天然气长输管道课程设计

专业课设计天然气长输管道课程设计一、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800千米，年输气量为7108/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（1-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），站压比宜为1.21.5，站间距不宜小于100km；（6）城市用气月、日、时不均衡系数均为1.09；（7）年输送天数350天；（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 N289.6 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。10、书写设计说明书。设计流程：1、根据天然气的组成计算物理性质、热力性质和燃烧性质；2、根据经济流速法或压差法确定管道直径，本设计全程采用统一管径，并选取几组相应的壁厚参数；3、用不固定站址法布站：首先确定根据储气量要求确定末段管道长度，根据升压比、流量进行压缩机选型，并用最小二乘法计算压缩机特性系数，确定平均站间距，得到压缩机站数，并取整；4、计算管道壁厚；5、对几种运输方案进行经济性比较；6、对管道进行强度、稳定性等校核。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（以下简称手册）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2000116 王树立等，输气管道设计与管理，北京：化学工业出版社.2006.1 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石油天然气工业输送钢管交货技术条件第3部分：C级钢管GBT 9711.3-2005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2-3或设计手册表2-2-3及表2-2-4。（此处按照设计手册计算）4.1.1天然气平均分子量1、平均分子量 =16.04389.6%+30.075.0%+44.0973.5%+58.1241.2%+44.010.5%+28.01340.2%=18.395 其中 平均分子量； 第i组分的分子量； 第i组分的摩尔组成；或参阅输气管道设计与管理公式2-74.1.2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=4.544*89.6%+4.816*5%+4.194*3.5%+3.747*1.2%+7.29*0.5%+3.349*0.2%=4.547MPa =190.55*89.6%+305.43*5%+369.82*3.5%+425.16*1.2%+304.19*0.5%+126.1*0.2%=205.849K其中 、分别为第I组分的临界温度和临界压力； 第I组的摩尔组成；2、对比压力r对比温度 Pr=64.607=1.319 =287.7205.823=1.398 其中 P平均压力； T平均温度；4.1.3天然气粘度参阅输气管道设计与管理公式2-70，可得常压下混合气体的动力粘度。温度和压力对粘度的影响可以参，照公式2-69和图2-3计算得出；或者参照设计手册P107页内容。此处按照天然气长输管道工程设计P107页计算。（即油气集输P101页）=(iyiMi0.5)/ (yiMi0.5)= 1.028E-05 毫帕秒式中天然气粘度，毫帕秒； ii组分的动力粘度 Mii组分的相对分子量 yii组分的摩尔分数4.1.4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：(此处按照油气集输P103页（2-23）式计算) = 2.1504千焦/（摩尔K）Cp=13.19+0.092T-6.24*10-5T的二次方+(1.915*1011Mg p的1.124)/T的5.08次方= 43 (此处为书上公式)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；或参阅输气管道设计与管理公式2-97、2-98，表2-12.4.1.5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2-65 =(16.043*89.6%+30.07*5.0%+44.097*3.5%+58.124*1.2%+44.01*0.5%+28.0134*0.2% )/( 22.363*89.6%+22.182*5%+21.89*3.5%+21.421*1.2%+22.262*0.5%+22.403*0.2%)= 0.Kg/立方米式中：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2-66 =(16.04389.6%+30.075.0%+44.0973.5%+58.1241.2%+44.010.5%+28.01340.2%) /28.964=0.635 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，或者查阅输气管道设计与管理图2-1： 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（石油大学版）1-181-19或设计手册2-2-92-2-14 （P59） 查表、查图或通过经验公式计算得出 =0.83494.1.6 天然气的热导率参阅输气管道设计与管理公式2-116和表2-14、2-15等相关公式；参阅设计手册P113页4.1.7 天然气的热值、华白数、燃烧势、爆炸极限参阅输气管道设计与管理第二章第六节，或者参阅设计手册P101页相关内容计算。华白数 Ws=Hs/0.5=37916.202/0.6350.5=47581.482 千焦/立方米此处按照输气管道设计与管理54页计算H的0次方=yiHi的0次方=32829*89.6%+69759*5%+99264*3.5%+*1.2%+0*0.5%+0*0.2%=37916.202 （大热值）=35807*89.6%+63727*5%+91223*3.5%+*1.2%+0*0.5%+0*0.2%=39885.151 （小热值）H=H的0次方/Z=37916.202/0.837=45300=39885.151/0.837=47652.51式中 Hi的0次方-i组分的理想状态下的热值，千焦/立方米；H的0次方-理想状态下混合气体的热值。千焦/立方米；Z-标准状态下燃气的压缩因子。4.2管径的确定根据经济流速，可求得管道内径D，查阅设计手册P203-226页，或查阅GB9711.3-2005，可参考输油管道设计与管理附录1，可选取两种尺寸相近的管道，并选取相应壁厚。 经济流速：长输管道经济流速是37m/s；场站内的架空管道流速范围为1530m/s，这个数据的出处是DL/T 5174-2003 燃气-蒸汽联合循环电厂设计规定。站内管道小于2公斤压力的1015m，大于的，可以做到1530m，但在设计过程中，一般天然气站场流速按812m/s控制。流量 Q=GZ/T=7*108*0.8349/350*24*3600=19.326直径 d=(4Q/v)0.5=（4*16.64/3.14*30）0.5=0.90584.3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。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 (此处改为1.536)=1.534*19.326*0.635/0.9364*1.02859*10-5=1.9545*106 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： =59.7/(2*30*10-3/936.4)8/7=3.701*106 =11/(2*30*10-3/936.4)1.5=2.145*107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 =0.3164/Re0.25=0.3164/(1.9545*106)0.25=8.46*10-3（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 或其他经验公式4.4布站计算4.4.1 站间管道特性公式 由输气公式6-9改写为 ： 式中PQ最高操作压力， pa； Pz进口压力， pa； L管线长度 ， m； Q气体流量 ， m3/s。其中系数C由下列算得 式中摩阻系数； 压缩因子； 天然气相对密度； 温度； 取0.03848 d管道直径(内径)，m； 4.4.2布站计算1、不固定站址法2、首先参考输气管道设计与管理P187页内容确定末段储气管道的长度，再参照第五节 压气站布置，按照中间分集气、不考虑地形起伏高差的压气站布置方法进行布站。（1）确定管道末端储气长度L1：确定设计要求的储气能力Vs，取日最大用气量的10%。小时最大用气量的计算： =Q计算流量（Nm3/h）；Qy年用气量（Nm3/a）；K1月高峰系数K2月高峰系数K3月高峰系数 预定末段管道长度L，确定P1max、P2min； 根据4.3介绍的相关摩擦阻力系数计算公式，代入公式 计算系数C； 根据管道特性方程，改写为P1min=，和P2max=，计算P2max、P1min；取P1max=5.5、P2min=2 计算平均压力Pcpmin和Pcpmax，Pcpmin= Pcpmax= 计算管道末段储气能力Vs，并与要求的储气能力Vs相比较，如差别超过10%，重新预定末段管道长度L，重复-步骤，直到相互接近为止。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：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。例： 取P1max=5.5Mpa,P2min=2.0Mpa, 取LZ=10Km时P1min= =.7paP2max=.3pa计算平均压力 Pcpmin= =2.0013 MpaPcpmax=5.4988Mpa管道容积V=m3储气能力VS= =2.376105m3 满足要求。（2）确定平均站间距确定平均站间距A=5.49 B=4.23 式中：Q首站出站流量Q，在设计计算时取Q=1.1Q0=28.71.1=31.57m3/s，（Q0为任务输量） 其中公式中（3）确定压气站数 ，结果向上取整5.（4）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，压缩机与驱动机选用手册P2421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RFB-36型离心压缩机； 功率25094Kw ； 压比1.2； 排量8.3m3/s ； 压力3.88Mpa； 进口温度T140； 出口温度T2140； 外型尺寸(mm) 270017002800 四台并联使用。(2)由设计流量的关系,故一台压缩机即可 由公式11 取压缩机的多变效率为=0.9，气体的绝热指数=1.4 由式 得 =1.5 又由 得 代入公式 得 其中 G= 得 取压气机特性系数为A.B 当=5.875时 =1.0067； 当Q=4.755时 =1.0082；当Q=4.563时 =1.0086；当Q=4.159时 =1.0094；当Q=4.000时 =1.0098；当Q=3.988时 =1.0098。2特性方程计算（1）测点计算表3-1特性方程测点数据Tab3-1 The measuring point data of characteristic equation测点123456Q5.8754.7754.5664.1594.0003.988e1.00671.00821.00861.00941.00981.0098 =34.516+22.610+20.845+17.297+16.000+15.904 =127.172 =1.0134+1.0164+1.0171+1.0191+1.0200+1.0200 =6.106 =1191.33+511.21+434.65+299.20+256.00+252.94 =2945.33 =131.53=3041.47 a =5.49 = =6.02 （2）离心压缩机特性方程 B =4.233驱动机选取功率 与离心式压缩机相匹配的燃气轮机的参数： 型号: ； 功率: 25094； 重量: 。4.5 管道壁厚计算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： 查表API可以选965.0mm管径式中： 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这里取三级地区。某些钢管的强度计算参数见下表表1-2 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 S485MPa用钢量按下式计算： M =0.L（D-）L 钢管长度，m； D钢管外径，mm；钢管计算壁厚，mm4.6 方案比较和经济评价计算多组管径、壁厚、压缩比的组合，选择其中经济性最优的方案。可按以下公式列表计算，或利用教材P191公式进行计算：年当量费用按下式计算 式中 ： S年当量费用；J总投资或建设费用；T抵偿期； Y年经营费用。管线投资 J1=管长价格 ； （万元） 机组投资 J2=万元/台台数站数运行费用 Y=年供气量气天然气价格台数； （万元）压气站费用 J3=中间站投资+首站投资+末站投资；（万元）总投资 J=J1+J2+J3。 （万元）4.7校核计算4.7.1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。（1 ） 管道温度分布管道沿线任一点的温度分布公式如下： （2）管道平均温度：管道的平均温度计算公式如下： =289.6K=16.6以上两式中 kg/m3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；4.7.2管道强度和稳定性校核1） 当量应力校核4.7.1 当量应力校核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： =0.51.0413=206.5Mpa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，环向应力核算由内压产生的环向应力按下式计算： Mpa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： =35.82Mpa2）当管段的轴向变形不受约束时：=81.85Mpa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14.7t2-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=89.2MPa=206.5Mpa；因此，管线由温差和内压产生的轴向应力满足要求。2）输气管道的径向稳定性校核（参阅设计手册第三章P174）（一）径向稳定验算（1）管道的刚性（2）径向稳定验算管道的径向稳定性应按无内压状态校核： x 0.03 D=0.030.9364=0.02809mD =0.m=3.078mm m4/m x 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365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。A=fs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4.7.4抗震设计按照输油（气）钢质管道抗震设计规范的规定（GB 0450-2004和GB18306-2001），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。或参阅天然气工程手册P310。（1） 地震波作用下所产生的最大轴向应变 = 0.0002 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： 人工填土: 136 m/ s ; 淤泥质粉质粘土: 155 m/ s ; 粗砂: 174 m/ s ; 中细砂:182 m/ s ; 粗砾砂: 188 m/ s ; 中风化玄武岩: 456 m/ s ; 微风化玄武岩: 826 m/ s。max地震波引起的最大管道轴向应变。（2 ）操作条件下的管道轴向应变 = 其中：-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14.7t2-管道内输送介质的温度（），取20-钢材的泊松比，取0.3 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，209GPa；（3） 管道抗震动校核 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） 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： =0.5189 % 式中： 管子壁厚，mm；DH管子外径，mm；容许拉伸应变tv0.9%。五、施工及安装说明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gb502514.25.2.3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