输气管道设计过程 万
输气管道设计过程
1）在确定输气管道计算流量时要考虑年平均输气不均衡性，确定输气管评估性通过能力利用系数K H ：
K H =K P ⋅K ∂⋅K H π=0. 959
2）计算输气管评估性通过能力q :
Q ⨯10217⨯108
q ===4. 857 106m 3/d
365⨯K H 350Q ⨯10213. 6⨯108q 0===3. 8856 106m 3/d
365⨯K H 350
3）设定3个设计压力P H ：5.5，6.0，6.5 MP a ；
4）对每个设计压力P H 设定3个压比ε，一般压力比为1.26—1.5之间，我取压力比为：1.3、1.4、1.5；
5) 设定管径（711㎜）为例，与3个设计压力（P H ）和3个压比（ε）组成9个输气工艺方案；以下各项计算仅以其中的一个方案（P H =6MP a ，ε
=1.3）作为示范，其余各方案的计算列入计算成果表（表1-3）。 6）设计管材的钢种等级为X60, 其最小屈服强度ζ
s
=413 MP a ；
7）计算钢管的壁厚δ（初定地区等级为Ⅲ类，设计系数F=0.5）：
δ=
P H D H 6. 5⨯711
==10. 3→11. 1mm
2σs F 2⨯413⨯0. 5
8）确定输气管内径：
D B =D H -2δ=711-2⨯11. 1=688. 8mm
9）根据设计压力P H =6MP a （即压缩机出口压力）和压比ε=1.3，计算压缩机入口压力P B ：
P B =
P H
ε
=
6
=4. 62MP a 1. 3
10）确定输气管计算段的起点压力（即压气站出站压力）P 1：
P 1=P H -δP 1-δP 2=6. 5-0. 0412-0. 0588=5. 90MP a
（天然气在压气站出口端的工艺管线和设备中的压力损失定为0.1 MP a ，小于附录Ⅰ中所列的数值0.11MP a ） 11）确定输气管计算段的终点压力（即下一压气站进站压力）P 2：
P 2=P B +δP =4. 62+0. 08=4. 70MP a
（天然气在压气站进口端的一级除尘装置和连接管线中的压力损失定为0.08MP a ，小于附录Ⅰ中所列的数值0.10 MP a ） 12）计算输气管计算段的平均压力P CP ：
P 222⎛
P CP = P 1+ 3⎝P 1+P 2⎫2⎛4. 702⎫
⎪= ⎪=5. 321MP a ⎪3 5. 9+5. 9+4. 7⎪
⎝⎭⎭
13）设定输气管末段的终点压力P K ：
P K =4. 0MP a
城市配气管网的压力为1.6Mpa ，可以通过使用降压阀使压力将为1.6Mpa 。 14）计算水力摩阻系数λ（考虑了局部摩阻1+0.05）：
λ=1. 05
0. 038170. 03817
=1. 05=0. 04785 0. 2
E 2D B 0. 952⨯0. 68882
15）计算输气管计算段中天然气的平均温度t CP ：
① 已知沿线年平均地温t 0=12℃，根据本章1.4节:
标准规定，天然气最优年平均冷却温度应比室外年平均计算气温高10--15℃，而
年平均计算气温=年平均气温+△t 其中 △t=2℃ 查数据知：河南年平均气温为12.5℃
陕西年平均气温为14.3℃
t H =
12. 5+14. 3
+2+(10-15) =15.4+（10--15）=25.4—30.4 2
在此设定天然气的出站温度t H =26℃；
② 已知P MP 1=5. 9MP a ，P 2=4. 70MP a ，P CP =5. 011a ③ 初步推测设定t CP ≈14︒C ；
；
④ 根据P CP =5. 011MP a 和设定的t CP ≈14︒C ，从第二章2.3节知：
3
C P =A 1+A 2*T cp +A 3/T cp
其中： A 1=1. 695
A 2=1. 838*10-3 A 3=1. 96*10(P ) cp -0. 1
则：
6
C P =A 1+A 2*T cp +A 3/T
3cp =
1. 96*106
1. 695+1. 838*10(273. 15+14) +(5. 32-0. 1) =2. 655KJ /(Kg *K ) 3
(273. 15+14)
-3
⑤ 根据C P ≈2. 655kJ /(kg ⋅K )和设定的t CP ≈14︒C ，从第二章2.4节 知：
D i =
1E 1
(2-E 2) c p T cp
6
其中： E 1=0. 98*10
E 2=1. 5
则：
10. 98*1061E 1
(-1. 5) =3. 912︒C /MP a D i =(2-E 2) =
2. 655287. 152c p T cp
⑥ 经过收集的数据，根据忠武输气管道的个参数，在此初步设定l =150km ; ⑦ 取K CP =1. 75W /m 2⋅︒C ； ⑧ 计算：
()
a 2l =0. 225⨯106
⑨ 计算：
K CP D H l 1. 75⨯0. 711⨯1506
=0. 225⨯10=5. 576
q ∆C P 1064. 857⨯0. 584⨯2. 655⨯106
-a 2l = -5. 576=0. 004
⑩ 计算：
t CP
t H -t 0P 12-P 22⎡1-a 2l
=t 0+1- -D i ⨯⎢1-1- -a 2l
a 2l 2a 2lP CP ⎣a 2l
()(
)⎤⎥
⎦
26-125. 92-4. 702⎡1⎤(1-0. 004)-3. 912()=12+1-1-0. 004=13. 81︒C ⎥5. 5762⨯5. 576⨯5. 32⎢5. 576⎣⎦
计算结果（t CP =13. 81︒C ）与初步推测设定的值（t CP ≈14︒C ）基本接近，因此不需要重新设定。
16）根据平均压力P CP =5. 32MP . 15+13. 85=287K ，计算天然气的平均压缩性系数Z CP ： a ，平均温度t CP =273
按近似公式计算：
Z CP =
100+0. 113P cp ⨯10100
1. 15
=
100
100+0. 1135. 32⨯101. 15
=0. 902
17）按公式（1-8）计算压气站间距l :
⎛105. 113D l = q ⎝
2. 5
B
⎫P 12-P 22⎪⎪∆λZ T
CP CP ⎭
2
⎛105. 1130. 68882. 5⎫5. 92-4. 72
⎪ = =128KM
⎪4. 857⎝⎭0. 583*0. 04789*0. 902*287
2
分输点前长度为256km ，故应建立两个压气站，分气点既是分输点又是压气站
15）分输点后 管段的计算
① 已知沿线年平均地温t 0=13℃，在此设定天然气的出站温度t H =26℃； ② 已知P MP 1=5. 9MP a ，P 2=4. 70MP a ，P CP =5. 011a ③ 初步推测设定t CP ≈13︒C ；
④ 根据P CP =5. 011MP a 和设定的t CP ≈13︒C ，从第二章2.3节知：
3
C P =A 1+A 2*T cp +A 3/T cp
；
其中： A 1=1. 695
A 2=1. 838*10 A 3=1. 96*10(P ) cp -0. 1
6-3
则： C P =A 1+A 2*T cp +A 3/T
3cp =
1. 96*106
1. 695+1. 838*10(273. 15+13) +(5. 32-0. 1) =2. 658KJ /(Kg *K ) 3
(273. 15+13)
-3
⑤ 根据C P ≈2. 658kJ /(kg ⋅K )和设定的t CP ≈13︒C ，从第二章2.4节 知：
D i =
1E 1
(2-E 2) c p T cp
其中： E 1=0. 98*106 E 2=1. 5
10. 98*1061E 1
(-1. 5) =3. 939︒C /MP a 则： D i =(2-E 2) =2
2. 658286. 15c p T cp
⑥ 经过收集的数据，根据忠武输气管道的个参数，在此初步设定l =150km ; ⑦ 取K CP =1. 75W /m 2⋅︒C ； ⑧ 计算：
()
a 2l =0. 225⨯106
⑨ 计算：
K CP D H l 1. 75⨯0. 711⨯1506=0. 225⨯10=6. 963 66
q ∆C P 104. 857⨯0. 584⨯2. 658⨯10
-a 2l = -6. 963=0. 001
⑩ 计算：
t CP
t H -t 0P 12-P 22⎡1-a 2l
=t 0+1- -D i ⨯⎢1-1- -a 2l
a 2l 2a 2lP CP ⎣a 2l
()(
)⎤⎥
⎦
26-125. 92-4. 702⎡1⎤(1-0. 001)-3. 939()=12+1-1-0. 001=13. 43︒C ⎥6. 9632⨯6. 963⨯5. 32⎢6. 963⎣⎦
计算结果（t CP =13. 43︒C ）与初步推测设定的值（t CP ≈13︒C ）基本接近，因此不需要重新设定。
16）根据平均压力P CP =5. 32MP . 15+13. 43=286. 6K ，计算天然气的平均压缩性系数Z CP ： a ，平均温度t CP =273
按近似公式计算：
Z CP =
100+0. 113P cp ⨯10100
1. 15
=
100
100+0. 1135. 32⨯101. 15
=0. 902
17）按公式（1-8）计算压气站间距l :
⎛105. 113D
l = q ⎝
2. 5
B
⎫P 12-P 22⎪⎪∆λZ T
CP CP ⎭
2
⎛105. 113⨯0. 68882. 5⎫5. 92-44. 72
⎪ = =201km
⎪0. 583⨯0. 04785⨯0. 902⨯286. 64. 857⎝⎭
2
18）根据输气管末段终点压力P K ，求末段平均压力P KCP ：
P KCP
P K 22⎛
= P 1+ 3⎝P 1+P K ⎫
⎪⎪=⎭2⎛4. 82⎫ ⎪5. 9+=5. 37MP a ⎪3⎝5. 9+4. 8⎭
19）求末段中天然气的平均压缩性系数Z KCP ：
① 已知P 1=5. 9MP a ，P K =4. 8MP a ，P KCP =5. 37MP a ； ② 初步设定t kCP =13︒C ；
③ 根据P CP =5. 37MP a 和设定的t CP ≈13︒C ，从第二章2.3节知：
3
C P =A 1+A 2*T cp +A 3/T cp
其中： A 1=1. 695
A 2=1. 838*10-3 A 3=1. 96*10(P ) cp -0. 1
则：
6
C P =A 1+A 2*T cp +A 3/T
3cp =
1. 96*106
1. 695+1. 838*10(273. 15+13) +(5. 37-0. 1) =2. 662KJ /(Kg *K ) 3
(273. 15+13)
-3
④ 根据C P ≈2. 662kJ /(kg ⋅K )和设定的t CP ≈13︒C ，从第二章2.4节 知：
D i =
1E 1
(2-E 2) c p T cp
6
其中： E 1=0. 98*10
E 2=1. 5
则：
10. 98*1061E 1
(-1. 5) =3. 933︒C /MP a D i =(2-E 2) =
2. 662286. 152c p T cp
⑤ 初设末段长度l =200km ; ⑥ 取K CP =1. 75W /m 2⋅︒C ； ⑦ 计算
()
a 2l =0. 225⨯106
⑧ 计算
K CP D H l 1. 75⨯0. 711⨯2006
=0. 225⨯10=9. 27
q ∆C P 1064. 857⨯0. 584⨯2. 662⨯106
-a 2l = -9. 27=0. 000094
⑨ 计算
t CP
t H -t 0P 12-P 22⎡1-a 2l
=t 0+1- -D i ⨯⎢1-1- -a 2l
a 2l 2a 2lP CP ⎣a 2l
()(
)⎤⎥
⎦
26-125. 92-4. 82⎡1⎤(1-0. 000094)-3. ()=12+1-1-0. 000094=13. 1︒C ⎥9. 272⨯9. 27⨯5. 37⎢9. 27⎣⎦
计算结果（t CP =13.1℃）与重新设定的值（t CP =13℃）基本接近。 ⑩ 按近似公式计算压缩性系数：Z KCP =
100
100+0. 113P ⨯101. 15
=
100
100+0. 1135. 37⨯101. 15
=0. 901
20）计算末段长度l k ：
2. 5
⎛105. 113D B ⎫P 12-P k 2
⎪l k = ⎪∆λZ T
KCP KCP ⎝⎭
2
⎛105. 113⨯0. 68882. 5⎫5. 92-4. 82
⎪=185km ⎪0. 584⨯0. 04879⨯0. 901⨯286. 34. 857⎝⎭
21）确定压气站数n c ⋅s ，并化整
n c ⋅s =
2
L -l k 384-185
+1=+1=1 l 201
22）计算一个压气站所需的总功率（单站计算功率）N 0：
① 按天然气组分计算天然气平均分子量μ：
μ=∑y i μi =16. 789
1
9
② 计算气体常数R
R =
848
μ
=
848
=50. 51
16. 789
③ 把全站的通过能力、即体积流量q 换算成质量流量G ：
P 04. 857⨯106q 1. 033⨯104
G 1=⨯=⨯=39. 22kg /s
24⨯3600Rt 24⨯360050. 51⨯293. 15
P 03. 8856⨯106q 1. 033⨯104
G 2=⨯=⨯=31. 38kg /s
24⨯3600Rt 24⨯360050. 51⨯293. 15
④ 计算在压缩机入口条件下天然气的压缩性系数Z B
Z B =
100
100+0. 113P ⨯101. 15
=
100
100+0. 1134. 62⨯101. 15
=0. 915
⑤ 计算多变能量头H （取k=1.5）：
-1. 5-1
⎡k k ⎤⎡11⎤k 1. 5. 5
H 1=ZRT ⎢ε-1⎥=⨯0. 915⨯50. 51⨯287⎢1. 3-1⎥=3637kg ⋅m /kg
k -11. 5-1⎣⎦⎣⎦-1. 5-1
⎡k k ⎤⎡11⎤k 1. 5
H 2=ZRT ⎢ε-1⎥=⨯0. 915⨯50. 51⨯286. 6⎢1. 3. 5-1⎥=3632kg ⋅m /kg
k -1⎣⎦1. 5-1⎣⎦
⑥ 计算一个压气站所需的总功率（即单站功率）N 0（取多变效率η=0.8）
N 01=
GH 39. 22⨯3637
==1748. 1kW 102η102⨯0. 8GH 31. 38⨯3632
==1396. 6kW 102η102⨯0. 8
N 02=
23）选择燃气轮机，确定一个压气站所需的燃－压机组数n c ⋅s ：
① 根据压气站单站计算功率N 01=1748kW ，N 02=1397kW ，
初选PCL503—1型燃气轮机，该机在ISO 条件下的额定功率：N ISO =3016kW ② 计算在现场实际工作条件下该型号燃气轮机的可用功率： 现场实际工作条件及有关修正系数如下：
环境温度，10℃ Ft =1.04； 站址海拔高度400m Fa =0.952； 进气系统压力损失修正系数近似取 Fin =0.985； 排气系统压力损失修正系数近似取 Fex =0.995； 可用功率：
N site =3016⨯0. 925⨯0. 985⨯0. 995=2927kW
③ 确定一个压气站所需的燃－压机组数：
N t ⋅c 1=
N 011748. 1
==1 N site 2927N 021396. 6
==1 N site 2927
N t ⋅c 2=
即分输点前一个压气站需设由PCL503—1型燃气轮机驱动的燃－压机组1台（工作）+1台（备用）， 分输点前一个压气站需设由PCL503—1型燃气轮机驱动的燃－压机组1台（工作）+1台（备用）。 ④ 确定每台（工作的）离心式压缩机的排量g （㎏/s）：
g 1=
G 139. 22
==39. 22kg /s n t ⋅c 11G 2
=31. 38=31. 38kg /s n t ⋅c 2
g 2=
⑤ 确定每台离心式压缩机的实际功率：
N comp 1=
g 1H 139. 22⨯3636. 6
+N site =+100=1848kW 102η102⨯0. 8g 2H 231. 38⨯3632
+N site =+100=1496. 6kW
102η102⨯0. 8
N comp 2=
功率利用率：
1848
=63. 1%29271497
=51. 1% 2927
24）计算燃料气耗量：
① 把PCL503—1型燃气轮机在ISO 条件下的额定热耗率HR ISO =2147kJ /(kW ⋅h )换算成在现场实际工作条件下的热耗率HR site ：
HR site =2147⨯0. 995⨯1. 0098⨯1. 018=2196kJ /(kW ⋅h )
② 计算单位功率（kW ），单位时间的燃料气耗量q F （所输天然气的低热值Q min =33080m/（kW ·h ）
3
q F =
HR site 2196
==0. 066m 3/(kW ⋅h ) Q min 33080
③ 计算一个压气站燃料气的年耗量Q F ：
Q F 1=q F ⨯24⨯350⨯1⨯1848. 1=0. 066⨯24⨯350⨯1⨯1848. 1=1. 0246⨯106m 3/a Q F 2=q F ⨯24⨯350⨯1⨯1848. 1=0. 066⨯24⨯350⨯1⨯1496. 6=0. 8297⨯106m 3/a
④ 计算输气管全线燃料气的年总耗量：
Q sum f =Q F 1⨯n c ⋅s 1+Q F 2*n cs 2=2. 8956⨯106m 3/a
全线燃料气年耗量占年输气量的比例：
2. 8956⨯106
=0. 17%
17⨯108
25）计算输气管线部分的耗钢量G st ：
(D -δ)δ⨯640=0. 0246615(711-11. 1)⨯11. 1⨯640=12. 262⨯104t G st =g st ⨯L =0. 0246615
以上是9个方案中的一个方案（P H =6MP a ，ε=1.3）的示范计算，其余方案见后面的“输气工艺方案计算成果表”（表1-3）。把各个方案的工艺计算成果（主要是压气站数、总计算功率或燃－压机组总数、总耗气量和耗钢量）提供给经济专业人员，由其对各方案进行经济评估，通过分析比较，选出
几个或几组优先方案，以供下一阶段进行深化研究。
以下未处理
天然气管道设计计算基本过程
第1阶段
评估性通过能力利用系数 评估性通过能力 天然气密度
第2阶段 初定管径 设定出口压力 设定压比 确定管材等级 计算壁厚与内径
第3阶段 第4阶段 第5阶段 确定优化方案
计算水力摩阻系数 计算末段长度 计算管内平均温度 确定压气站 计算平均压缩因子 计算压气站总功率 计算压气站间距
确定燃-压机组数
计算末段平均压力 计算燃气量
计算入口压力 确定起点压力 确定终点压力 确定平均压力 确定末段终点压力
计算末段压缩因子 计算耗钢量