及需要对气体流量进行控制和调节的计量装置之前的管段上。 2.1.4 计量 1输入与输出干线的气体及站内自耗气必须计量。这些气量是交接业务和进行整个输气系统控制和调节的依据。 2气体计量装置应设置在输气干线的进气、分输气、配气管线上以及站场自耗气管线上。 3天然气体积流量计有压差式和容积式流量计两种其中以压差式流量计为主近年来随着输气管道自动化程度的不断提高在输气站场上已开始利用微机测定天然气流量。 由以上要求及涉及现状，选用标准孔板式流量计2.1.5 加臭天然气本身无色无味，易燃易爆，在输送或使用过程中，一旦泄露很难被发现，而加入燃气泄露示警的臭味剂之后，即使有微量的泄露，也可被及时发现，补救，所以臭味剂的添加至关重要。目前，国内外城镇燃气普遍采用发加臭剂为四氢噻吩(以下简写为THT)。因此加臭量过大，既增加了燃气供应不必要的成本，造成资金的浪费，加臭剂在燃烧后又产生了过多的含硫物，加大了环境污染的潜在危险，但是加臭量偏低又将导致燃气一旦泄露时不能被用户即使发现，报警，起不到示警作用，给燃气供应和使用带来了不安全隐患。如何才能控制好每标准立方米中加臭剂的含量稳定在一定范围内，对于确保用户的用气安全，以及我们燃气企业的经济效益和社会效益两方面都有重大意义。国家城镇燃气设计规划(GB5002893)第223条规定“城镇燃气应具有可以察觉臭味，无臭味或臭味不足的燃气应加臭”并规定了天然气中以四氢噻吩为加臭剂的用量为不低于20mg/m。根据以上标准，本工程选用四氢噻吩作为加臭剂2.1.6 安全泄放 输气站的各类站场必须设置安全设施。 1安全阀定压及泄压防空管直径应按以下要求计算 a 安全阀定压 安全阀定压应等于或小于受压设备和容器的设计压力。 b 泄压防空管直径 单个安全阀的泄压管直径应按背压不大于该阀泄放压力的0.1倍来确站场工艺，但不应小于安全阀的出口管径。对于连续多个安全阀的泄放管应按所有安全阀同时泄放时产生的背压不大于其中任何一个安全阀的泄放压力的0.1倍来确定且泄放管截面积不应小于各支线截面积之和。 1 安全泄放设施的设置要求 a 输气站应在进站截断阀上游和出站截断阀下游设置泄压放空装置。根据输气管道站场的特点放空管应能迅速放空输气干线两截断阀之间管段内的气体放空管的直径通常取干线直径的1/3-1/2而且放空阀应与放空管等径。 b 站内的受压设备和容器应按现行的安全规程的规定设置安全阀。安全阀泄放的气体可引入同级压力放空管线。 c 站内高低压放空气体不得以同一管线输到放空立管必须按压力等级分别设置放空管放空气体应经放空管排入大气并应符合环境保护和安全防火要求。 d 输气干线放空竖管应设置在不致发生火灾危险和危害居民健康的地方。其高度应比附近建构筑物高出2m以上且总高度不应小于10m。输气站放空管线应设在围墙外。 2.2 站址选择和各站流程说明 2.2.1 站址选择 1地势平缓、开阔。 2供电、给水、排水、生活及交通方便占地面积、所选站址应使站内各建筑物之间能留有符合防火安全规定的间距应该考虑站场的发展余地。 3应避开山洪、滑坡等不良工程地质地段及其他不宜设站的地方。 4站址与附近工业、企业、仓库、火车站及其他公用设施的安全距离必须符合现行的国家标准石油天然气工程设计防火规范 GB 50183 的有关规定。天然气门站站址选择要求在安全防火的允许范围内，应尽可能靠近城市居民点，并位于常年主导风向的下风向，设计地主导风向为西南风，设置在西南下风口。站址应尽量避开不良地质及地形低洼处，应有足够的面积，并为扩建留有必要的余地。所选站址交通应方便，水电来源充足，有利于排水及污水处理。（1） 门站与民用建筑之间的防火间距，不应小于25米，距重要公共建筑不应小于50米； （2） 门站站址应选具有适宜的地形、工程地质、供电、给排水和通信等条件； （3） 门站站址宜靠近城镇用气负荷中心地区，与城市景观协调； （4） 门站站址应结合长输管线位置确定； （5） 门站的控制用地一般为10005000平方米； 。 2.2.2 站场平面布置原则 1输气站各建构筑物及设备的平面布置应根据工艺流程中天然气的流向来确定应尽量缩短管线长度避免倒流减少交叉管线应采用地上或埋土敷设不应采用管沟敷设。 2根据流程和设备功能分区块布置把功能相同的设备布置在一起成为一个装置区装置区之间的连接管道敷设应有利于车行道的布置。 3输气站与周围建筑物和站内各建筑物之间的距离必须满足有关安全防火要求有保证消防、起重和运输车辆通行的道路和必要的检修堆放场地。 4生活区、办公区应布置在全年最小频率风向的下风侧要求有利于站场工艺 生产、方便生活、力求节约。 5压气站的仪表控制室、维修间和行政办公室建筑通常布置在单独或合并在一起的建筑物内与压缩机房保持一定的距离以减少噪音干扰。2.2.3 消防安全GB500016-20006建筑设计防火规范(以下简称建规)中812条规定“耐火等级不低于二级，且建筑物体积小于等于3000m的戊类厂房或居住区人数不超过500人且建筑物层数不超过两层的居住区，可不设置消防给水”，即只有在符合该条的情况下，才可不设消防给水。GB50183-2004是从长输管道工程考虑，厂站多、规模小、人员少，大多数输气、配气站能满足建规的条件，且这类厂站距离城市远，没有市政给水设施，如果都单独建设消防水池、加压设备及配套管网，造价高。城市天然气门站与之不同，办公区人员较多，除负责门站正常运行外，还负责整个输配系统的监控管理和运行调度；并且门站靠近城市用气负荷区，一般有市政给水配套，如果只设置低压室外消防给水系统，造价增加很少，门站的消防安全则会提高很多。. GB50028-2006城镇燃气设计规范6.5第19条规定工艺装置区可不设消防给水系统，办公区建筑规模就成为是否设置消防给水的决定因素。因此，应以办公区为保护对象，符合建规812条规定的，可不设置消防给水，否则需按建规表8222规定的消防水量设置室外消防给水系统，采用低压制，利用市政供水的水量和水压；办公楼未超过5层或体积大于10000m时，无需设置室内消防给水根据以上要求，本工程不设置室内消防给水。门站靠近城市，选择城市市政给水配套，不单独建设消防水池。办公区规模较小，无需以办公区作为保护对象。2.3 站场工艺设备选型 2.3.1 简述 天然气中的固体杂质不仅会增加管输阻力影响设备、阀门和仪表的正常运作使其磨损加速、使用寿命缩短而且污染环境有害于人体。因此在供给用户前应除去悬浮在天然气中的固体杂质。为此在天然气输气站中应设置除尘设备。 除尘器的选择一方面应根据气体中所含粉尘的种类、性质、粒径和粉尘量等因素选择高效经济的除尘设备另一方面还应该根据除尘器的技术性能处理量、压力损失和除尘效率和三个经济指标建设投资、占地面积、使用寿命全面考虑。理想的除尘设备必须在技术上能满足工艺生产和环境保护对气体含尘的要求而在经济上又是合算的。 输气站场中的除尘设备要求结构简单、可靠分离效率高不用经常更换或清洗部件气流通过压降小等。目前输气站中经常采用的除尘设备有旋风除尘器、导叶式旋风子多管除尘器、过滤除尘器等。本工程采用导叶式旋风子多管除尘器。 2.3.2 除尘器的设计 导叶式旋风子多管除尘器是一种适用于输气站场的高效除尘设备。它适用于气量大。压力高、含尘粒度分布甚广的干天然气的除尘。它的除尘效率高达91.99%以上而稳定、操作弹性大、噪音小、承压外壳磨损小。2.3.3 导叶式旋风子设计 1旋风子的型式。旋风子的型式分为圆锥形和直筒型。对于细尘可用圆锥型对于粒度分布较宽的粉尘易用直通型。本工程采用直筒型。 2导向叶片。 a 叶片入口角90以免气流进入时的冲击且小段导流段让气体平稳地轴向进入叶片。 b 叶片宽度不变而叶片厚度则从入口处的5mm逐渐减薄到出口处的3.03.5mm。 c 叶片面上任意宽度线都垂直于芯管的中心轴且指向该处圆心。这样叶片是个空间扭曲叶片。 d 在叶片内外侧圆柱面的展开图上从叶片入口角到出口角之间可用近似抛物线或三心圆弧线使之平滑过渡。e 叶片出口角对除尘性能的影响较大应慎重选择。角的选择宜为 对细粉尘25左右 对粗粉尘40左右 对粒径分布很宽的粉尘3032。 f 每个旋风子所用的导向叶片一般以8为宜。相邻两叶片要互相覆盖住以保证气流沿叶片出口角喷出而形成旋流。常取每个叶片的回转角为5060尽可能取大些。 3旋风子的直径。 a 外管直径。 一般外径可在下列范围内选用 对粒度分布很宽的天然气粉尘推荐采用100mm旋风子。b 内管外径与外管内径之比。 推荐采用 4旋风子的高度。对于直筒型旋风子一般宜按下式选用 排气管插入深度叶片出口到排气管下端的距离一般宜按下式选用 排气管下端加缩口可提高除尘效率工艺计算第 3 章 天然气参数计算3.1 气体混合物的临界参数和对比参数（1）虚拟临界温度和虚拟临界压力计算 （1-1） （1-2）式中Tc气体混合物的虚拟临界温度，K；Pc气体混合物的虚拟临界压力，kPa（绝）；Tci组分i的临界温度，K；Pci组分i的临界压力，kPa（绝）；x i组分i的分子分率。表1-1天然气各组分含量表组分体积（V%）临界温度Tc,K临界压力Pc,kPa(绝)虚拟临界温度Tc,K虚拟临界压力Pc,kPa(绝)CH487.493190.604604.00166.764028.00C2H62.262305.434880.006.90110.38C3H80.908369.824249.003.3638.58iC40.311407.153657.001.2711.37iC40.399425.153617.001.7014.43iC5 0.146460.853384.000.674.94nC5 0.119470.353344.000.563.982.2-c60.029507.282-c60.042552.93N26.835126.103399.008.62232.32CO21.685304.207149.000.51120.46O20.155154.555043.000.247.82S100.00190.594572.29（2）对比温度和对比压力计算 （1-3） （1-4）式中 气体混合物的对比温度，； 气体混合物的对比压力，（绝）； 气体混合物的操作温度，； 气体混合物的操作压力， (绝)； 气体混合物的虚拟临界温度，； 气体混合物的虚拟临界压力， (绝)。由表1计算所得天然气的虚拟临界温度和虚拟临界压力为: 用公式(2-7-3)和公式(2-7-4)计算所得天然气的对比温度和对比压力为:3.2 气体混合物的压缩因子计算气体的压缩因子是对比温度和对比压力的函数,由气体的特性、温度和压力来确定。通常计算气体的压缩因子是先计算气体的对比温度和对比压力，再由图214查得。该图的适用条件较宽，非烷属烃含量小于5%，分子量不超过40，压力小于或等于7000kPa的条件下，其精确度可达1%以上。利用高帕尔的相关方程式的通式： (1-5)由于Pr和Tr的数值不同，系数A、B、C、D取值也不相同,根据式（3-10）得出Z（见表3-1）。表1-2 压缩因子相关方程式范围范围相关方程式0.21.21.051.21.21.41.42.02.03.0Pr(1.6643Tr2.2114)0.3647Tr +1.435Pr(0.5222Tr0.8511)0.0364Tr +1.040Pr(0.1931T0.2988)+0.0007Tr+0.999Pr(0.0295Tr0.0825)+0.0009Tr+0.9971.22.81.051.21.21.41.42.02.03.0Pr(-1.3570Tr + 1.4942) + 4.6315Tr- 4.09Pr(0.1717Tr - 0.3232) + 0.5869Tr + 0.129Pr(0.0984Tr - 0.2353) + 0.0621Tr + 0.858Pr(0.0211Tr - 0.0527) + 0.0127Tr + 0.959由式（1-2）： 及式（1-3）： 代入数据得： =0.219 （在0.21.2之间） =1.617 （在1.42.0之间）综合表(3-1)可得压缩因子的表达式为：Z =Pr（0.1931Tr-0.2353）+0.0007Tr+0.999代入数据得：.0 3.3 气体混合物的虚拟分子量计算天然气通常为烃和非烃气体混合物，其虚拟分子量可按下列公式计算。 （1-8）Mg气体混合物虚拟分子量xi组分i的分子分率； Mi组分i的分子量。 3.4 气体混合物的密度和相对密度（1）气体混合物的密度计算 (1-6) (1-7)式中 气体混合物在标准状况下的密度，； 气体混合物在操作条件下的密度，； 气体混合物的虚拟分子量； 气体混合物的分子体积，； 标准状况温度，； 标准状况压力，； 操作条件温度，； 操作条件压力，； 气体混合物的压缩因子。 （2）气体混合物相对密度计算 （1-9） （1-10）式中 气体混合物在标准状况下的相对密度；气体混合物在操作条件下的相对密度；气体混合物的压缩因子；空气的压缩因子；气体混合物的虚拟分子量，；空气在标准状况下的密度， 3.5 定压摩尔比热 根据油气集输中的定压摩尔比热的计算公式： (1-11)式中 天然气的定压摩尔比热， ； T天然气的温度，K； P压力，Pa； M天然气的平均分子量,。通过计算，可得： =36.415。 由天然气工程手册图(2-79)得Cp-Cv=14.16；计算可得Cv=22.25。第 4 章 输气管线工艺计算为了防止管线中管道的磨损和管道中积液，天然气流速一般控制在故取天然气流速为。操作温度选取. 选用X52无螺纹输送钢管，其屈服强度为.4.1 站内管线管径计算公式 （2-1）式中：管子内径，；管内气体流速，取；操作条件下的气体流量，标准状况下的气体流量，操作条件下气体的绝对压力，；标准状况下气体的绝对压力，操作条件下气体的绝对温度，；标准状况下气体的绝对温度，；气体压缩系数。 4.2 直管壁厚计算公式 （2-2）式中：钢管计算壁厚；设计压力；钢管外径；钢管的最小屈服强度（MPa）；焊缝系数，设计系数，站场内部管线取 ；温度折减系数，常温。腐蚀余量，轻度腐蚀4.3 站场入口到汇管一之间天然气干线工艺计算 设计压力设计温度 设计流速 4.3.1 管线直径计算选择外径4.3.2 管线壁厚计算选24512验证：满足要求。4.4 汇管一二间天然气干线工艺计算设计压力设计温度 设计流速 4.4.1 管线直径计算选择外径4.4.2 管线壁厚计算选1688.5验证：满足要求。4.5 汇管二到出站口天然气干线工艺计算 设计压力设计温度 设计流速 4.5.1 管线直径计算选择外径4.5.2 管线壁厚计算选2999.5验证：满足要求。4.6 排污管线和防空管线直径确定。排污管一般取大于公称直径DN50，则站场内排污管线取60.35.5。放空管的直径通常取干线直径的1/3至1/2,按1/2取放空管管径。选择4.7 调压阀的计算调压阀流通能力计算 （2-3）式中：标准状态下气体流量，主调压器流通能力, 阀前压力(绝); 阀后压力(绝); 气体标况下密度; 阀前气体压缩系数;阀前气体绝对温度, 。 由TZZ-40型调压器流通能力主要参数对照可知，在不希望调压阀开度超过90%的条件下，选取流通能力C为120的调压器，此时阀芯直径为100mm4.8 旋风分离器的计算4.8.1 旋风分离器个数确定使用2个旋风分离器。4.8.2 操作压力下流量 （2-4） 代入数据可得： 4.8.3 管径、管壁计算根据天然气工程手册中的式子： (2-5)式中 旋风分离器的筒体直径，；工作条件下的气体流量，； 阻力系数，由实验确定，一般取； 工作条件下的气体密度，； 水力损失（即旋风分离器的压降），。取 =80 由公式(6-19)： 计算可得： 根据常用旋风分离器主要规格表， 取4.8.4 管径校验(1) 计算气体流速根据式： (2-6)计算得到：气体在旋风分离器之内的流速为(2) 计算旋风分离器的压力降根据式 (2-7)代入已知数据计算得到： (3) 由于 , 则 从而可得： 从而校核合格。4.8.5 进出口流速确定旋风分离器的进