第十章 干线输气管压气站的布置与工艺参数选择

1,干线输气管是整个输气系统的重要组成部分，其参数受气源供气和城市消费两者的约束。当干线输气管与输气系统的其它部分相联系的参数（如输气量、首站进站压力、终点配气站的最低压力和配气量等）确定后，其可作独立环节进行工艺设计，其所得到的数据可作为系统优化内容之一。本章主要解决：干线输气管的最优参数选择与压气站布置。,第十章干线输气管压气站的布置与工艺参数选择botharrangementandprocessparametersofthecompressorstationofmainlinegaspiping,2,在进行压气站的布置时需要考虑的问题：为充分利用地层能量可以省去首站；注意末段储气的要求；使运行压力接近管线承压；对于初期流量较小的管线，应分期建造压气站。,3,第一节预先不固定站址的压气站布置,干线输气管上布置压气站既要详尽地考虑工艺问题、地理地质问题，也要考虑经济问题，甚至与其它部门相联系的社会问题，力求做到方便于压气站的建设与管理，让整条管线发挥出最大的效益。站址不预先固定的压气站布置意味着仅仅根据水力条件来计算，其结果必然是理想化的，但其优点是便于我们了解布置压气站的基本方法和一般规律。第八章式（8-17）指出，压气站布置愈是接近输气管的起点，输气管的输气能力就愈大。因为：第一，压气站向起点移动时，进站,4,压力增高，压缩机进口条件下的流量变小，压力比要增大，若保持压力比不变，则可增大输气能力；第二，压气站向前移动之后，站间平均压力增高，平均流速下降，克服摩阻所需的能量减小，允许站间通过能力进一步提高。以站2为例,5,一、压气站的站间距实际工作中，由于压缩机最大工作压力和管子强度的限制，中间压气站不可能无限制地移向起点。在压气站数一定的情况下，各站的出站压力都达到最大工作压力Pmax时，输气管则有最大的输气能力Qmax(即首站出站的最大流量)，这个最大流量是由全线的压气站特性和整条输气管各站间管路特性共同决定的。根据式（8-13），对于一条沿线没有分气或进气的输气管，扣除各站的自用气之后，流量是在逐渐减少的，,6,站1,站2,站3,干线输气管各站的出站压力均达到最大工作压力Pmax,站n-1,站n,Qmax,7,第i+1个中间站的特性为第i个站间管路的特性为由上两式消去项可得出最大流量（或最大工作压力）下站间距：,（10-2）,（10-1）,（10-3）,8,首站出站的最大流量Qmax与末段的最大流量QZmax之间存在着下述关系：式中n压气站数故站间距可改写为,(10-4),(10-5),9,若不考虑各站的自用气，M=1，且Ci=C，各站间距相等，由（10-3）得二、压气站数的确定输气管全线长度,(10-6),10,压气站数式中L输气管全长；lZ末段管路长度；li第i站间距；平均站间距。显然，由于平均站间距不易求得，用式（10-7）求压气站数并不方便。,(10-7),11,为此，令M=1，Ci=C，用l代，则可近似用下式来求压气站数：我们常常用已知的末段流量代替首站出站的最大流量，当M=1时，则由式（10-8）和（10-9）就可求得压气站数，实际上是由此求得的压气站数一般应向较大的方向化整。,(10-8),(10-9),12,三、输气管的最大流量当站数确定并化整后，输气管的最大流量在管材一定的情况下也确定了。设有n个压气站，除末段外，有n-1个站间。由式（10-3）得,13,由于，故最大流量的平方值若Ci=C，则,（10-10）,（10-11）,14,若M=1，则，故若M1,（10-12）,15,故首站出站的最大流量的平方值（式10-11）末段最大流量的平方值,（10-13）,（10-14）,16,对于输气管末段，若其起点压力也是Pmax，其终点压力必为PZmax，两者之间存在下述关系：由上式解出lZ,代入式（10-10）得,（10-15）,17,由于，故末段最大流量,（10-16）,18,四、各站的进站压力对于任意一站（i+1）的进站压力，根据站特性公式（10-1）：或根据管路特性式（8-13）,（10-18）,19,五、压气站布置的基本步骤根据上面讨论，归纳出压气站布置的基本步骤如下：（1）根据末段储气要求确定末端参数：P1max、P2min、和lZ；（2）根据任务流量和式（10-8）、（10-9）或（10-6）初步确定压气站数，并化整（向上）；（3）由于站数化整，需根据式（10-10）至（10-16）复核最大工作压力Pmax下的最大流量Qmax（或QZmax），或者根据任务流量Q核算该流量下的最高工作压力Pmax；,20,（4）根据式（10-3）或（10-5）计算各站间的站间距，并布置压气站；（5）计算各站其余的工艺参数：如进站压力PZi、压力比、压头H、功率N和出站温度T2等等。（6）根据计算成果和实际需要对某些站进行调整，并重新核算。,21,上面讨论的基础是使各站的出站压力都为最高工作压力Pmax，实质上也就是使输气管处于消耗能量最少的状态。首站也不例外，但首站的进站压力决定于气田的供气压力，当首站的进站压力随着气田供气压力而下降时，为了保持出站压力仍为Pmax，也就是在最少能耗下最大限度地发挥输气管的输气能力，在首站前增建附加的压气站或提高首站的压力比（亦要增加功率和能耗）的办法是必要和合理的。对于中间站，基于同样的道理，在一定的输量下，也应该保持允许的最大出站压力Pmax。,22,一条大型输气管，各个时期的输气量不会相同，从投产初期的不满负荷运行到全部运转时的满负荷工作。同样可以从前面介绍的计算中，找到输气管不同时期的压气站数。这时，必须注意到压气站在不满负荷时，不一定是全部机组投入运行，压气站特性方程中A和B的数值将有所变化。,23,例题10-1某输气管干线全长1234km，送至某城市的输气量为5106m3/d。末段管径为6308mm，其余站间为5297mm。最大工作压力Pmax=5.5106Pa，进配气站的最低压力P2min=106Pa。试布置全线压气站，并决定末段最大储气能力和全线各站的工艺参数。,24,25,已知：所输天然气的相对密度*=0.58，压缩因子Z=0.93，平均温度T=288K。管道的水力摩阻系数=0.0121。压气站特性系数A=4.5388，B=9.479109。自用气系数M=0.995解：1、末端参数输气量Q=5106m3/d=57.87m3/s由表4-1查得C0=0.03848。由式（9-6）得,26,最优末段长度为由式（9-17）,27,最大储气能力为终点最大压力与末段起点最小压力，由式（9-18得）,28,平均站间距，由式（10-9）,29,压气站数按大值取整，故n=8，除末段外尚有7个站间。,30,3、各站及站间参数,31,各站间长度li由式（10-5）得式中i=17。计算结果见表10-1表10-1各站间长度,32,各站的进站压力PZ和压力比，由式（10-18）得计算结果见表10-2,33,4、最大工作压力Pmax=5.5106Pa时的参数压力升至最大值时，Pmax=5.5106Pa，由式（10-14）得末段最大流量为：QZmax=57.977m3/s=5.009106m3/d各站出站压力Pmax增大，站间流量也增大。由式（10-14）可知QZmax2/Pmax2=常数，代入式（10-5）和式（10-18）可以看出站间距li和各站的压力比将不发生变化。但各站的进口压力PZi+1将略有上升，计算结果见表10-3.,34,表10-3最大工作压力对各站的进站压力,35,第二节预先固定某些站址的压气站布置,实际工作中，由于地形、地质、经济和社会发展各方面的需要，往往事先规定某些站的位置。剩下的问题就是如何布置其余的压气站。对于这类问题，我们一般事先知道下列条件：（1）线路的起、终点和全长，某些规定站的站址，各进气点和分气点的位置；（2）各段的任务输气量，各进气点的进气量和分气点的分气量，终点配气站的耗气量；,36,（3）首站的进站压力PZ1，终点配气站进站的最低压力P2min；（4）已知或预选各段的管径、壁厚和最高的工作压力Pmax；（5）可能选用的压缩机类型和技术参数。在上述已知条件下，往往根据经验（例如，站间距约为110150km）初步确定压气站数和布置其余站的位置。这样就等于初步确定全部站址，已知各站的站间距。结果，“预先固定某些站址的压气站布置”就转化为一个工艺核算调整再核算的问题。其步骤如下：,37,（1）根据经验确定全部压气站的站址和站间距。作出全线布置草图，图上表明各种站场的位置、站间距、各段输气量、各处的进气量和分气量，以及已知的各点压力等；（2）根据已知的流量和各站出站的最高压力Pmax，进行各段、各站间的水力、热力计算，得出各站的进站压力PZi+1和各进气点、分气点的压力；,38,（3）计算各压气站工况，求出各站的出站温度T2，压头H和功率N；（4）根据各站的变转速特性确定各站的调节方案；（5）检查各站间和各站的工作参数是否符合要求和合理。,39,如上计算成果发现问题，则进行调整，重新布站和核算。最后可能得到多个不同的布站方案，通过综合比较选定之。上一节讨论的“预先不固定站址的压气站的布置”亦可采用本节讨论的方法解决。同理，上述步骤同样可用于一条已建成的输气管的运行方案的核算与编制，不过此时各站址已完全确定，不能作任何调整而已。,40,第四节增加输气管的输气能力,已投产的输气管，在生产过程中常常进行扩建或改造，其目的主要在于提高输气管的输气能力和降低能耗。当一条输气管的最高工作压力已达到管路强度允许的最大值时，提高输气能力实际上只有两个办法：在站间铺设副管；增建新的压气站；,41,一、铺设副管某站间管路铺设副管以前的管径为D0，长度为l，起点和终点的压力分别为PQ和PZ，输气能力为Q。铺设的副管直径为D1，长度为x，输气能力增加为Q*。为了简化起见，假设铺设副管前后，压力为PQ和PZ保持不变。根据上述条件可由式（4-56）求得副管长度。在该式中,（10-19）,（10-20）,42,并令将式（4-43）代入上式得式中0、1分别为主管（D0）和副管（D1）的水力摩阻系数。,（10-21）,43,将式（9-19）、（9-20）和（9-21）代入式（4-56）,代入,44,得副管长度从式（10-22）可知副管长度主要取决于要求增加的输气能力和副管管径。若采用的副管管径与主管相同，则,（10-22）,45,铺设副管增大流量之后，一般势必引起压气站的特性发生变化。故副管长度与压力的变化都与压气站的特性有关。当全线压气站特性相同时，只要考虑站间管路和位于该站间终点的压气站之间的关系。站间管路和位于该站间终点的压气站一起研究时，可得联解得,（10-23）,如何推导,46,由式（10-22）,可得：,对于原管路，其特性方程：,47,式（10-23）说明，在其它条件相同时，副管长度实际上决定于站间终点的压气站的特性，也就是系数A和B。,48,二、倍增压气站从输气管的流量公式中可知，减小站间管路长度，也就是在站间增建新的压气站，可以增加输气管的通过能力。倍增压气站前后的输气能力可表述如下：倍增前倍增后,49,若增建新站前后，PQ和PZ不变，则但是，只要倍增压气站之后，不管原有压气站是否进行扩建（照例需要扩建并联机组），压气站的进站压力