天然气长输课程设计指导书

一、设计任务本设计所设计的中原油田至河北沧州输气管线：（1）管线全长500千米，年输气量为/a（此流量为常温常压下的流量）。（2）以全线埋深1.45m处年平均地温14.7作为输气管道计算温度，最低气温：-5。平均温度=273+14.7=287.7K（3）各站自用系数M=0.6 %（4）沿线无分输气体（5）管道全线设计压力6.0Mpa，气源进站压力5.0Mpa，进配气站压力1.8 Mpa（最高可到4.0Mpa）（6）城市用气月、日、时不均衡系数均为1.09（7）年输送天数350d（8）管道平均总传热系数：取1.75W/m2.。（9）管内壁粗糙度：取30m。（10）地震基本烈度：67度（11）天然气容积成分(%)：CH4 C2H6 C3H8 C4H10 CO2 N21. 93.3 4.6 1.4 0.2 0.25 0.252. 92.1 5.5 1.2 0.3 0.50 0.403. 91.8 4.3 2.2 0.5 0.50 0.704. 92.1 5.5 1.9 0.1 0.00 0.405. 92.5 4.3 2.0 1.1 0.00 0.106. 85.8 4.9 4.5 4.5 0.10 0.207. 89.6 5.0 3.5 1.2 0.5 0.20二、设计任务要求完成本工程的基本设计文件，包括：说明书，计算书，线路走向图，站场平面布置图及工艺流程图；论文撰写要符合一般学术论文的写作规范，具备学术性、科学性和创造性等特点。应语言流畅、准确，层次清晰、文字详略得当、论点清楚、论据准确、中心突出、材料翔实、论证完整、严密，并有独立的观点和见解。要求：1、 达到一定的设计深度要求；2、 初步掌握主要设备的选型；3、 熟悉并熟练应用常用工程制图软件；4、 熟悉储运项目设计程序步骤；5、 掌握储运项目常用标准规范；6、 熟悉并掌握天然气长输管路工艺的计算方法；7、 掌握长输管道站场的工艺流程图和平面布置图；8、 初步掌握站场管线安装设计；9、 通过与实际工程项目的结合，加深对所学知识的理解和认识。三、主要参考文献与相关标准1 姚光镇主编输气管道设计与管理东营：石油大学出版社1991.62 天然气长输管道工程设计，石油大学出版社3 冯叔初等油气集输东营：石油大学出版社2002.74 王志昌主编输气管道工程北京：石油工业出版社199745 李长俊主编天然气管道输送北京：石油工业出版社200011设计标准输气管道工程设计规范 GB50251-2003石油天然气工程设计防火规范 GB50183-2004原油和天然气输送管道穿跨越工程设计规范 穿越工程SY/T0015.1-98输油（气）埋地钢质管道抗震设计规范 SY/T0450-2004石油天然气工业输送钢管交货技术条件 第1部分：A级钢管GB/T9711.1-1997石油天然气工业输送钢管交货技术条件 第2部分：B级钢管GB/T9711.2-1999管道干线标记设置技术规定 SY/T6064-94中华人民共和国安全生产法 主席令第70号（2002）中华人民共和国环境保护法 主席令第22号（1989）中华人民共和国水土保持法 主席令第49号（1991）石油天然气管道保护条例 国务院（2001）碳钢药皮电弧焊焊条 AWS.A5.1低合金钢药皮电弧焊焊条 AWS.A5.5碳钢药芯电弧焊焊丝 AWS.A5.20低合金钢药芯电弧焊焊丝 AWS.A5.29管道下向焊接工艺规程 SY/T4071-93石油地面工程设计文件编制规程 SY0009-2004石油天然气工程制图标准 SY/T0003-2003施工及验收标准输油输气管道线路工程施工及验收规范 SY0401-1998石油和天然气管道穿越工程施工及验收规范 SY/T4079-1995石油天然气金属管道焊接工艺评定 SY/T0452-2002钢质管道焊接及验收 SY/T4103-1995石油天然气钢质管道对接焊缝超声波探伤及质量分级SY4065-93石油天然气钢质管道对接焊缝射线照相及质量分级 SY4056-93管道防腐层补口绝缘密封性试验方法标准 SY/T0074-93石油建设工程质量检验评定标准 输油输气管道线路工程SY/T0429-2000石油建设工程质量检验评定标准 管道穿跨越工程 SY/T 4104-95四、工艺计算4.1天然气物性参数各组分物性参数具体数据可参考输气管道设计与管理表1-3、1-4、1-6或设计手册表2-2-34.1.1天然气平均分子量、密度和相对密度1、平均分子量 =1692.5%+304.3%+442%+581.1%+280.1%=17.636其中 平均分子量； 第I组分的分子量； 第I组分的摩尔组成；2、平均密度及相对密度(1) 平均密度d =92.5%0.717+4.3%1.353+2%2.012+1.1%2.703+0.1%1.250=0.793 其中 平均密度； 第I组分的密度； 第I组的摩尔质量；(2) 相对密度 =0.793/1.293=0.613 其中 相对密度； 平均密度； 空气的密度；4.1.2天然气临界温度压力、对比温度压力1、视临界压力视临界温度=92.5%4.544+4.3%4.816+2%4.194+1.1%3.747+0.1%*3.349=4.539Mpa =92.5%190.58+4.3%305.42+2%369.82+1.1%425.18+0.1%125.97=201.61K 其中 、分别为第I组分的临界温度和临界压力； 第I组的摩尔质量；2、对比压力r对比温度 Pr 其中 P平均压力； T平均温度；4.1.3天然气粘度参阅油气集输中有关粘度的计算公式如下：已知天然气所处压力、温度条件下的密度（kg/m）和标准状态下的相对密度，可按下式进行计算其粘度： 毫帕秒 其中 =2.57+0.27810.613+1063.6/287.7 =6.44 =1.14 =0.01066式中 天然气粘度，毫帕秒； T天然气温度，K； =0.毫帕秒混合气体的运动粘度 =.64.1.4定压摩尔比热容Cp参阅油气集输中有关定压摩尔比热容的计算公式如下天然气的定压比热容与其组成、压力、温度有关，可按下式计算： 其中 天然气的定压摩尔比热，千焦/（摩尔K）； 天然气的温度； 压力，帕；4.1.5混合气体的密度（1）混合密度可参考输气管道设计与管理公式1-31 =0.793式中：i组分的百分含量； i组分的摩尔分数； i组分的摩尔体积。 （2）相对密度可参考输气管道设计与管理公式1-34、1-35、1-36 =0.613 式中：i组分的摩尔质量； i组分的摩尔分数； Ma空气摩尔质量。（3）压缩因子计算方法1：可参考设计手册2-2-9、2-2-10，可由表2-2-6查表得出或查图2-2-2求得压缩系数 对比压力 对比温度 式中： 临界压力； 临界温度 ； 组分的摩尔分数 ； %组分的摩尔质量； 组分的临界压力； 组分的临界温度。 计算方法2：压缩因子也可其他由经验公式求得，其他公式可参考输气1-181-19或手册2-2-112-2-14 4.2管径的确定选取方法：由gb50251-2003公式(3.3.2-1)或输气公式4-9，手册公式4-2-1，可求得管道内径D，通过查输油管道设计与管理附录1，可选取两种尺寸相近的管道。 参考输气管道工程设计规范GB 50251-2003中提供的公式：1、当输气管道沿线相对高差且不考虑高差影响时，采用下式计算： =44.2cm式中 气体（）的流量（）；输气管内直径(cm)；，输气管道计算管段起点和终点压力（绝）（）； 气体的压缩因子；气体的平均温度（K）；输气管道计算管段的长度（km）；气体的相对密度；输气管道的效率系数（当管道公称直径为DN300-DN800mm时，E为0.8-0.9；当管道公称直径大于DN800mm时，E为0.91-0.94）。2、当考虑输气管道的相对高差影响时，采用下式计算： 式中 系数（），； 空气的气体常数，在标准状况下， 输气管道计算管段的终点对计算的起点的标高差； 输气管道沿线计算管段数。计算管段是沿输气管道走向从起点开始，当相对高差200m时划作一个计算管段；，各计算管段终点和对该端起点的标高差（m）； 各计算管段长度.4.3水力计算1）根据4.2选取的管径分别计算混合气体雷诺数，可由输气公式4-17、手册公式（2-4-6）求得。公式中可由燃气工程技术手册第一章第四节相关内容和燃气输配表1-2来确定。2）计算出雷诺数后，判断流体流动状态，然后再由水力摩阻系数相关公式（2-4-9）（2-4-11）确定摩阻系数。3）部分有关公式如下1、雷诺数可按下式计算： 又有 所以 其中 雷诺数； 工程标况下的体积流量，； 空气的密度，取； 工程标况下的密度，； 天然气对空气的相对密度； 输气管的内径， 天然气的粘度，根据雷诺数可判断天然气的流态 （1） Re2000 层流； （2） Re3000 紊流； 工作区可按以下两个临界雷诺数公式来判断： 其中 馆内壁的当量粗糙度，mm 当 Re 为水力光滑区； 当 Re 为阻力平方区；2、水力摩阻系数（1）层流区摩阻系数按下式计算 （2）临界过渡区的摩阻系数按下式计算 （3）紊流区摩阻系数按下式计算 4.4布站计算4.4.1管道特性公式 由输气公式4-36b （ Q=32.18 式中PQ最高操作压力， Mpa； Pz进口压力， Mpa； L管线长度 ， Km； Q气体流量 ， m3/s。其中系数C由下列算得 =63266.7 式中摩阻系数； 压缩因子； 天然气相对密度； 温度； 取0.03848 管道直径；m 4.4.2布站计算1）不固定站址2）参考输气P147页方法2，和P154页压气站布置的基本步骤，也可按例题9-1步骤确定压气站布置。确定平均站间距A=5.91 B=6.06106 = 290km 其中公式中=63266.7确定管道末端储气长度L1：例：设计要求储气能力Vs=32.1824360010%=2.78105m3 取P1max=6.0Mpa,P2min=1.8Mpa, 取LZ=100Km时 P1min= =3.13Mpa P2max= =5.43Mpa 计算平均压力 Pcpmin= = =2.52Mpa Pcpmax= = =5.71Mpa 管道容积 V=15343.9m3 储气能力 VS= = =4.83105m32.3105m3 储气能力满足设计要求，但是超过太多，需重新取值。取LZ=60Km P1min= =2.55Mpa P2max= =6.00Mpa 计算平均压力 Pcpmin= =1.97Mpa Pcpmax= =6.00Mpa管道容积 V=7671.9m3 储气能力 VS= =3.21105m32.75105m3 满足储气要求，所以取LZ=50Km 确定压气站数 ，结果向上取整 n =33）压缩机的选型压缩机选型应注意以下几点：（1）压缩机组的选型和台数，应根据压气站的总流量，总压比，出战压力，气质等参数进行技术经济比较后确定。（2）压气站选用离心式压缩机，单机级压缩的压比可在1.2-1.5。（3）统一压气站内的压缩机组，宜采用一机型，并有一台备用。（4）压缩机的原动机选型，应结合当地能源供给情况，进行技术经济比较后确定。（5）在本设计中由于输送的是天然气，所以选择燃气轮机，取采方便稳定较少其他设备投资。参考gb50251-20036.6节，输气第七章 第一节参考例题压缩机和驱动选择1压缩机根据管道的输量和各站的压力比及组合方式由经验选择压缩机的型号。压缩机的有关参数: 型号PCL802-1/30型离心压缩机； 功率3016Kw ； 压比1.5； 排量37.5m3/s ； 压力7.15Mpa； 进口温度T140； 出口温度T22000Kw时 g=0.97-0.98； 当1000KwN2000Kw时 g=0.96-0.97； 当N1000kw时 g=0.94。 c转动时传动效率,直接传动， c=1.0； 用齿轮增速箱传动时， c=0.93-0.98。（2）混合气体在进口温度为20下的绝热指数K 由式 得到混合气体绝热指数 K=1.29由K查得多变指数 m=1.5根据压缩机的压力比是e、进口温度T1，可计算出口温度： =335k413k满足要求从实际气体的进、出口温度是否均小于压缩机所允许的数值，来判断从温度方面校核所选压缩机是否满足要求。（3）功率及工作点4.4.3管道末段储气能力利用管道末段储气是在夜间用气低峰时，燃气储存在管道中，这时管内压力增高，白天用气高峰时，再将管内储存的燃气送出。这是平衡小时不均匀用气的有效办法。末段储气能力暂采用稳定流动法做近似计算分析，参考天然气长输管道工程设计计算公式如下：=.3 m3=6.00Mpa=2.55Mpa =1.97Mpa =6.00Mpa式中： Vs 末段储气能力，（m3）；d 末段管线管径，（m）；Pmmax 末段储气结束时平均压力，（Pa）；Pmmin 末段储气开始时平均压力，（Pa）；P0 标准状态下压力，10132.5Pa；T0 标准状态下温度，293.15K；T 末段储气时平均温度，（K）；Z 末段储气压缩系数；Lz 末段管线长度，（m）；qv 输气流量，（m3/s）；P1max 末段储气终了时的起点压力，（Pa）；P1min 末段储气开始时的起点压力，（Pa）；P2max 末段储气终了时的终点压力，（Pa）；P2min 末段储气开始时的终点压力，（Pa）； 摩阻系数； 天然气相对密度；C0.03848。要求的储气能力为每天燃气流量的10%。4.4.4输气管道压力分布与平均压力：参阅天然气管道输送中有关公式如下1、沿线压力分布 2、平均压力 =3.7Mpa 式中 距输气管起点距离x处的压力； 输气管道的平均压力； 、输气管道计算管段的起点、终点压力； 所选点距输气管计算起点的距离； 输气管的计算长度；4.5输气管热力计算参考gb502513.3.3节内容，手册第二章第五节内容，输气第五章，或教材第八章。4.5.1 管道温度分布管道沿线任一点的温度分布公式如下： 4.5.2管道平均温度：管道的平均温度计算公式如下： =287.1k以上两式中 =210(-6)其中 管道的总传热系数， 管道的内径，m 气体的质量流量，K 距输气管起点距离x处的温度，K；输气管道的平均温度，K； 输气管起点处温度,K； 管道埋深处低温,K；、输气管道计算管段的起点、终点压力，Pa；4.6结构设计计算4.6.1 结构设计核算管道的强度设计包括壁厚设计、管材选择和应力校核计算。许用应力按下式计算： =0.721.0241=173.5Mpa式中：-输气钢管的许用应力（MPa）焊缝系数，取1.0s管材最低屈服强度（MPa），F-设计系数，4.6.2 管道壁厚的确定管材与壁厚是密切相关的，选用合适的管材，既可以满足安全生产的需要，又可以减少钢材消耗量、减少运输量、降低工程造价。原则：满足工艺和安全要求；考虑管网将来有升压的余地。管道壁厚按下式计算： =0.76cm式中： 钢管计算壁厚，cm；A管材最低屈服极限，MPa；P设计工作压力，MPa(a)；D管道外径，cm焊缝系数，采用符合GB/T9711.1-1997标准的钢管，1；t温度折减系数，温度120oC时，t=1；F设计系数：一级地区，F=0.72；二级地区，F=0.6三级地区，F=0.5 ；四级地区，F=0.4用钢量按下式计算： M =0.L（D-） =4.14106L 钢管长度，m； D钢管外径，mm；钢管计算壁厚，mm某些钢管的强度计算参数见下表表4-1 钢管的强度计算参数设计系数一级地区：0.72二级地区：0.6三级地区：0.5四级地区：0.4安装温度环境温度运行温度钢管埋深处地温，年平均14.7钢管最低屈服强度L360 S360MPaL415 S415MPaL450 S450MPaL485 S485MPa4.7管道强度和稳定性校核计算方法和步骤请参考手册第三章第三节4.7.1 当量应力校核1、环向应力核算由内压产生的环向应力按下式计算： =174.5Mpa式中：h管段钢管的环向应力（MPa）P-设计内压力（MPa）d-钢管内径（mm）-钢管壁厚（mm）2、 轴向应力核算1）当管段的轴向变形受约束时： =89.4Mpa2）当管段的轴向变形不受约束时：=87.2Mpa式中：a管段钢管的轴向应力（MPa）Es-钢材的弹性模量，取2.06105（MPa）-钢材的线膨胀系数，取1.210-5m/(m.)t1-管道安装闭合时环境温度（），取5t2-管道内输送介质的温度（），取20-钢材的泊松比，取0.3经计算，钢管：a=87.2MPa=241Mpa；因此，管线由温差和内压产生的轴向应力满足要求。3、穿越管段弹性敷设产生的弯曲应力核算穿越管段弹性敷设产生的弯曲应力按下式计算： =78.68Mpa式中：b钢管弯曲时钢管的轴向弯曲应力（MPa）Es-钢材的弹性模量，取2.06105（MPa）D-钢管的外径（mm）R-弹性敷设半径（mm）R=mm经过计算，b=78.68MPa=241Mpa，因此，穿越管段弹性敷设产生的弯曲应力满足要求。4、当量应力核算当量应力按下式核算： =87.2Mpa经计算，？钢管：e=87.2MPa0.9s=216.9Mps；穿越管段的当量应力满足规范要求。对每一种规格的钢管，只需要对最小的壁厚进行稳定性校核即可。4.7.2输气管道的稳定性校核管道的径向稳定性应按无内压状态校核：D x 0.03 D=0.030.442=0.1306m =0.00323 m=3.23mmx 钢管水平方向最大变形量(m)；Dm钢管平均直径(m)；W作用在单位管长上的总竖向荷载(N/m)；Z钢管变形滞后系数，宜取1.5；K基床系数，取0.103；E管材弹性模量(N/m2)；I单位管长截面惯性矩(m4/m)；n钢管公称壁厚(m)；Es土壤变形模量(N/m2)，取2.8106。由于管道穿越公路时均有套管保护，所以作用在管道上的总竖向荷载仅考虑土壤的重力，可假设管道最大埋深为2m。4.7.3 输气管道疲劳性能校核由于储气管网系统的特殊工况，导致了系统的压力频繁波动，可能对管道强度产生影响。但是，在GB50251-2003输气管道工程设计规范以及有关的手册中，并没有对此提出要求，设计难以定量分析。可参考SH/T 3041-2002石油化工管道柔性设计规范中表5.0.2的有关数据加以说明。管道设计寿命按30年计，年运行350天，最大总压力循环次数为10500次，许用应力范围减小系数取f=0.9，利用下式校核管道壁厚。=0.85cm=8.5mmA=fs =216.9Mpa式中： 钢管计算壁厚，cm；f应力降低系数， f =0.9；s管材最低屈服极限，MPa；P设计工作压力，MPa(a)；D管道外径，cm焊缝系数，采用符合GB/T9711.1-1997标准的钢管，1；t温度折减系数，温度120oC时，t=1；F设计系数4.8抗震设计按照输油（气）钢质管道抗震设计规范的规定，对位于设计地震动峰值加速度大于或等于0.2g地区的管道，应进行抗拉伸和抗压缩校核。4.8.1 地震波作用下所产生的最大轴向应变 =0.0002 (4-2)其中：最大地面速度，m/s；c波的传播速度，即场地剪切波速，m/s；max地震波引起的最大管道轴向应变。4.8.2 操作条件下的管道轴向应变 =0.00042 (4-3) =15.24Mpa (4-4) =174.4Mpa (4-5)其中：操作条件下管道的轴向应变；被土壤摩擦力嵌固的管段在操作条件下的应力，MPa； h由内压引起的管道环向应力，MPa；p管道内压，MPa；n管子公称壁厚，mm；d管子内径，mm；E钢材的弹性模量，MPa；t1管道下沟回填时温度，；t2管道的工作温度，。4.8.3 管道抗震动校核 (4-6)式中：maxt，maxc 地震波引起的最大轴向拉、压应变； 操作条件下管道的轴向应变；tv，cv埋地管道抗振动的轴向容许拉伸、压缩应变。4.8.4 埋地管道抗振的轴向容许应变：容许压缩应变可按下式计算 (4-7)=0.357.6/442=0.006式中： 管子壁厚，mm；DH管子外径，mm；容许拉伸应变tv0.9%。五、设计说明5.1设计的工艺要求(1) 工艺规定具体可参考gb50251-94输气管道工程设计规范3.1(2) 工艺设计具体可参考gb50251-94输气管道工程设计规范3.25.2 线路5.2.1线路选择原则 具体可参考gb502514.15.2.2地区等级划分 具体可参考gb502514.2 5.2.3线路勘察 参阅手册第三章 线路 第一节 线路选择与勘察5.2.4 管道敷设参阅gb502514.3，手册第三章 线路 第五节 管道敷设5.2.5 截断阀的设置参阅gb502514.4，手册第三章 线路 第五节 管道敷设5.5.6 线路构筑物参阅gb502514.5，手册第三章 线路 第五节 管道敷设5.5.7 标志参阅gb502514.6，手册第三章 线路 第五节 管道敷设5.5.8 钢管及附属材料的选用参阅手册第三章 线路 第七节 ，gb5025155.3 输气站场5.3.1 压气站参阅手册第四章 站场 第二节 ，典型工艺流程图见第一节5.3.2调压及计量参考gb50251-20036.2节输气站内调压，计量工艺设计应符合输气工艺设计要求，并应满足开、停工和检修的需要。调压装置应设置在气源气压不稳定，且需要控制进气站压力的管线上，分输气机配气管线上一级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。气体计量装置，应设置在输气干线的进气管线上，分输气机配气管线上以及站场自耗管线上。5.3.3 清管参考gb50251-20036.3节5.3.4压气机组的布置和厂房设计原则参考gb50251-20036.4节压气机组布置应注意以下几点：（1）压气机组应根据工作环境及对机组的要求不只在露天或厂房内。在高寒地区或风沙地区宜采用全封闭厂房，其它地区宜采用敞开式厂房。（2）厂房内压缩机及其辅助设备的布置应根据机型机组功率、外形尺寸、检修方式等因素按单层或双层不止，并符合系列要求：a. 两台压缩机组的突出部分艰巨，应能满足操作，检修的场地和通道要求。b. 压缩机组的布置应便于管线的安装。c. 压缩机基础不得与厂房基础及其上部机构相连接。厂房设计