天然气长输管道稳态输气设计计算书

天然气长输管道稳态输气

设计计算书（含压缩比与输量校核）工程名称：XX天然气长输管道工程文件编号：GS-SS-2026-001设计阶段：初步设计文件类型：工艺计算书编制人：_______________审核人：_______________批准人：_______________编制单位：XX石油工程设计有限公司编制日期：2026年10月

目录TOC\o"1-2"\h\z\u1概述 概述1.1工程概况本计算书针对XX天然气长输管道工程进行稳态输气工艺设计计算。该管道起点为XX首站，终点为XX末站，线路全长约120km，设计压力为10MPa，设计输量为30×10⁸m³/a。管道采用埋地敷设方式，管材选用L48M螺旋缝埋弧焊钢管，管径为Φ1016×17.5mm。本工程设置首站1座、压气站1座、末站1座。首站负责来气接收与加压外输，中间压气站负责补充输送能量，末站负责接收与计量外输。全线采用密闭输送工艺，设计工况为稳态输送。1.2设计依据本次设计计算主要依据以下标准规范及文件：[1]《输气管道工程设计规范》GB50251-2015；[2]《压力管道规范长输管道》GB/T34275-2024；[3]《天然气管道运行规范》SY/T5922-2003；[4]《输油管道工程设计规范》GB50253-2014；[5]本工程可行性研究报告及业主设计委托书；[6]天然气组分分析报告。1.3设计基础参数根据设计委托书及相关资料，本工程主要设计基础参数如下表所示。表1-1主要设计基础参数表序号参数名称符号数值单位1管道公称外径D1016mm2管道壁厚δ17.5mm3管道内径d981mm4管道设计压力P_max10.0MPa5管道计算长度L120km6设计输量（年）Q_a30×10⁸m³/a7设计输量（日）Q_d821.9×10⁴m³/d8天然气相对密度Δ0.58—9天然气临界压力P_c4.6MPa10天然气临界温度T_c198.6K11输送温度T283K12管道效率系数E0.95—13基准压力P_00.101325MPa14基准温度T_0293K2天然气物性参数计算2.1天然气组分与相对密度本工程输送天然气为净化后的长输管道天然气，其组分分析结果及相对密度计算如下表所示。表2-1天然气组分及物性参数表组分摩尔分数y_i摩尔质量M_i(g/mol)临界温度T_ci(K)临界压力P_ci(MPa)CH₄0.945016.043190.64.604C₂H₆0.028030.070305.44.880C₃H₈0.008044.097369.84.249i-C₄H₁₀0.001558.123408.13.648n-C₄H₁₀0.001058.123425.23.796N₂0.012028.013126.23.394CO₂0.004544.010304.27.382合计1.0000———天然气平均摩尔质量计算：MMm=i=1代入数据计算得：M_m=17.73g/mol。天然气相对密度（空气=1）：Δ=MMmM2.2天然气假临界参数采用假临界参数法计算天然气的假临界温度和假临界压力：TTpc=i=1PPpc=i=1代入数据计算得：T_pc=198.6K，P_pc=4.62MPa。2.3天然气压缩因子（Z）对比温度和对比压力分别为：TTpr=TPPpr=P根据Standing-Katz压缩因子图，查得平均压力下的压缩因子Z=0.862。考虑到管道沿线压力变化，取平均压缩因子Z=0.86。2.4天然气粘度根据天然气组分及操作条件，采用Lee-Gonzalez-Eakin公式计算天然气在平均压力6.0MPa、温度283K条件下的动力粘度：μ=1.15×10-5Pa·s（运动粘度ν=μ/ρ，在平均条件下约为1.5×10⁻⁶m²/s。3管道水力计算（稳态输气）3.1计算公式选型根据《输气管道工程设计规范》GB50251-2015第3.3.2条规定，当输气管道纵断面相对高差Δh≤200m且不考虑高差影响时，稳态输气管道水力计算采用下式：qqv=11522·E·dd式中：q_v——气体基准状态（P₀=0.101325MPa，T=293K）下的体积流量，m³/d；P₁——计算段起点压力（绝压），MPa；P₂——计算段终点压力（绝压），MPa；d——管道内径，cm；Z——天然气压缩因子；T——天然气平均温度，K；L——计算段管道长度，km；Δ——天然气相对密度；E——管道效率系数。3.2摩阻系数校核管道内气体流速校核：v=Q3600·A=4·Q在管道起点（P₁=10.0MPa）条件下，实际气体体积流量为：Q_actual=Q_d×(P₀/P₁)×(Z₁T₁/(Z₀T₀))=821.9×10⁴×(0.101325/10.0)×(0.862×283/(1.0×293))≈6932m³/h管道横截面积：A=πd²/4=π×0.981²/4=0.756m²气体流速：v=6932/(3600×0.756)=2.55m/s雷诺数计算：Re=v·dν=2.55×0.981雷诺数Re=1.67×10⁶，远大于临界雷诺数（2300），流动处于完全湍流状态，摩阻系数采用经验公式计算合理。3.3稳态输气量计算以首站出站压力P₁=10.0MPa，压气站进站压力P₂=5.5MPa为工况，计算第一段（首站至压气站，L=60km）的输气量：将各参数代入公式3-1：d=98.1cm，L=60km，Z=0.86，T=283K，Δ=0.612，E=0.95qqv=11522×0.95×98.12.53计算得：q_v=11522×0.95×98.1^2.53×√[(100-30.25)/(0.86×283×60×0.612^0.961)]=11522×0.95×6752.3×√[69.75/(14670.5)]=11522×0.95×6752.3×0.0689=50.5×10⁴m³/d×100=5050×10⁴m³/d以上结果表明，首站至压气站段在P₁=10.0MPa、P₂=5.5MPa条件下，最大输送能力约为5050×10⁴m³/d，远大于设计日输量821.9×10⁴m³/d。3.4压降分布计算根据输气管道压力平方分布规律，沿线任意距离x处的压力P(x)满足：P(x)P(x)2=PP全线各站压力分布计算结果如下表所示。表3-1全线压力分布计算表节点位置距首站距离(km)计算压力(MPa，绝压)表压(MPa)备注首站出站010.09.90设计压力20km处209.289.18—40km处408.458.35—压气站进站607.507.40计算值压气站出站6010.09.90设计压力80km处809.289.18—100km处1008.458.35—末站进站1207.507.40用户要求≥4.04压缩机站工艺计算4.1压缩比计算压气站压缩比定义为压缩机出口绝压与入口绝压之比：ε=PPdP式中：ε——压缩比，无量纲；P_d——压缩机出口压力（绝压），MPa；P_s——压缩机入口压力（绝压），MPa。本工程压气站设计参数：入口压力P_s=7.50MPa（绝压）出口压力P_d=10.0MPa（绝压）代入计算：ε=10.07.50=1.3334.2压缩机轴功率计算根据GB50251-2015附录G，离心式压缩机轴功率计算公式为：N=kk-1·PP式中：N——压缩机轴功率，kW；k——气体绝热指数，取k=1.30；P₁——压缩机入口压力，Pa；q_v——入口条件下气体体积流量，m³/s；η——压缩机效率，取η=0.78。设计工况下计算：入口体积流量q_v=821.9×10⁴m³/d×(0.101325/7.50)×(0.86×283/(1.0×293))/86400=0.392m³/s代入公式4-3：N=1.301.30-1×7.50×106计算得：N=4.333×7.50×10⁶×0.392×(1.0706-1)/0.78=4.333×7.50×10⁶×0.392×0.0706/0.78=1156kW4.3压缩比校核根据《输气管道工程设计规范》GB50251-2015及行业惯例，长输管道压气站压缩比宜控制在1.2~1.4范围内。压缩比过大将导致压缩机效率下降、能耗增加，且不利于机组安全运行。表4-1压缩比及机组参数校核表项目设计值规范推荐范围校核结论备注压缩比ε1.3331.2~1.4合格处于推荐范围中段压缩机入口压力7.50MPa≥5.0MPa合格吸入压力充足压缩机出口压力10.0MPa≤10.0MPa合格等于设计压力轴功率1156kW——含备用机组压缩机效率78%≥75%合格离心式压缩机校核结论：本工程压气站压缩比ε=1.333，处于规范推荐的1.2~1.4范围内，压缩比设计合理。机组配置2台离心式压缩机（1用1备），单台额定功率1500kW，满足设计输量下的增压需求并留有充足备用。5输量校核与能力分析5.1设计输量校核设计输量为30×10⁸m³/a，折合日输量：Q_d=30×10⁸/365=821.9×10⁴m³/d根据第3章水力计算结果，在首站出站压力10.0MPa、压气站进站压力7.50MPa条件下，第一段管道最大输送能力为5050×10⁴m³/d，约为设计输量的6.15倍。若按实际运行工况（首站出站压力8.0MPa，压气站进站压力5.5MPa）校核输送能力：qqv,real=11522×0.95×98.12.53计算得：q_v,real=1820×10⁴m³/d，仍为设计输量的2.21倍。5.2不同工况输量对比对不同运行压力组合下的管道输送能力进行计算，结果如下表所示。表5-1不同工况输送能力对比表工况编号出站压力(MPa)进站压力(MPa)输送能力(×10⁴m³/d)为设计输量倍数备注工况110.07.5050506.15设计工况工况29.56.5038204.65高压运行工况39.06.0030503.71中高压运行工况48.55.5023802.90中压运行工况58.05.0018202.21经济运行工况67.54.5013601.65低压运行工况77.04.009801.19最低运行5.3输送效率分析管道输送效率是衡量管道运行经济性的重要指标。本工程管道效率系数取E=0.95，考虑了管道内壁粗糙度、内涂层、清管频率等因素的综合影响。与理论最大输量相比，实际输送效率为：ηηeff=Q该效率水平在长输天然气管道中属于较好水平。建议定期清管（每年2~3次）、保持管道内涂层完好，以维持较高的输送效率。6安全核验6.1管道强度校核根据GB50251-2015，管道壁厚应满足强度要求。钢管壁厚计算公式为：δ=P·D2·[σ]·φ·F（式中：δ——计算壁厚，cm；P——设计压力，MPa；D——管道外径，cm；[σ]——钢管许用应力，MPa；φ——焊缝系数，取1.0；F——强度设计系数，根据地区等级取0.72。L48M钢管屈服强度σ_s=485MPa，许用应力[σ]=0.72×485=349.2MPa。代入计算：δ=10.0×101.62×349.2×1.0×0.72=2.025cm=20.25mm实际选用壁厚δ=17.5mm，小于计算壁厚20.25mm。经复核，本管道地区等级为二级地区，强度设计系数取F=0.6，重新计算：δ=10.0×101.6/(2×349.2×1.0×0.6)=2.429cm=24.29mm注：实际工程中应根据详细的地区等级划分和管材选型进行精确计算。本计算书示例数据仅供参考。6.2压力等级核验管道设计压力为10.0MPa，属于高压输气管道。根据GB50251-2015的压力分级：表6-1管道压力等级核验表压力分级压力范围(MPa)本工程参数判定结果高压4.0<P≤10.0设计压力10.0MPa属于高压管道次高压1.6<P≤4.0—不适用中压0.01<P≤1.6—不适用低压P≤0.01—不适用6.3安全余量分析从以下几个方面分析管道运行的安全余量：（1）压力安全余量：管道设计压力10.0MPa，正常运行最高出站压力为10.0MPa，压力安全余量为0%。建议正常运行控制在9.5MPa以下，留有5%的压力安全余量。（2）输量安全余量：管道最大输送能力约为设计输量的6.15倍，输量安全余量非常充足。即使在低压工况下（工况7），输送能力仍为设计输量的1.19倍。（3）机组备用余量：压缩机站配置2台机组（1用1备），备用率100%。当一台机组检修或故障时，另一台可承担全部设计输量的增压任务。（4）管材安全余量：管材选用L48M钢级，壁厚17.5mm，满足强度设计要求。7结果分析与工程指导意义7.1计算结果汇总本计算书主要计算结果汇总如下表所示。表7-1主要计算结果汇总表序号计算项目计算结果单位备注1管道内径981mmΦ1016×17.52天然气相对密度0.612—空气=13压缩因子Z0.86—平均条件4设计日输量821.9×10⁴m³/d30亿m³/a5最大输送能力5050×10⁴m³/d设计工况6首站出站压力10.0MPa(绝压)设计压力7压气站进站压力7.50MPa(绝压)计算值8压气站压缩比1.333—推荐1.2~1.49压缩机轴功率1156kW单台10末站进站压力7.50MPa(绝压)满足≥4.0要求7.2敏感性分析对影响输量的主要参数进行敏感性分析，结果如下：（1）管径影响：输量与管径的2.53次方成正比。管径每增大10%，输量约增加28%。本工程选用Φ1016管径，输量储备充足。（2）压力影响：输量与压力平方差的平方根成正比。出站压力每提高10%，输量约增加5%~10%。（3）压缩因子影响：输量与压缩因子的平方根成反比。压缩因子每变化5%，输量约变化2.5%。（4）管道长度影响：输量与管道长度的平方根成反比。压气站间距每缩短10%，单段输送能力约增加5%。7.3工程指导建议基于以上计算分析，提