输气管道设计模板

11引言人类使用的燃料经历了漫长的禾薪时代和燃煤时代，现在已进入石油和天然气时代。气体燃料在能源结构中的比例，是人们生活水平、生活质量和社会发展进步程度的重要标志。天然气作为能源和化工原料，在国民经济发展中日益占有更重要的地位。天然气的热值高，每立方米高达33MJ，不含灰份，容易燃烧完全，不污染环境，运输方便，价格低廉是理想的工业及民用燃料。用在发电方面可使火力发电站的投资比燃煤减少20左右，而且管理方便，易于实现自动化，发电成本大大下降。用在炼铁上，可是焦比下降15以上，获得更好的经济效益。在民用方面，煤炉热效率一般只有2025，而一个构造良好的天然气炉灶热效率可达60以上，而且方便，卫生，很受居民欢迎。天然气的主要成分是甲烷及少量的乙烷、丙烷、丁烷等。甲烷除用作燃料外，还可直接用于生产氢氰酸、二硫化碳、卤化甲烷、炭黑等；经裂解得到乙炔，从乙炔出发可以生产塑料，裂解后得到乙烯、丙烯、丁烯，也可生产合成橡胶、合成纤维、塑料及其他一系列产品。天然气中有的还含有少量的硫化氢、二氧化碳、氮、氦等，也是极有用途的原料。硫化氢可用于生产硫磺，硫酸，二氧化碳可以制造成冰，氦更是国防和原子能工业需要的产品。专家预测，在21世纪的能源结构中，天然气将占主导地位。我国天然气资源非常丰富，是今后一个时期国民经济发展的重要因素之一；也是石油天然气工业新的经济增长点。大力开发和利用天然气资源已在我国兴起。管道输送天然气是天然气输送的主要方式，管道输送具有能耗少、运费低、运量大、连续密闭输送、安全性好的优点。近年来天然气的经济和环保价值日益受到各国重视，探明储量已超过了石油，天然气工业发展面临新的机遇。天然气管道发展的方向是长距离、大口径、高压力、自动化。天然气产地往往远离消费中心，需要建设长距离输气管线。同样输量下，建设一条大口径高压管道比建几条小口径低压管道更经济，在一定范围内提高压力可以增加经济效益。阿拉斯加输气系统全长7764KM，俄罗斯乌连戈依波马雷乌日格罗德管道长4451KM。有报道说世界上管径目前已发展到2020MM。从以上这些我们可以发现，天然气不管对居民还是工业都具有很重2要的意义。那么如何用最少的费用把天然气送到用户手中则是摆在我们面前最现实的问题。我的毕业设计就是关于这方面的。随着世界对能源需求量的不断增长和大批边远油气田的开发，20世纪70年代以来，世界长输管道得到了迅速发展。近30多年来，欧美各国投入了大量资金建设了一大批长距离、大口径输气管线美国为了开发利用阿拉斯加的天然气资源，于19801986年建成了美国横贯阿拉斯加输气管线系统，该系统贯穿阿拉斯加和加拿大境内，向美国本土48个州输气，总长达7763KM。前苏联至1987年以来，输气管道的平均长度已近2000KM，天然气的平均运距猛增2000年是10年前的14倍，20年前的3倍，30年前的46倍。近20多年来，我国长输技术也有很大的发展，有的已达到了世界先进水平。有“地下能源大动脉”之称的我国管道运输已形成覆盖16个省区市，四通八达、输配有序的石油、天然气管网体系，建设总里程突破2410KM，全国100天然气、90以上的原油运输通过管道完成，管道运输已居我国运输行业的第四位。“十五”期间，规划拟建中的西气东输干管，将横跨我国东西部，也为接入周边国家丰富的天然气资源创造了有利条件，必将成为发展西部，促进东部经济腾飞必不可少的物质基础“西气东输”工程建设是我国实施西部大开发的重大举措，它为进一步发展我国的长输管道和进一步提高我国的长输技术水平提供了新的机遇以及挑战。管道输送是天然气运输的一种主要方式，一般埋地敷设，具有建设快，运输成本低，工作安全可靠等优点。近几年，天然气管道输送在世界范围内得到了飞速发展。目前世界已建成管道200多万千米，随着管网规模的扩大和管道科技水平的提高，天然气管道运输在世界经济和大部分工业发达国家经济中起着越来越重要的作用。天然气管道建设的特点是朝着大口径，高强度，高压，薄壁厚，长距离的方向发展，并且随着电子计算机、仪表自动化技术的发展，目前国外已广泛采用“监控与数据采集系统”来完成对天然气管道输送的自动监控和自动保护，并已成为管道自动控制系统的基本模式。目前，最长的输气干线大约5000千米以上。国外新建管线的输送压力较过去为高，俄罗斯输气管线的压力一般为10MPA左右，美国阿拉斯加输气管线压力高达118MPA。32总论21设计的目的及意义随着管道建设的大型化，建设管道需要耗费巨额基建投资，使得人们要寻求一种最佳组合方案，以求费用最小。即是根据技术经济学的原理，通过对各个可行方案的技术分析、经济比较和效益评价，寻求到技术与经济的最佳组合，以确定技术先进、经济合理的最优经济方案。就天然气管线而言，如何通过对各个可行方案的技术分析和经济比较，寻求管径D、壁厚、压缩机站数目N、压缩机站间距L、以及压缩机站进、出口压力PB、PH等主要技术经济参数最佳组合（在满足一定约束条件的情况下），使得系统的年折合费用最低。这样，通过管道系统的优化研究，可以得到经济合理的设计方案和运行参数，使得系统工作在最佳状态下，达到节约能源、少投入、多产出以达到节省基建投资和提高经济效益的目的。可见，对管道进行合理的设计是具有重大的意义。22设计范围按照设计任务书的要求，本设计的范围包括满州里大连输气管道工艺设计、与此对应的配套设施的技术方案、整个工程的投资估算和经济评价。23设计内容1编制工艺设计说明书1最优方案的选择论证2工艺设计成果说明3工艺流程说明2编制工艺计算书1水力计算2热力计算3强度计算4技术经济计算5设备选择计算6电算框图3绘制设计图纸4绘制压缩机站工艺流程图3设计说明书31原始数据1线路纵断面情况见表31表31线路纵断面数据桩号里程（KM）高程（M）桩号里程（KM）高程（M）桩号里程（KM）高程（M）123456789101112131415161718192021220172000198000223000234000253000262000267000287000301000308000318000321000325000340000343000349000364000373000381000385000393000678600655617640632693740684829701724828755788778778830952940950800232425262728293031323334353637383940414243444040004440004940005680006620007350008030008740009340001004000210400010380001046000106200010780001090000110700011160001135000114500011630001165000780560380290160153140134138139177240278238211193169174194219207201454647484950515253545556575859606162636411720001200000122100012600001265000128700013120001340000136900014100001434000147000015120001540000157100016070016390001676000174800018310002132221981762001611501309010060503550100295180801801052天然气组分见表32表32天然气组分CH4C2H6C3H8C4H10CO2COH2N2H2S分子量160433007440975812440280201628023409体积973115020900208007900700303000123沿线进、分气情况见表33表33沿线进、分气情况进、分气点至起点距离KM223308385874114512601369143415401607进气量106标M3/天326分气量106标M3/天4050195119528133119681203116311设计的基本依据1任务输量第一期工程193亿标立方米/年；第二期工程257亿标立方米/年；2管道额定工作天数360天/年；3最高工作压力96MPA；终点配气站允许最小工作压力12MPA；4管道全长1831KM；6312本设计的常用数据表34本设计常用数据气体绝热指数K15沿线年平均地温T0287K总传热系数W/M2KK175压缩机效率08统计常数（410元/KM）AO200统计常数（410元/KMMM）A14215统计常数（410元/KMMM）A2114与功率无关的一座压缩机站的投资（410元/座）BO1000与功率成正比的压缩机站的投资（410元/座KW）B12输气管线路部分（每一千米）的年经营费用（410元/KMA）CO02与功率无关的每座压缩机站的年经营管理费用（410元/A）C1250压缩机站单位功率的年经营管理费用（元/KWH）C204732本设计的设计依据及可行性分析本设计是根据实地分析并结合数据等条件而实施的，是合理地按照天然气管道输送的有关规定而设计的。现已完成的西气东输工程证明，从当今我国输气管道的技术条件来看，对管道进行优化设计是可行的。并且具备对管道进行优化设计并确定出最优方案和最优参数的能力。33本设计的主要设计内容输量是管道设计的重要依据。以往的优化研究都是以管线满足某一特定输量为目的，寻找综合费用最少的方案。但在实际工程中，管线系统的规模取决于上游资源和下游市场两个方面。资源的开发与市场的发展都是一个长期的过程，不可能一蹴而就。我们在规划设计中应考虑到输量是一个动态的变量，通过市场调研尽可能准确地预测输量，提出增长计划，作为管线设计的依据。特别是输送距离长、输量大、运行期长的大型管道一般不会立即达到满负荷状态，输量会随着时间的增长逐步达到最大输气规模，各期输量和实施时间对管道经济性影响更大。如果仅按一种输量（如最大规模）设计管道，得到的方案不一定适合各期输量，不一定是费用最少的。管道一旦建成，如果不建复线或副管，能调节输量的手段就只有在可能范围内改变压气站站数及工作参数。设计时必须考虑分期建设方案，管道也相应要分期建设，管线系统的输气能力要与各期输量相匹配。建设初期数量较小，压气站和压缩机组数目也较小，以后再随输量的增长而增加。本设计研究如何求得长距离输气管道系统的一些重要参数（管径、工作压力、壁厚、压气站数、站间距、压比等），确定一个经济有效的设计方案。设计方案应满足以下条件1）最大可能地对所有的或若干消费者供气；2）在确保规定输量的情况下，用于管道基建投资和输气时的运营费用最低。为此，必须要遵守如下工艺上的限制压缩机站的出口压力不应超过根据管路强度条件的最大允许压力；城市配气的站的进口压力不应小于最低允许压力；所有离心式压缩机组应在远离喘振的区域工作；所有压缩机组均应在不超过其最大允许功率的条件工作。8341基本假设本研究是为项目前期方案选择提供参考，特作如下的假设1）管道按水平输气管计算；2）全线输量相同；3）全线管径、壁厚相同。一般解决这些问题最常用的方法是数学分析法和方案比较法。但无论是什么方法都必须先建立模型，而建立模型之前又必须确定设计变量，以便于能准确的计算出最佳参数，下面我们先讨论设计变量的确定。342设计变量的选择对于上述天然气管道系统来说，影响系统总费用的参数可以划分为下述三种类型1）可供设计者选择的参数如管径D、管线壁厚、压缩机的运行组合（包括全线的压缩机站数N、各压缩机站间距和压比等）等等。显然，这些参数在设计阶段是可以人为改变的。2）随第一类参数变化而变化的参数天然气的某些物性参数（如密度、比热PC、湿度、黏度、导热系数等），每种类型压缩机组合下的功率N、压缩比、多变有效系数与转数N和进气量Q的关系，而管线的水利摩阻系数、压力平方降也随管径与工作压力的变化而变化。3）不取决于设计者意志的参数如任务输量Q、管线总长L、有无进分气点、起终点高程差Z、管路沿线的水文地理条件、土壤特性；管材、压缩机站设备、燃料以及电力的价格等等。设计变量的选择以“第一类变量一旦确定，其它所有参数也随之确定”为原则。因为管道优化设计的目标是在完成规定的任务输量、满足一定约束条件的情况下，寻求最佳的设计方案，使得系统总费用最经济。根据以上考虑，选管道外径D、管壁厚、管线工作压力HP、反映压缩机工作特性的系数A、B等参数作为设计变量。343数学模型的建立建设一条输气管线，其投资包括管道方面的投资及经营费用。压缩机站的投资及经营费用。输气管道的年成本费用为管道和压缩机站建设费用提取的折旧费加上输气管道的年运行费用。建设管线的投资是一9次性支出的，而年经营费用、运行费用却是逐年支出的，在选择方案时，必须综合考虑投资与经营费用两个因素。因此，必须找出一个标准来衡量所选的参数是否合理。年成本费既综合考虑了投资和经营费用两个因素，又与输气管的输量、直径、压力、和压缩机的压比之间有着一定的函数关系式，利用这个函数关系式，可以确定出输气管的最优参数。因此选用年成本费为目标函数，管线的直径和压缩机的压比为变量，建立起一个数学模型，然后将数学模型运用于现代化的计算机中，通过一定的优化方法解出优化参数。建立模型FYFBFGEFZ（31）式中FZ输气管道年折合费用，410元；FG管道建设费用，410元；FB压缩机站建设费用，410元；FY输气管道年运行费用，410元；E等额支付系列资金恢复系数，1/A。1）管道建设费的计算LGADAAFG210（32）式中0A统计常数，410元/KM；1A统计常数，410元/（KMMM）；2A每千米管路单位重量的投资，410元/T；D管道内径，M；G管路的的重量，T/KM；5002466150）（DG（计入了焊缝加重）（33）管壁厚，MM；L管道总长，KM。2）压缩机站建设费用的计算CBNNBBF10（34）式中0B与功率无关的一座压缩机站的投资，410元；1B与功率成正比的压缩机站的投资，410元/KW；CN压缩机站的个数；N压缩机站输送气体消耗的功率，KW；311011155511KKKBBQTZTPKKN（35）式中K气体的绝热指数；10BP气体标准状况的压力，等于01013MPA；BT气体标准状况的温度，等于293K；Q气体标准状况的体积流量，标M3/AT压缩机进口状况下的气体温度，K；Z气体在压缩机进口处的压缩系数；K压缩机的功率；压缩比。12PP1P每一站的进口压力，MPA；2P每一站的出口压力，MPA；3）管道运行费的计算输气管道的输气动力费占输气管道运行费较大的比例，而且比较稳定，可用输气动力费来近似计算运行费YFCCCYNNCNCLCF210（36）式中0C输气管线路部分（每一千米）的年经营费用，410元/KMA1C与功率无关的每座压缩机站的年经营管理费用，410元/A；2C压缩机站单位功率的年经营管理费用，410元/KWA。4）等额支付系列资金恢复系数E111000NNIIIE（37）式中0I国家规定的某基准内部收益率，一般取012015，1/A；N经济使用期，A。综上所述，目标函数可写成F（LGADAA210CNNBB10）ECCCNNCNCLC210（38）我们得到了目标函数后，并不意味着只需要计算出该式的极小值就行了。因为在设计中，还同时受哦到了管道系统中水力、强度的约束以及压缩机与管线之间互相关联的制约，只有在满足这些约束条件的情况下得出的函数最小值，才是我们最终的目的。因此，下面就讨论一下约束条件。344约束条件1）水力约束条件11为了保证输气干线完成给定的任务输量，全线压缩机站提供的总压能不应小于输量下管路的压头损失，有压能压头损失，即KHPP。2）管道强度约束条件强度约束条件，即是要求管道在工作压力时，管壁承受因内压所引起的应力应小于管材的最低屈服极限S。根据壁厚计算公式，可得到强度条件SSEFTPD2（39）式中管子的设计壁厚，MM；P管道的设计压力，MPA；D管子外直径，MM；S管子的最低屈服强度，MPA；F结构类型设计因子；见表41E纵向焊缝接口因子；对于无缝，电阻焊和闪光焊，E10对于炉热搭接焊和电弧熔焊管子，E080对于炉对焊管子，E060；T温度降级因子；见表423）流态约束条件根据雷诺数计算公式，可得该约束条件JDQRE5361（310）式中Q管线的体积流量，标SM/3；天然气相对密度；天然气的运动黏度，SM/2。4）稳定性条件约束如果取一般的埋置条件，得到管道稳定性约束条件为0149D（311）5）压缩机性能约束条件压缩机特性的约束条件就是一个选择压缩机以及组合压缩机的问题。压缩机的种类很多，究竟选用哪种压缩机并且把它们用串联、并联或串并联兼用的方式工作以使得组成的压缩机站在完成实际任务输量的基础上总费用最低。用数学表达式为12,21210021NININIQQQQQBBBBBAAAAA（312）6）设计变量边界约束管径MAXMINDDDI（313）壁厚MINIMAX（314）7）压气站约束条件由工程实际可知，压气站数为非负整数0CN35管线的优化模型由以上可得管道的优化模型为MINF（LGADAA210CNNBB10）ECCCNNCNCLC210（315）ST1KHPP2SSEFTPD23JDQRE536140149D5,21210021NININIQQQQQBBBBBAAAAA6）MAXMINDDDIMINIMAX7）0CN36模型的求解天然气管路输送系统显著的特点是统一、连续、完全密闭的。在这系统中，每一部分都是紧密联系、相互制约、互相影响，某一过程的变化，必将影响整个系统。因此，输气管的设计、计算、操作管理都要比输油管复杂的多，这也给设计增加了难度。就一般的输气管线的设计而言，在设计变量中，除工作压力为连续13变量外，其它均为非均匀离散变量。输气管道优化设计是约束非线性离散优化问题，许多实际工程设计和规划问题属于此类问题。离散最优化是数学规划中最有意义，也是最困难的领域之一，尤其是有非线性约束的混合离散变量优化问题。变量的离散使得经典的解析数学方法难以施展，经典的最优化理论不适用于离散优化问题。更复杂的是，当输气管线是大型且有进分气点时，就连设计变量的个数都成了未知。因为这时设计变量在不同的管段就可能取不同的值。输气管线的约束条件也很苛刻，它不仅是非线性的，而且不能象一般的约束条件那样只用一个简单的数学表达式写出，特别是管道的水力约束和压缩机的特性约束。面对如此多元化、极其复杂化的问题，仅凭借智慧、经验和时间来分析计算与判断，将会面临很大的困难。只有利用具有高速运算能力的计算机，才可以解出这一属于约束非线性混合离散变量的优化问题。优化设计输气干线采用的基本方法是方案比较法。它是根据输气管的输量定出几种不同直径、工作压力和压力比的可供竞争的方案，然后对每个方案进行强度、热力、水力和技术经济计算，以确定输气管的基建投资和经营管理费的折合费用，折合费用最小的方案一般认为是最优方案，根据方案比较法的基本步骤得出以下结果（见47表44）37优化参数的确定由计算所得出的最优结果为管径为1321MM；壁厚为175MM；进站压力703MPA；压缩比为13；站间距为17187KM；压缩机站数10个；耗钢量10085410T；管道投资费用551915522，410元/A；压缩机站投资费用83120035，410元/A；经营管理费用868447，410元/A年折合费用721880261，410元/A。1438压缩机布站压缩机布站首先以一期工程输量为准，二期工程布站应在保证输送压力和压比不变的前提下在一期工程的基础上增建压气站。一期工程布站时，起点设压气站。根据以下数据起点压力89兆帕；管径为1321毫米；壁厚为175毫米；压缩比为13，由压缩机布站程序算出全线需设七个压气站。具体布站情如下表表41压缩机站布置站数高程（M）至起点距离（KM）16780262318339503744157688513998462151206740152239末段储气能力的校核按照相关的要求，输气管末段的储气能力相当于日通过能力的40。根据已知数据起点压力89MPA；管径为1321MM；壁厚为175MM；压缩比为13；水力摩阻系数009320；末段平均温度CTKCP12；末段平均压力0296KCPPMPA；末段长度310KLKM；最后一个压气站的最大允许工作压力691BPMPA；终点配气站允许最小工作压212APMPA。而我们计算的储气能力为3534，故这时候我们则需要重新确定管径和末段长度，也可增设副管，直到达到要求为止。310工艺流程设计3101输气站输气站是输气管道系统的两个组成部分之一，主要功能包括调压、净化、计量、清管、增压和冷却等。其中调压的目的是保障输入、输出的气体具有所需的压力和流量；净化的目的是为了脱除天然气中固体杂15质，以免增大输气阻力，磨损仪表设备，污染环境，毒害人体；计量是气体销售、业务交换必不可少的，同时它也是对整个管道系统进行自动控制的依据；清管的目的是通过发送清管器以清除管内积液和污物或检测管道的损失；增压的目的是为天然气提供一定的压能；而冷却是使由于增压升高的气体温度降低下来，保证气体的输送要求。根据输气站所的位置不同，各自的作用也有所不同。输气首站一般在气田附近，如果地层气压较高时，首站可暂不建压缩机。仅靠地层压力输到第二站甚至第三站，待气田后期气压降低后再适应投建压缩机。首站一般要进行调压、除尘、发送清管器、气体组分分析等。中间站主要进行气体增压、冷却、以及收发清管器但如果中间站为输气站时，也要考虑分输气的调压、除尘、计量等。末站是输气站终点。气体通过末站，供应给用户。因此，末站具有调压、除尘、计量、清管器接受等功能此外，为了解决管道输送和用户用气不平衡问题，还没有调峰设备，如地下储气库、储气罐等。除此之外，各输气站内还具有流程切换、自动监测与控制、安全保护、污油储存与阴极保护等功能。3102压缩机站工艺设计压缩机站工艺流程完成的操作主要有除尘、增压、冷却（当温度过高时）、循环、越站旁通、紧急放空、清管器收发、计量等。压缩机站设置遵循的一般原则1压缩机站应尽可能设置在交通、供电、给排水、电信、生活等条件方便的地方，以节省建设投资，便于经营管理和职工生活。但当输气站与工业企业、仓库、车站及其它公用设施相邻时，其安全距离必须符合“原油和天然气工程设计防火规范”中的有关规定；2站的占地面积应充分考虑建筑物之间的间距应符合防火安全规定。同时也要考虑站场的发展余地；3站址应选地势开阔、平缓的地方，便于场地排水；4所选场址要符合工程地质、水文地质的要求；5要重视输气站对周围环境的影响，注意三废的治理，进行环境保护，维护生态平衡。压缩机站的工艺设计，可以遵循下述一般原则1）工艺流程既要适应压缩机站，全线生产和调节的需要，同时也要16适应压缩机组的启动，停车和运转的需要；2）有利于处理事故，既应当尽可能保证当一个压缩机站的内部设备或整站发生故障时，可以灵活调节站内流程或越站输送；3）合理利用压缩机站的主要设备和辅助设备，节省建设和经营费用，防止不必要的流程。311选择设备3111压缩机及驱动设备压缩机的作用是给气体提供输送压力，因此常常将压缩机比喻成管道输送的心脏。压缩机的种类很多，按工作原理可分为容积型、动力型速度型或透平型和热力型三种。容积压缩机中气体压力升高是通过将气体体积进行压缩实现的；动力压缩机中，压力升高是通过压缩机高速旋转叶轮对气体作用提高气体动能，并将动能转化为压能来实现的；热力型压缩机是通过噴射的高速气体在扩压器中与需增压气体混合，将动能转化为压力能的。容积型压缩机又可分为往复式压缩机和旋转式压缩机。动力型压缩机可分为离心式压缩机和轴流式压缩机等。目前，天然气管道中用得较多的往复式压缩机和离心式压缩机。压缩机的驱动设备主要是电动机，天然气发动机和燃气轮机。压缩机和原动机选用除考虑上述各种机型的特点外，还应注意以下问题。1）由于压缩机组与管道联合工作二者互相影响和制约，因此，应考虑管道和压缩的工艺要求，经济条件等，确定压缩机组类型，型号和规格。其工艺要求包排量变化范围，进出口压力，排气温度等。经济条件包括压缩机与管道匹配时管材，管壁厚，压缩机站数，动力费用等。2）由于压缩机组的负荷随投产年限，季节等的变化而变化。因此要求压缩机组操作灵活，可调节范围宽。3）应根据生产特点和现场条件等具体要求，考虑压缩机组的使用性能和结构参数。其中使用性能包括压缩机组的燃料和动力消耗，工作效率，运转率和检修周期以及操作维修难易程度等；而结构参数包括压缩机组的重量和空间尺寸，它将影响厂房规模，配管方案的投资费用等。4）有利于实现自动控制，提高管道的运行管理水平。5）还应考虑机组的使用寿命，制造水平及供货情况。压气站压缩机组采用燃压机组并联运行，这样可以满足管道不同时期输量增长的加压需要，提高燃压机组综合效率。按工作两台备用一台17考虑。压缩机采用离心式。和往复式压缩机相比，离心式压缩机的主要优点是排量大且均匀、连续，结构紧凑，尺寸小，重量轻，摩擦部件少，振动小，易损件少，操作灵活，易于实现自动控制。燃气轮机主要由压气机、燃烧室、涡轮等部分组成的连续旋转式热机。其主要特点是装置紧凑，轻小，安装维修方便，启动快，运行可靠，自动化程度高。所以压气站压缩机选用燃气轮机驱动。驱动设备采用意大利新比隆公司产的PGT16型燃气轮机。3112清管设备清管设备是管道在施工和运行过程中需要用到的设备之一。其作用包括1）清管以提高管道效率；2）测量和检查管道周向变形，如凹凸变形；3）从内部检测管道金属的所有损失如腐蚀等；4）对新建管道在进行严密性试验后，清除积液和杂质。清管设备的设计和安装应满足一定的使用要求，如清管检测器的尺寸和结构要求。并应遵循有关的设计规范，保证其使用性和安全性。3113其它设备计量装置选用孔板流量计。这主要是由于它具有坚固耐用，性能可靠，维修方便，按标准制造等优点。其原理是基于当流体通过节流件时，在节流前后产生压差，即通过测量压差和压力、温度来计算流量的。调压装置应视所供用户压力调节的需要，采用高精度的电动或自力式调压设备，并设置超压安全紧急截断设备以保证下游系统的按全。采用新型的调压阀，可减少噪音，精确调压，稳定运行；确保安全平稳输供气。分离设备主要采用旋风分离器。天然气中含有固体杂质将会增加管输阻力，降低管道输送效率，加速管道设备的腐蚀，因此需要予以脱除，以达到国家对所含杂质的限制要求。各类输气站场视需要设置清管发送、接收装置，以便对管线进行智能清管检测。站场设置可通过智能清管器的清管收球装置定期清管，提高管输效率。必要时通过智能清管检测以发现管道变形、壁厚变化及裂纹扩展等，以便及时处理，减少突发事故的发生。阀门是天然气管道输送中不可缺少的控制设备，是一种涉及门类多，18品种繁杂，量大面广的产品。所选阀门应具有密封性好、可靠性高、操作维护方便等优点。干线用截断阀推荐采用全通径球阀，为实现事故状态下自动截断功能，驱动装置推荐采用气液联动执行机构。站内用截断阀推荐采用球阀和平板闸阀，放空、排污推荐采用专用放空阀、排污阀或旋塞阀。3114管道线路选型1）钢管选择目前世界上大口径的油气长输管线主要使用直缝埋弧焊钢管和螺旋缝埋弧焊钢管。直缝钢管具有焊缝短、成型精度高、残余应力小、错边量小等特点。由于我国目前技术还不够成熟，在国内仍以螺旋缝埋弧焊钢管为主。如有条件也可选用20热轧无缝钢管（GB/T81631999）。以目前国内管材价格而言，X60螺旋缝埋弧焊刚管价格为5600元/吨、X65螺旋缝埋弧焊钢管价格为5900元/吨、X70螺旋缝埋弧焊钢管价格为6100元/吨。根据本工程的工艺特点，推荐输气干线钢材为X70。2）管道防腐选择站内露空管道采用氟碳漆进行涂敷；站内、外埋地管道外防腐采用特加强级聚乙烯胶带外防腐和热缩套补口的措施，按SY/T04201997标准施工。4计算说明书41输气管的水利计算输气管道计算段沿线如有超过100M高差的点，应按下列地形起伏地区输气管的基本公式进行计算NIIIICPCPBLHHLALTZHAPPDQ11112221211113105（41）式中Q输气管道通过能力，DM/1036BD内径，M1P输气管计算段的起点压力，即压气站出站压力（绝），MPA，按下式确定19211PPPPHHP压气机（或压缩机车间）的出口压力，MPA，按工作压力（设计压力）考虑；1P压缩机（或压缩机车间）与干线输气管之间连接管线之间连接管线中的压力损失，MPA；2P天然气冷却系统中的压力损失，MPA，如果采用空冷器，按照标准规定，应取MPAP05880；2P输气管道计算段的终点压力，即下一压气站进站压力（绝），MPA，按下式计算；PPPB2BP压缩机（压缩机车间）的入口压力，MPAHBPP压比；P除尘装置和连接管线中的压力损失，MPA，其值与输气压力和采取的除尘级数有关；天然气相对密度；水力摩阻系数；CPZ输气管计算段中天然气的平均压缩性系数；CPT输气管计算段中天然气的平均温度，K；L输气管计算段长度，即压气站间距，KM；IH，1IH输气管计算段上各直线小段的终点和起点高程（相对于计算段起点，以计算段起点的饿高程为零），M；IL各直线小段的长度，KM；H输气管计算段终点与起点的高差，M；1A系数，M/1，按下式计算CPCPTZA64141（42）42水力摩阻系数计算不同的流态有不同的水力摩阻系数计算公式。干线输气管中气体的流态一般总是处于阻力平方区，照理应选用适用于该区的计算公式。但在工程实践中（特别是由于电子计算机的应用），通常采用混合摩擦区的公式，即既考虑雷诺数RE的影响，又考虑管壁粗糙度K的影响。这20类公式被认为是适用于紊流三个区的的通用公式，如欧美一些国家采用的柯列勃洛克公式73RE512LG21BDK（43）式中RE雷诺数；K管壁的当量粗糙度；BD内径；根据上面的式子采用牛顿迭代法进行计算FF43输气管的热力计算431计算段的平均温度天然气在输气管计算段中的平均温度CPT与许多参数有关起点温度HT、地温0T、计算段长度L、总传热系数CPK、定压比热PC、节流效应系数（即焦汤效应系数）ID。计算段的平均温度CPT，如不计节流效应（焦汤效应），按下式计算LAHCPELATTTT21200（44）如考虑节流效应，则按下式计算LACPILAHCPELALPAPPDELATTTT2211121222221200（45）66210102250PHCPCQLDKLA（46）式中0T输气管轴线埋深处的土壤温度，做输气工艺方案计算时，取年平均值，C；HT计算段起点的天然气温度，即压气站出站的天然气温度；T对气候数据可变性的修正量，T2C；1P计算段起点压力（绝），MPA；2P计算段终点压力（绝），MPA；CPP计算段中气体的平均压力，MPA；212122132PPPPPCP（47）L计算段长度，KM；ID平均焦汤系数，C/MPA；HD输气管外径，M；天然气相对密度；PC天然气定压比热，/CKGKJ；CPK总传热系数，/2CMW；Q输气管通过能力，DM/1036。432天然气的定压比热对甲烷含量在85以上的天然气，其平均定压比热可按下式确定3321CPCPPTATAAC（48）如采用国际单位制PC/KKGKJ，CPPMPA，则69511A，32108381A101096163CPPA433焦汤系数对于甲烷含量高于85的天然气，焦汤系数平均值可按下式计算1221ETECDCPPI（49）式中PC定压比热；CPT平均温度；1E、2E系数；如采用国际单位制PC/CKGKJIDMPAC/；则6110980E，512E434地下输气总传热系数对于地下输气管，其总传热系数CPK与许多因素有关土壤导热系数、管径、管道埋深、输气管通过地区风速等。如无输气管沿线的土壤性质和湿度资料，可近似地取/751/51/286222CMWCHMKCALCHMKJKCP（410）22435天然气平均压缩系数为确定天然气平均压缩性系数CPZ，可选择下面两种方法1）近似计算公式151101130100100PZCP（411）式中P平均压力，MPA。2）输气管计算段中天然气压缩性系数CPZ与压力和温度有关，可按平均压力CPP和平均温度CPT来确定，计算方法如下NPCPPZ024101（412）32010707806811NPNPNPTTT（413）式中NPP对比压力，MPA；NPCPNPPPP414CPP输气管计算段的平均压力，MPA；3221221PPPPPCP；4151P压气站出站压力，即计算段起点压力，MPA；2P下一压气站进站压力，即计算段终点压力，MPA；NKP天然气视临界压力，MPA；8312617730NKP416天然气密度，3/MKG（工程标准状态下）；NPT对比温度，K；NKCPNPTTT417CPT输气管计算段平均温度，CPCPTT2731112122222221200LACPILAHCPELALPAPPDELATTTT（418）NKT视临界温度，K。564024155NKT41944输气管强度计算输气干线的压力越高，能量耗损就越小，越便于管道的输送。但是管道的承压能力与管壁厚成正比，过高的升压也会迫使管壁增厚。23建设一条输气管线，要用成千上万吨钢材，投资数千以至上亿元。其干线管道部分的投资约占总投资的百分之七十左右，而干线部分的投资又主要用在管材的购置上。一条直径为720MM，可供选择的壁厚中有8MM和9MM，仅100KM的管道这两者选择的钢耗量之差就为1700T。可见合理的选择管材，正确的设计壁厚，是得出经济、合理的方案的关键之一。管壁厚度按下式计算SEFTPD2（420）式中符号说明见十一页式（39）表41结构类型设计因子结构类型设计因子，F一般描述A072油气田和人口稀少的地区B060半开发和租用的设施C050商业区和住宅小区以及压气站D040具有多层建筑物的人口非常稠密地区表42温度降级因子温度C降级因子281211000148096717609332040900232086745一系列的设备经济计算451压气站所需的总功率N0一个压气站所需的总功率（单站计算功率）可按下列公式计算1020GHN，KW42124式中G质量流量，KG/S，按下式计算GRTPQ0360024422Q体积流量，即输气管通过能力，DM/3；0P标准大气压，24250/100331/0331100131MKGCMKGPAP；T气体在压缩机入口处的温度，K；R气体常数，KKGMKG/；RR423R通用气体常数848RKKGMKG/424气体分子量，KMOLKG/，天然气的平均分子量根据其组分按下式计算1002211NNYYYL425NYYYL21,天然气各组分的体积百分数，；NL21,天然气各组分的分子量；H多变能量头（即压缩每千克气体所消耗的功），KGMKG/，按下式计算H111KKZRTKK426K比热比，应根据天然气组分按BWRS方程计算确定，在近似计算中对输气管条件下的天然气可取K1416Z吸入条件下的天然气压缩性系数；压比；多变效率，一般取079083。452确定燃压机组数、估算燃料气耗量根据计算出的总功率选择燃气轮机型号，把燃气轮机在ISO下的额定功率ISON换算成在现场实际工作条件下能发出的可用功率SITEN。用下式确定燃压机组数CTNCTNSITENN0427全站总的通过能力/3DMQ或/SKGG除以燃压机组的工作台数，25即为每台离心式压缩机的排量（CTNQQ/，或CTNGG/），把次参数连同设计压力、压比等其它参数提供给有关的制造商或公司，后者就可为用户设计或选配满足拥护要求的离心式压缩机；也可根据以上参数从制造商或公司提供的样本上自行选配压缩机。每台压缩机实际消耗的功率按下式计算MECCOMPNGHN102，KW428式中MECN机械损失，采用燃气轮机取100KW。把所选燃气轮机在ISO条件下的额定热耗率ISOHR换算成在现场实际工作条件下的热耗率SITEHR，用下式计算单位功率、单位时间的燃料气耗量FQMINQHRQSITEF，/3HKWM429全站燃料气的年耗量按下式计算COMPCTFFNNQQ875036524430式中0875输气管道通过能力利用系数。453耗钢量的计算单位长度钢管的理论质量STG可按下列公式计算（不计入焊缝加重）02466150DGST，431式中STG单位长度钢管的理论重量，MKG/；D钢管外径，MM；钢管壁厚，MM。输气管线路部分的耗刚量TGSTTGSTSTGL，432式中L输气管全长，KM。46技术经济计算1）输气管道的总投资费用FYFBFGEFZ（433）式中符号含义见第九页式（31）2）管道建设费的计算LGADAAFG210（434）式中符号含义见第九页式（32）263）压缩机站建设费用的计算CBNNBBF10（436）式中符号含义见第九页式（34）4）管道运行费的计算输气管道的输气动力费占输气管道运行费较大的比例，而且比较稳定，可用输气动力费来近似计算运行费YFCCCYNNCNCLCF210（438）式中符号含义见第十页式（36）5）等额支付系列资金恢复系数E111000NNIIIE（439）式中符号含义见第十页式（37）47约束条件471水力约束条件干线输气管道基本公式TLZDPPCQ52221（440）式中Q天然气在标准状况下的体积流量，标M3/S；C常数ARPTC004AR空气的气体常数，M2/S2K；天然气的相对密度；D管道内径，M；把基本公式变为输气管特性方程22122KLQPP（441）离心式压缩机站的特性方程22122BQAPP（442）写出各站间管线特性方程和各压缩机站的特性方程。为了保证输气干线完成给定的任务输量，全线压缩机站提供的总压能不应小于输量下管路的压头损失，有压能压头损失。27472管道强度约束条件强度约束条件，即是要求管道在工作压力时，管壁承受因内压所引起的应力应小于管材的最低屈服极限S。由于不同管段管径、壁厚不同，要分别加以判断。管道的承压能力与壁厚成正比，可见壁厚不但是影响长输管经济参数的重要因素，也是强度约束条件的重要因素。因此，根据壁厚计算公式，可得到强度条件SSEFTPD2（443）式中符号含义见第十一页式（39）473流态约束条件一般输气干线都在阻力平方区工作，要求雷诺数大于边界雷诺数REJ，对不同管段由于其管径不同，可能造成流态变化，流态不同，计算公式就需要进行修正。根据雷诺数计算公式，可得该约束条件JDQRE5361（444）式中Q管线的体积流量，标SM/3；天然气相对密度；天然气的运动黏度，SM/2。474稳定性条件约束在实际干线地下输气管道中还存在着失稳现象，主要表现为管道径向被压扁和管道发生非设计性的弯曲，从而使管道的横截面严重变形。这些失稳现象将影响管道的正常输送或造成管道的破坏事故。为防止管道径向失稳，在国内一般根据经验取管径与壁厚之比小于110120，而在国外采用管子刚度在描述钢材稳定性问题。因此用最小刚度值M来防止管道失稳，即要求各管段的管径与壁厚之比小于M。下面提出一组最小刚度值的数据对于钢管钢管长期最小刚度不能低于1500PA；在无动载荷的情况下，最小刚度为2500PA；28在有动载荷的情况下，最小刚度为5000PA；在松散土壤中的情况下，最小刚度为10000PA；根据美国（ASTMD2412）管子刚度的定义31490/REIDYFPS把123I，2DR代入得3/149032DEPS取PSIMPAE75109872100852，可换算出相应于最小刚度值的D比值表43关系表最小刚度值（PSI）12204080/D223188149118这就是说，为防止埋地管道失稳现象的发生，针对管道不同的埋置条件，D的值应小于或等于表43所列的值。根据上面的论述，如果取一般的埋置条件，得到管道稳定性约束条件为149D（444）即0149D（445）475压缩机性能约束条件压缩机站与管道的工作状况是紧密联系和相互影响的。管道的流量等于压缩机的排量，管道区间的起点压力就是压缩机的排出压力，前一区间的终点压力就是压缩机的进入压力，压缩机工况的任何变化都将引起管道工况的变化。因此管道的实际输量和工作状况与压缩机站密切相关。压缩机特性的约束条件就是一个选择压缩机以及组合压缩机的问题。压缩机的种类很多，究竟选用哪种压缩机并且把它们用串联、并联或串并联兼用的方式工作以使得组成的压缩机站在完成实际任务输量的基础上总费用最低。29输气干线使用的压缩机主要为离心式压缩机，离心式压缩机的第一类特性方程202BQBA从上式可以看出，只要特性系数A、B0和流量QB三个参数确定，压缩机的类型就可以确定了。压缩机组的任何组合都可用特性方程表示，所以压缩机特性约束条件就转化为离散变量A、B0的取值问题。即只要把各压缩机以及不同组合组成的压缩机组的特性系数A、B0和流量QB建立一个数据库，通过把特性系数A、B0取为不均匀的离散变量，并从数据库中选值，寻求能满足实际任务流量的压缩机，便可满足这一约束条件。用数学表达式可表示为,21210021NININIQQQQQBBBBBAAAAA（446）475设计变量边界约束管径在一定的流量Q下，计算求得符合它的最大管径MAXD和最小管径MIND，要求所求管径ID,MAXMINDDDI。在这之间的管径才符合经济要求，之外的不符合。这样可以很大的减少计算和选取的工作量。壁厚在符合强度设计要求的情况下，计算出最大壁厚MAX和最小壁厚MIN，要求所选管子的壁厚I，MINIMAX。在这之间的管子壁厚才符合要求，减少了很多计算和选取的工作量。476压气站约束条件由工程实际可知，压气站数为非负整数0CN48末段储气的计算一般近似按气体稳定流动的计算方法来计算。输气管末段储气能力的计算，可根据储气阶段开始时的末段平均压力和储气终了时的末段平均压力以及由水平输气管基本公式的变换形式来计算QB21PP447B10511350521KCPCPBLTZD448末段储气能力302222222222211221100132AAAAAAB