天然气管道输送及操作技术要点.pdf
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1、天然气管道输送及操作技术 赵会军 江苏工业学院油气储运工程系 二 00 八年十二月 本课程的主要内容: 1概述 2天然气的基本特性 3天然气净化 4管路中气体流动的基本方程 5天然气管道输送 6输气站与清管技术 7天然气输送系统相关设备 8内涂层减阻技术简介 1 第一章概述 Introduction 1.1 天然气在国民经济中的重要性 一、什么是天然气? 所谓的天然气一般是指自然生成、在一定压力下蕴藏于地下岩层孔隙或裂缝中、多组分、以烷烃为 主的混合气体,从广义上讲,天然气可以说是气态的石油。 二、天然气的用途 天然气是清洁、高效、方便的能源,天然气的热值较高,每立方米平均为33MJ(人工煤气
2、为14.6 , 液化石油气87.8 108.7 气态 ) ,不含灰分,容易完全燃烧,不污染环境,运输方便。它的使用在世 界经济发展和提高环境质量中起着重要作用。天然气近年其年产量增长速度高于石油与煤,在能源 消费结构中的比例达 23.5 (我国23) 。目前世界天然气为仅次于石油和煤炭的世界第三大 能源,据预测,21 世纪天然气在能源消费结构组成中的比例将超过石油,成为世界第能源。 其主要用途为: 1、城镇居民、公共建筑和商业部门,约占总用 量的 41.5 ;天然气与其他燃料相比,具有使用方便、经济、热值高、污染少等优点,是一种在技 术上已经得到证实的优质清洁燃料。天然气代替其他燃料,可以减少
3、一氧化碳 (CO ) 、 二氧化碳(CO2 ) 、 氮氧化物( NO )及烃类等的排放,有利于环境保护; 2、工业部门,约占37,主要用作生产化工产 品和工业燃料的基本原料。天然气的主要组分是甲烷,此外还含有乙烷、丙烷、丁烷及戊烷以卜烃 类,是重要的基本有机化工原料。以天然气为原料,可以生产出合成氨、甲醇低碳含氧化合物、合 成液体燃料等种类繁多的化工产品。至今全世界已有 10 的天然气用于制取化工产品,年产量已 达到 16 亿吨; 3、发电厂,约占 19 以上。特别是采用天然气联合循环发电技术后,投资费用仅为煤炭和核发电 厂 2 / 3 左右,对空气和水的污染也少,因而使得以天然气为燃料的发电
4、厂更加具有竞争力; 4、 运输部门所占比例不足 1 。 天然气的一些特性使它有可能成为一种很有吸引力的汽油替代燃料。 它的价格和汽车废气排放指标都低于汽油。 天然气的应用将会显著扩大,21 世纪将逐步取代石油,并在世界能源消费结构中占据主导地位。世 界能源消费结构趋势如下图所示。 天然气市场发展情况 100 0 20 40 60 80 180019502100 比 例 年份 世界能源消费结构趋势 2 2003 年全球十大天然气消费国一览表( 单位:亿立方米) : 3 中国天然气资源分布情况 三、天然气的来源 天然气可以从油田气和气田气获得。 油田气又称为油田伴生气,它是与石油伴生的天然气,伴随
5、着石油的开采而采出。一般利用井上 的油气分离器将石油与伴生气分离,然后采用吸收法或其它方法将气体中的碳氢化合物进一步分离, 提取的 C3、C4成分作为液化石油气销售,C1、C2成分作为天然气使用或管道外输。 气田气是采自气田气井的天然气,通常这种气体的甲烷含量较高,可以达到85 97,C3 C5只 有 2 5,可以采用压缩法、吸收法、吸附法或低温分离法将C3、C4 等重烃分离出来,制取液化 石油气,其余纯净的天然气通过管道外输销售。 炼厂气。从天然气的主要成分甲烷来说,其来源还有炼油厂如蒸馏气中0.5 为甲烷,催化裂化 气中为 5.9 ,热裂化气35,铂重整气中10.7 为甲烷。当然这些气体不
6、能划在天然气的范围, 量也不大,但其用途是一样的。 1.2 天然气储运系统概述 一、天然气输送方式 1. 管道输送 优点:输送量大、技术成熟可靠;缺点:建设与输送成本较高,适应灵活性较差。 现代管输技术成熟, 约 75天然气通过管道输送。 长距离输气管道发展趋势:1) 平均运距增大。最长单根输气管道是俄罗斯亚马尔管道(4451km);2)最 大口径可达1420mm; 3)高压力 , 最高压力为12MPa ,海底 21MPa;4)自动化遥控 , 采用 SCADA 对管网实 4 施集散控制 ;5) 形成大型供气系统;6 向极地海洋延伸。 2. 液化天然气 (LNG) liquefied natur
7、al gas 制备:液态储运即液化天然气(LNG)储运方式 , 利用经过净化天然气的压力经膨胀机制冷使其液化( 若 压力过低,需加压), 制冷温度 -80 -90 , 在 LNG装置中使用液氮补充冷却, 将其降至 -163成为液 化天然气 , 实现液态输送。 关键技术 : 预处理、液化及储存、液化天然气的气化、冷量回收及安全技术等。 LNG链: 开采、液化、LNG运输、 LNG接收与气化、外输管线、最终用户组成。 优势: 1 体积缩小 620 倍, 便于运输 ; 2代替深海 , 地下长输管道省投资, 降成本 ; 3超过 3500km后船 运占优势 ; 4有效回收边远、零散天然气; 5投资省 ,
8、 在等热能储气规模下LNG储罐与管道储存设施 相比 ,占地少 , 工期短 , 受地质条件约束少; 物性 :无毒 , 无色 , 无味液体 ;-163 密度 450470; 燃点 650; 爆炸限 4.7 15 应用 :1 供城镇居民 ; 2远离气源且管线未到地方; 3城市燃气调峰 ; 4优质汽车燃料 ;5 发电 ,特钢等 提高质量 ; 6冷能发电 , 分离空气 , 制干冰等 , 间接冷冻食品, 低温医疗等。 3. 压缩天然气 (CNG)管束容器储运compressed natural gas 制备 (新西兰 ): 20 25MPa压缩存储高压钢瓶中, 降温至 5, 充入“管束”内径为152.4m
9、m ( 高级钢 管组成 ) 容器中 ,在 0.135 MPa 释放 , 净储气量为210V/V 280V/V。 优势 :与运距在1000km以上管道或LNG相比 , 具有竞争力 ; 灵活性强,投资少;使不能管输天然气得 到有效的利用, 方便未铺设管道边远地区, 补充城市管道供气不足。 不足 : 1高压储存增加储气密度; 2建立专门高压加气站, 配备多级压缩系统, 投资大 ; 3器壁厚 , 自 重增加 , 运费大 ; 4高压储罐制作 , 维护费用高 ; 5高压储气安全隐患多。 应用 : 1清洁汽车燃料 ; 2气源 ; 3应急供气手段; 4气量不大,用户距气源较远情况。 4. 天然气水合物 (na
10、tural gas hydrates) 物性 : 雪花状晶体 , 笼型多面体结构, 密度 0.880.80g/cm3,含天然气 164220m3/m3 。 制备:在35Mpa,26下 , 水与气充分接触逐渐生成水合物, 经过三相分离及脱除游离水, 制成干水 合物 ,可在接近常压与-40 下长期稳定储存。 性质:提高压力, 温度也可提高,储存压力36Mpa,储运温度为08。减压或增温。 优点 : 与 LNG相比 , 生产 , 储运 , 装置与工艺简单,综合成本要比LNG低 24。 5. 吸附天然气 (ANG)储存 adsorbed natural gas 制备 : 在储氢技术思路上开发, 借助罐
11、内活性吸附剂, 利用巨大内表面和丰富微孔结构使天然气在较 低压力下 (34MPa)以较高密度 (180V/V240V/V) 储于钢瓶中。 技术 :优良性能吸附剂筛选与开发; 吸附剂储存容器结构设计。 优点 :单级压缩 ,储罐形状和用材选择余地大, 质量轻 , 压力低 , 使用方便 , 安全可靠 ,ANG是最经济方法 , 总费用仅为CNG 一半 , 吸附剂可重复使用。 难题 : 1) 高效专用吸附剂的投资大; 2)吸附剂性能影响实际储气量; 3)用后吸附性能下降; 4)自重 增加 ; 5) 储气过程中释放热量产生的高温存在安全隐患; 6)重组份的滞留。 二、几种运输方式的比较 1 管道输气是最主
12、要方式,适应范围广,特别适用于长距离、大运量运输。 2 具备海运条件 , 运距很长 ,LNG优于管道。超过7000 km 时,惟一经济运输方式。 3 LNG,CNG内陆运输是管道有益补充, 主要适用于运量较小和分散供气的情况。 4 天然气水合物NGH 输送方式的技术不十分成熟,但具有发展前景 三、管输天然气储运系统 天然气储运系统是由气田集输管网、气体净化与加工装置、输气干线、输气支线以及各种用途的站 场所组成。它是一个统一的、密闭的水动力系统。如下图所示。 5 天然气储运系统示意图 1井场; 2集气站; 3天然气净化厂和压气站;4到配气站的出口, 5、 6铁路和公路穿越;7中间压气站;8河流
13、穿越;9沟谷跨越; 10地下储气库;11阴极保护站;12终点配气站 四、站场的种类与作用 1、 井场:设于气井附近,从气井出来的天然气,经节流调压后,在分离器中脱除游离水、凝析油 及机械杂质,经过计量后送入集气管线; 2、集气站:将两口以上的气井来气从井口输送到集气站,在集气站内对各气井来天然气进行节流、 分离、计量后集中输入集气管线。 3、压气站:分为矿场压气站、输气干线起点压气站和中间压气站。当气田开采后期(或低压气田) 地层压力不能满足生产和输送要求时需设矿场压气站,将低压天然气增压至工艺要求的压力,然后 输送到天然气处理厂或输气干线。天然气在输气干线中流动时,压力不断下降,需在输气干线
14、沿途 设置压气站,将气体增压到所需的压力。压气站设置在输气干线的起点则称为起点压气站,设置在 输气干线的中间某一位置则称为中间压气站,中间压气站的多少视具体工艺参数情况而定。 4、天然气处理厂:当天然气中硫化氢、二氧化碳、凝析油等含量和含水量超过管输标准时,则需设 置天然气处理厂进行脱硫化氢(二氧化碳)、脱凝析油、脱水使气体质量达到管输的标准。 5、调压计量站(配气站):设于输气干线或输气支线的起点和终点,有时管线中间有用户也需设中 间调压计量站,其任务是接收输气管线来气,进站进行除尘,分配气量、调压、计量后将气体直接 送给用户,或通过城市配气系统送到用户。 6、集气管网和输气干线:在矿场内部
15、,将各气井的天然气输送到集气站的输气管道叫做集气集网。 从矿场将处理好的天然气输送到远处用户的输气管道叫输气干线。在输气干线经过铁路、公路、河 流、沟谷时,有穿越和跨越工程。 7、 清管站: 为清除管内铁锈和水等污物以提高管线输送能力,常在集气干线和输气干线设置清管站, 通常清管站与调压计量站设在一起便于管理。 8、阴极保护站:为防止和延缓埋地管线的电化学腐蚀,在输气干线上每隔一定距离设置一个阴极保 护站。 1.3 输气管道发展概况 一、输气管道的分类、组成及特点 管道输送是天然气的主要输送方式之一,从油气田井口到最终用户,历经矿场集气、净化、管 道、压气站、配气站以及调压计量等形成了一个统一
16、的密闭的输气系统。输气管道一般按其输送距 离和经营方式及输送目的分为三类:一是属于油气田内部管理的矿场输气管道,通常称为矿场集气 管线;二是隶属某管道输送公司的干线输气管道,通常称为长距离输气管道;三是由原城市煤气公 司或其他燃气公司投资建设并经营管理的城市输气管道,通常称为城市输配管网。 1. 矿场输气管道 矿场输气管道由采气管线和集气管线组成。根据气田构造、规模及气井分布等可布置成直线或 6 树枝状、环状和放射状管网,其特点是: (1)输送介质大多为未经净化或净化程度低的原料气。原料气中含硫、水、二氧化碳等杂质较高, 腐蚀性大。 (2)输送距离短。一般只有几公里至几十公里,也有一些由油气田
17、企业内部管理的输气管道直接输 送到附近城市或化工厂等,如辽宁盘锦沈阳新民输气管道,距离稍长一些,但一般中间没有增压 站,也只有一百多公里。 (3)管径小。 一般在 DN100 DN300,由油气田企业内部管理的直接输送到附近城市或化工厂的输 气管道,管径一般多用377mm、 426mm 或 529mm。 (4)压力变化大。开采初期井口压力可能高达10MPa 或者更高,随着地层压力的降低,到开采后 期可能降到1.0MPa,甚至 0.10.2MPa。 (5)集输系统流程复杂。包括矿场集输管网流程和矿场集输站场工艺流程。 2. 干线输气管道 干线输气管道主要由线路和输气站组成,线路包括沿线截断阀、阴
18、极保护站,输气站包括清管 站( 天然气输气管道工程设计规范GB50251-94 规定清管站应建在输气站内),其它还包括通信、 自动监控、道路、水电供应、线路巡检维修和其它一些辅助设施和建筑,对于采用低温输送工艺的 管道,还应有中间冷却站。 干线输气管道是连接矿场集气系统和城市门站(或配气站)的纽带,将经过矿场处理后的洁净 的天然气送往城市。与矿场输气管道与城市配气管网相比,其具有输送距离长(从几百公里至几千 公里)、管径大(一般在400mm 以上,最大可达1420mm) 、压力高(操作压力在4.010.0MPa)的 特点,而且与其它输送方式或其它如油品等长距离输送管道相比,长距离输送天然气管道
19、还具有如 下特点: (1)这是一个复杂的动力系统,运送量大,管道绝大部分埋设于地下,占地少,受地形地物及 恶劣气候影响小,能够连续运行,再加上运送介质本身就是很好的动力源,可以靠消耗自身克服摩 擦阻力将天然气运达目的地,所以是目前最有效、最大规模的运输系统,甚至是大量输送天然气的 唯一有效办法。 (2)从采气、净化、长输到城市供气各个环节,形成了一个密闭系统,上下游之间紧密相连而 又互相制约,一方面便于管理和易于实现远程集中监控,另一方面又存在着矿场天然气生产的相对 稳定与城市用户用气的不均衡性之间的矛盾,作为中间环节的长输管道,要解决好这一矛盾,其设 计和运行管理要比矿场和城市输气管道以及原
20、油管道更复杂。 (3)市场经济决定了要建设一条长输天然气管道,要考虑一条管道为几家油气田服务,天然气 的用户也要照顾沿线途经的城市、城镇或地区,以图取得最大的经济效益和良好的社会效益。由于 中间有数个进气点和分气点的存在,再考虑中间进、分气量的波动性和不均衡性,对确定线路走向、 管道设计和运行管理工作要求更高。 (4)同油田类似,气田的开发与开采也存在近期和远期的问题,近期产气量少而地层压力高, 远期产气量多而地层压力低,与输油管道不同的是,在输气管道投产初期,可以在首站不设压缩机 车间,而充分利用地层压力进行输送,对于远期提高输送量而地层压力低,是增设压气站还是建设 复线或采用其他方案,在管
21、道设计时要进行严格的技术经济论证,确定最优建设方案。 (5)不同于油品或普通工业用品,天然气输送管道虽然输送的也是燃料、能量或化工原料,但 它最主要的是担负着向某一城市或某些城市和地区的居民供气,涉及国计民生和千家万户,甚至社 会稳定的问题,一旦中断,将影响所涉及的这些城市或地区的人民的正常生活秩序和工业生产,因 此必须保证安全、连续、可靠地供气。这要在设计和管理上采取特别有效的措施予以保证。 (6)天然气长输管道输送压力高,介质易燃易爆,与输油管道的安全性质完全不同,输气管道 的损伤有可能引发爆裂或撕裂,这种事故会给周围居民和环境造成巨大破坏,而且难以短期修复。 因此要求在管材的选用上要更慎
22、重,管子质量把关更严格,尤其在管道施工全过程中,注意防止管 子装卸碰伤和损坏绝缘层等,在焊接过程中防止产生裂纹,要更加细致地施工。从冶金、制管、勘 察设计、施工和运行管理全过程中,建立完善的输气管道质量保证(QA)体系。 7 (7)长输管道要求有与之配套的通信、道路交通、水电供给等附属设施,在以电动机为原动机 的压气站,电力供应必须保证万无一失,有线和无线通讯系统也是不可缺少的设施之一,是全线生 产调度指挥的重要工具。随着天然气工业的迅猛发展,跨国、跨省跨地区的天然气输送管道正在建 设或即将建设,这就要求如通讯卫星、微波技术以及局域网和广域网等这些更先进更完善的技术, 应用到天然气长输管道的通
23、信调度指挥系统和生产自动化的信息传输系统中来,确保管道连续、可 靠和高效运行。 3. 城市输气管道 城市配气系统主要包括配气站、配气管网及支管、储气库和各类调压站所。它的任务就是从配 气站(或称城市门站)开始,通过各级配气管网和气体调压所保质保量地直接向用户供气。 城市输气管道从城市门站开始,遍布整个城市和近郊,通常有树枝状和环状两种布置方式,以 环状居多。其主要特点为: (1)管径变化范围宽。小到居民进户的户内管为20mm,大到兼有储气功能的高压干环的1m 以上。 (2)压力等级多。对于规模较大的城市,尤其是人口多、密度大的特大城市,配气管网多采用 多级系统,这些管道按照城镇燃气设计规范(G
24、B50028-93)根据压力高低分为五个等级: 高压A 级0.8cv。两者的关系 为 cp cvR R气体常数。 2、焦耳 - 汤姆逊系数 焦耳 - 汤姆逊系数是在研究一个被称为焦耳- 汤姆逊膨胀过程的流动过程时得到的。如图所示, 让气体在管道中通过一多孔塞从高压区向低压区流动或称膨胀,过程稳定、绝热地进行。因为气体 不可能自发的从低压区向高压区扩散,因此,无论过程多么缓慢都是不可逆的。 保证高压侧的压力、温度P1、T1不变,而改变并维持低压侧压力在P2a、P2b、P2c等等,并分别测得 相应的温度 T2a、T2b、 T2c等。把这些点画在T-P图上,就有一系列离散点1,2a,2b,2c,。然
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