输气管第九章--输气系统的调峰与末段储气1PPT课件.pptx

第九章输气系统的调峰与末段储气 李玉星胡其会储运与建筑工程学院 1 第一节输气系统的调峰及天然气的储存第二节输气管道末段储气 2 内容 3 第一节输气系统的调峰及天然气的储存 一 天然气调峰方式及储气容积的计算二 天然气储存方法 4 第一节输气系统的调峰及天然气的储存 一 天然气调峰方式及储气容积的计算1 天然气调峰方式解决供气与用气之间不平衡问题的途径 1 随着用气量的变化及时调节气源的供气能力或设置机动气源 2 利用一些大型工业企业作为城市用气的缓冲用户 3 实行峰谷气价 鼓励双燃料发电行业夏季多用气 不同季节价格不同 4 设置各种储气设施 调峰方式主要包括地下储气库调峰 LNG调峰 液化石油气调峰 上游调峰 管道调峰 管束调峰和储气罐调峰等 5 确定储气罐储气容积气源量能根据需用量改变一周内各天生产工况储气容积以计算月最大日燃气供需平衡要求确定否则应按计算月平均周的燃气供需平衡要求确定根据计算月燃气消耗的日或周不均衡工况计算储气容积根据工业与民用用气量的比例确定所需储气容积储气罐几何容积的确定 2 储气容积的计算 第一节输气系统的调峰及天然气的储存 6 储气设备储气量根据用气量随时间波动情况来确定 用气量变化曲线与储气罐工作曲线 平衡点 第一节输气系统的调峰及天然气的储存 7 1 根据计算月燃气消耗的日或周不均衡工况计算储气容积 步骤 气源按计算月最大日平均小时供气量均匀供气设每日气源供气量为100万m3则每小时平均供气量为100 24 4 17万m3计算日或周的燃气供应量的累计值 计算日或周的用气量的累计值 计算每小时末燃气的储存量燃气供应量与用气量的累计值之差计算所需储气容积计算出的最高与最低储气量之差 第一节输气系统的调峰及天然气的储存 8 举例 已知某城镇计算月最大日用气量为2800000m3 d 气源在一天内连续均匀供气 每小时用气量占日用气量的百分数见下表 试确定所需的储气容积 第一节输气系统的调峰及天然气的储存 9 理论储气体积计算表 最高储存量占用气量的百分数 13 70 最低储存量占用气量的百分数 4 02 所需储气容积为 2800000 13 70 4 02 496160m3 10 2 根据工业与民用用气量的比例确定所需储气容积 使用条件 没有实际燃气消耗曲线确定方法 按占计算月平均日供气量的百分数来确定原因 由于燃气耗量的变化与工业和民用用气量的比例有密切关系 工业与民用用气量比例与储气量关系 实际工作中 由于城市有机动气源和缓冲用户 建罐条件又常受限制 储气量往往低于表中所列数据 第一节输气系统的调峰及天然气的储存 11 3 储气罐几何容积的确定 低压储气罐几何容积确定 Vc V 式中 Vc 储气罐的几何容积 m3 V 所需储气容积 m3 储气罐的活动率 取0 75 0 85 第一节输气系统的调峰及天然气的储存 12 储气罐的活动率 考虑因素 供气量的波动 用气负荷的误差 气温等外界条件的突然变化 以及储罐有效容积利用系数储罐的实际容积应有一定的富裕这部分气量约占储气罐几何容积的15 20 第一节输气系统的调峰及天然气的储存 13 3 储气罐几何容积的确定 高压储气罐几何容积确定 Vc V P1 P2 式中 Vc 储气罐的几何容积 m3 V 所需储气容积 m3 P1 储气罐最高工作压力 105Pa P2 储气罐最低工作压力 105Pa 第一节输气系统的调峰及天然气的储存 14 二 天然气储存方法 1 气罐储气2 地下储气3 天然气的液化储存4 液化石油气 LPG 调峰5 长输管道末段储气6 天然气的溶解储存7 天然气水合物 NGH 的固态储存8 天然气吸附储存 第一节输气系统的调峰及天然气的储存 15 1 气罐储气 低压气罐有湿式和干式两种特点 储气容积能在一定范围内变化高压气罐常见的有球形罐和圆筒形卧式罐高压管束 第一节输气系统的调峰及天然气的储存 16 1 低压湿式罐 结构水槽内放置钟罩和塔节 钟罩和塔节随着燃气的进出而升降 并利用水封隔罐内外气体来储存燃气的容器 罐的容积随燃气量而变化分类 钟罩的升降方式 直立罐 水槽外壁上带有导轨立柱螺旋罐 钟罩自身外壁上带有螺旋状轨道 在北方采暖地区冬季要采取防冻措施 因此管理较复杂 维护费用较高 由于塔节经常浸入 升出水槽水面 因此必须定期进行涂漆防腐 主要问题 第一节输气系统的调峰及天然气的储存 立式罐进出气管可以分为单管及双管两种 当供应组分经常变化的燃气时 为使输出的燃气组分均匀 必须设置双管 以利于燃气的混合 多节贮气罐的塔节之间均设有水封 螺旋罐没有导轨立柱 罐体靠安装在侧板上的导轨与安装在平台上的导轮相对滑动产生缓慢旋转而上升或下降 优点 比直立罐节省金属15 30 且外形较为美观 缺点 不能承受强烈的风压 施工允许误差较小 基础的允许倾斜或沉陷值也较小 导轮与轮轴往往产生剧烈磨损 17 18 19 2 低压干式罐 主要由外简 沿外筒上下运动的活塞 底板及顶板组成 燃气储存在活塞以下部分 随活塞上下移动增减其储气量 不像湿式罐那样设有水封 可大大减少罐的基础荷载 对于大容积贮气罐的建造非常有利 干式贮气罐的最大问题是密封问题 即如何防止在固定的外筒与上下活动的活塞之间产生漏气 根据密封方法不同 目前实际采用的有三种罐型 缺点 没有水槽 因而产生复杂而不易解决的密封问题 即如何防止活塞与外筒之间的漏气 需提高对罐体及活塞等部件施工质量的要求 优点 没有水封 大大减少了罐的基础荷载 有利于建造大型储气罐 又节约金属 第一节输气系统的调峰及天然气的储存 20 1 阿曼阿恩型干式罐 第一节输气系统的调峰及天然气的储存 21 2 可隆型干式罐 第一节输气系统的调峰及天然气的储存 22 3 威金斯型干式罐 第一节输气系统的调峰及天然气的储存 23 2 地下储气 1 地下储气库的类型利用已开采过的油气田储气 最为理想和经济 利用含水多孔地层储气 利用盐岩层建造储气库储气 利用岩穴储气 2 地下储气库地面工程地下储气库地面系统主要由注采气管网 注采气站 压气站及输气管线组成 3 地下储气库地面系统的特点 第一节输气系统的调峰及天然气的储存 第一节输气系统的调峰及天然气的储存 24 25 1 注采气管网 注采气管网是由井场至注采站间的管线组成 主要包括单井采气管线 采气汇管 单井注气管线 注气汇管和计量管线等 根据储气库所辖注采井的井位和井数的不同 储气库注采气管网一般采取放射状 枝状或二者相结合的注采气方式 第一节输气系统的调峰及天然气的储存 26 放射状管网集气方式 第一节输气系统的调峰及天然气的储存 27 枝状管网集气方式 第一节输气系统的调峰及天然气的储存 28 2 注采气站及天然气处理流程 注采气站及天然气处理流程主要完成的工艺作业 向各井配气 控制气体的流量和压力 进行气体净化 脱除固体和液体杂质 气体计量 温度压力的测量与调节 对自气体中脱出的固体和液体组分进行计量 试井 地下储气库的天然气处理系统应该符合的基本要求 分离水和液态烃 保证用户使用的天然气符合标准 保证有规律地提取 检验不同气井的天然气 第一节输气系统的调峰及天然气的储存 29 注气流程 靠注气压缩机增压注气靠采气干线的管压注气注气压缩机的工况与储气库地层状态密切相关 在注气过程中 压缩机出口压力随地层压力升高而升高 变化幅度很大 在流程设计中要充分考虑适应这种变化 为此可采取两种措施 设置多级压缩机 设置高低压天然气引射器 是否设注气压缩机 差别 第一节输气系统的调峰及天然气的储存 30 靠注气压缩机增压注气示意图 第一节输气系统的调峰及天然气的储存 31 靠采气干线的管压注气示意图 第一节输气系统的调峰及天然气的储存 32 天然气冷却净化流程图 压缩后的天然气必须冷却 高温气体直接注入 会在气井套管和周围水泥环引起不均衡的应变 净化 第一节输气系统的调峰及天然气的储存 33 采气流程 地下储气库的采气流程有两种基本形式 完全依靠地层的压力将采出的天然气输至输气干线 靠地层压力和外输气压缩机增压将采出气输至输气干线 两种流程的差别在于是否设外输气压缩机 在下列两种情况下应设外输气压缩机 输气干线的管压很高 采出气如果单靠地层压力外输则要求过多的垫气量 需要深度回收采出气中的凝液 采用压缩 膨胀机制冷 第一节输气系统的调峰及天然气的储存 34 靠地层压力将采出的天然气输至输气干线的流程图 第一节输气系统的调峰及天然气的储存 35 靠地层压力和外输气压缩机增压将采出气输至输气干线的流程图 第一节输气系统的调峰及天然气的储存 36 采出气的净化流程 采出气的净化宜采用自然冷却与节流膨胀致冷相结合的冷冻分离法 使天然气中的水蒸汽和重烃在较低的温度下部分冷凝并分离 冷冻分离法流程图 第一节输气系统的调峰及天然气的储存 37 优点 能使外输气的水露点和烃露点均达到管输要求 而 甘醇吸收法脱水 只能达到水露点的要求 在空冷器入口注入水合物抑制剂 甘醇类溶液或甲醇 可以充分利用自然冷源 采气周期一般在冬春季节 气温较低 冬天空冷器出口温度可以低于外输管线埋地处的土壤温度 经过 空冷 的天然气 利用采气压力与外输压力之间的压差节流膨胀致冷 只需要较小的压差即能达到净化要求的低温 流程灵活 在空冷器入口喷入雾状的浓度较高的甘醇溶液 起到 吸收脱水 的作用 第一节输气系统的调峰及天然气的储存 38 3 压气站压气站主要设备压缩机 净化设备和冷却塔地下储气库压气站的工作特点 地下储气库一般为注采合一 压缩机需要能够完成各种组合操作 必要时根据压力等级的不同实现二级或三级压缩 气体压力 流量以及压缩机都有很大的可变性 4 输气管线连接管线的长度 方向按照设计任务确定或与供配气计划协调 根据输量确定管线的直径 第一节输气系统的调峰及天然气的储存 39 注入气无须净化处理 注采气管网差异大 一般注采合一 但注气工艺和采气工艺较大差别注气时 初期注气量小 压力低 高峰期注气量最大 压力升高 末期注气量减少 压力达到最高 采气时 初期采气量小 压力最高 采气量减少 压力达到最低值 注气压缩机需要适应压力条件的变化 采出气要进行净化处理 3 地下储气库地面系统特点 第一节输气系统的调峰及天然气的储存 40 3 天然气的液化储存 常压或略高于常压 温度大约为 162 5 体积只有同量气态体积的1 625 LNG工业链包括天然气预处理 液化 储存 运输 接收 应用等环节 第一节输气系统的调峰及天然气的储存 41 液化储存的优势常压低温下储存 比较安全负荷调节范围广 适于各种调峰液化储存的经济性液化和气化都要消耗一定的能量 只有储存量较大时经济上才合理世界上LNG调峰方式主要包括三类 终端储罐调峰方式 大型卸载储罐小型LNG液化调峰方式 管道内气体液化 小型卸载储罐小型LNG气化调峰方式 小型卸载储罐 3 天然气的液化储存 第一节输气系统的调峰及天然气的储存 42 4 液化石油气 LPG 调峰夏季储存 冬季用 气态丙烷比空气重 一旦泄露 沉积在地面不容易发散 5 长输管道末段储气城市高压管网储气6 天然气的溶解储存天然气可溶解在丙烷 丁烷或这两者混合物等溶剂中 溶解度随压力的增加和温度的降低而提高 第一节输气系统的调峰及天然气的储存 43 7 天然气水合物 NGH 的固态储存 将天然气 主要是甲烷在一定温度 压力条件下 转变为固态的水合物 储存于钢制储罐中 一般的储存条件 常压 15 20摄氏度 水合物储气调峰流程 第一节输气系统的调峰及天然气的储存 44 8 天然气吸附储存 吸附天然气简称ANG 利用高比表面 富微孔的吸附剂在中低压下吸附储存天然气 可以实现在高压下CNG的储气能量密度 这是吸附储存天然气的基本原理 ANG的储存原理图 第一节输气系统的调峰及天然气的储存 45 ANG技术在应用中的不利因素 脱附时天然气的滞留量 约30 吸附剂的装填密度低 降低了贮罐单位体积的储气量 吸脱附时的热效应 甲烷吸附热约12kJ mol 降低了储气能力 重烃与水对吸附剂的污染 吸附剂结构对吸脱附量的影响 第一节输气系统的调峰及天然气的储存 第一节输气系统的调峰及天然气的储存第二节输气管道末段储气 46 内容 47 第二节输气管道末段储气 一 输气管末段储气能力的计算二 末段储气的最优长度三 计算末段长度和管径的方法 末段 干线输气管末段的起点就是最后一个压气站的出口 终点就是城市配气站 distributionstation 的进口 终点压力就是城市配气站进站压力 终点流量就是配气站向城市的供气量 末段终点压力的变化 实际上只对最后一个压气站的进 出站压力产生影响 对输气管的系统流量并没有什么影响 可认为最后一个压气站是以不变的流量向末段供气 即末段起点的流量是不变的 第二节输气管道末段储气 48 表9 4某输气管末段夜间的实际操作数据 末段终点流量增大时 末段起 终点压力都要减小 相反 终点流量减小时 末段起 终点压力都要增大 第二节输气管道末段储气 城市气体消耗少时 向城市的供气量小于干线的流量 也即末段起点的流量 多余的气体积存在末段管路中 使末段的压力上升 城市气体消耗多时 向城市的供气量大于干线的流量 不够的气体由末段中积存的气体来弥补 使末段压力下降 49 输气管末端的工作特点 起点流量变化很小 近似认为不变 终点流量随昼夜用气量的不同变化较大 Q1变化幅度 Q2变化幅度末段起点的最高压力等于或小于最后一个压气站的出口压力p1max 末段终点的最低压力p2min应不低于配气站所要求的供气压力 末段的压力变化范围决定了末段的储气能力 输气管末段的气体处于不稳定流动状态 为简化起见 下面的讨论与计算是以稳定流动状态为基础的 以连续替换法作近似计算 计算结果其储气能力比实际小10 15 第二节输气管道末段储气 50 设 末段起点储气量不随用气量而变化 Q2 Q1时 PZ PQ 管内储气量 此时称末段气管供气阶段 供气阶段结束时 压力最低 气量最小 Vb Q2 Q1时 PZ PQ 管Ppj 管内储气量 称末段除去阶段 贮气阶段结束时 管内压力最高 积存的气量最大 Va 51 城市用气量是随时间而变化的 而气源供气一般变化不大 这样就必须解决用气与供气的不平衡问题 末段储气可以作为解决日不平衡的措施之一 所需储气容积的计算参见下图 一 输气管末段储气能力计算 用气量变化曲线与储气罐工作曲线a b 用气量与供气量相等的瞬间 第二节输气管道末段储气 52 53 图中a b两点的用气量等于干线的供气量 也就是干线末端起点的流量 从b点开始 供气量多于用气量 多余的气体积存于末段 末段的压力也开始上升 故b点开始储气时 末端起点和终点压力都为最低值 即p1min和p2min 平均压力为 一 输气管末段储气能力计算 9 3 54 从a点开始 储气结束 用气量开始多于供气量 逐步从末段中取出气体以弥补不足 故在a点 末段起点和终点压力都为最高值 即p1max和p2max 随后 伴随着从末段中取出气体以弥补不足 压力逐渐降低 故a点 末段的平均压力为 9 4 一 输气管末段储气能力计算 55 对于a b两点 用气量等于供气量 近似认为是稳定流动 可得末段起 终点压力平方差 由表4 1 采用我国法定单位 C0 0 03848 9 5 9 6 一 输气管末段储气能力计算 56 储气开始时 终点的最低压力p2min应不低于配气站要求的最低供气压力 故p2min为已知 此时储气结束时 起点最高压力应不超过最后一个压气站的最大出口压力或管路的强度 故p1max为已知 则 9 7 9 8 一 输气管末段储气能力计算 57 a 储气结束时的压力曲线 b 储气开始时的压力曲线 一 输气管末段储气能力计算 58 根据输气管末段储气开始和结束时的平均压力ppjmin和ppjmax 可求得储气开始和结束时末端管道中的存气量为末段输气管的储气能力为 9 10 9 9 9 11 一 输气管末段储气能力计算 9 3 9 4 9 7 9 8 一 输气管末段储气能力计算 59 一 输气管末段储气能力计算 影响输气管末段储气能力的主要因素是 D L Ppjmax Ppjmin 1 若L D一定 末段的贮气能力主要取决于P1min和P2min 此时可以计算得到储气能力 2 D对储气能力的影响 D 在相同的Q P1max P2min条件下 Ppjmax Ppjmin 故D对储气能力的影响很大 3 L对储气能力的影响L P2max Ppjmax P1min Ppjmin Vs 末段管道容积 Vs 存在储气能力最大的末段长度 60 61 第二节输气管道末段储气 一 输气管末段储气能力的计算二 末段储气的最优长度三 计算末段长度和管径的方法 62 二 末段储气的最优长度 9 12 保证末段最大储气能力时最优末段长度可由下述条件得出即 9 13 9 14 所以 因为 所以 末段的最大储气能力 9 15 二 末段储气的最优长度 63 64 在最优末段长度的条件下 同理亦得可见 在最优末段长度的条件下 末段终点的最高压力等于起点的最低压力 9 18 二 末段储气的最优长度 65 如果设末段的最大长度为则末段的最优长度为最大长度的二分之一 输气管末段储气能力 二 末段储气的最优长度 66 在末段的起点最大压力 终点的最低压力和干线流量一定的条件下 末段的最优长度最大储气能力主要决定于末段的管径D 即在该条件下 某一管径D就对应某一最优末段长度和最大的储气能力 二 末段储气的最优长度 67 第二节输气管道末段储气 一 输气管末段储气能力的计算二 末段储气的最优长度三 计算末段长度和管径的方法 实际工作中 计算末段长度和管径的计算方法原则 Q 输气管全线的稳定输量Vs 城市要求的末段储气能力 当要求的末段储气能力很大 仅管线末段不能满足要求时 应增设储气罐或其它储气设备 P1max 末站允许的最高出口压力P2min 城市配气站要求的最低压力已知Q Vs P1max P2min 求D L时 需试算 有两种试算方法 可按Vsmax公式求D 按Lop公式求Lop 68 69 三 计算末段长度和管径的方法 如按Vsmax公式求出的D不太合理 可参考计算结果另选D 计算Lop作为确定L的参考选L 校核Vs的大小 a 根据Q D L P1max P2max Ppjmax根据Q D L P2min P1min Ppjminb 计算Vs是否满足要求 按计算结果选D和L 校核P1max和P2min是否满足要求 否则重选 可按下述方法校核 应用第二种方法校核时 流量公式 9 19 70 平均压力 9 20 式 9 19 除式 9 20 得以代替 将压力比代入 则 9 21 9 19 三 计算末段长度和管径的方法 与关系曲线 说明 在一定流量条件下 平均压力与压力比之间存在一定关系 与的关系曲线 三 计算末段长度和管径的方法 71 72 9 22 9 23 储气能力可改写为 9 24 说明储气能力与流量之间存在一定关系 是确定末段长度和管径的第二种方法的基础公式 9 21 三 计算末段长度和管径的方法 73 第二种方法计算步骤如下 1 预定末段长度和管径 2 计算储气开始时的起点压力和平均压力 3 求储气开始时末段内的存气量 4 求储气终了时的末段存气量 它为与要求储气量之和 三 计算末段长度和管径的方法 5 求储气终了时末段的平均压力 6 求值 并查得压力比值 7 计算终点和起点的最大压力和 9 25 9 26