管道怎么运输天然气

虽然天然气可以多种形式运输，但管线输送是迄今为止天然气输送最主要的方式。

共有3种类型的管线：采集管线、干线或输送管线以及配气管线。采集管线将每口产气井与气田上的加工处理厂连接起来。绝大多数天然气井因井下有足够的压力而会自然地溢出地表，然后通过采集管线送达天然气加工厂。在低压气井中，可在井口附近安装一台小型压缩机，用来增加出气管处的压力，以达到足以使天然气输送到加工厂的压力水准。在一些情况下，将多口井的出气管线连接在一起进入一条较大的管线内，然后一并输往加工厂。

出气管的长度是变化的，但它们通常仅有几英里长。这种管线的直径相对较小，一般为2～4in。工作压力也是变化的，但一般为几百个磅/平方英寸（psi），有时会达到2000psi。管线的长度，操作压力、直径以及天然气井出气管线的全长都取决于该井的产能、产出的天然气类型，加工厂的处理条件和地理位置，及其他因素。

通过油气田的加工厂，天然气进入输气管线系统，输送至城市，在那里，天然气将会被分配到每个商业用户、工厂和居民用户。到最终用户的配气由公共事业部门完成，这些部门将来自输气管线的天然气保存并通过小型的、有计量装置的管线输送给每个用户。

天然气的输送系统可以覆盖相当大的地理范围，可达数百英里长。输送管线在一个相对高压的条件下运行。设在管线的起始端的压缩机为天然气在管线中的移动提供能量。管线沿途设置的加压站用来保持管线内所需的压力。加压站之间的距离取决于天然气的输送量、管线的直径及其他因素。输送能力可以通过加压站而提高。

输气管线用钢制成，埋藏于地下。每根钢管之间的接口以焊接方式对接，管线外层有包裹层，以防被侵蚀。管线的直径最大可达60in。

将天然气输往大规模的用户群的一套输气系统有多个加压站和处理厂组成，它们的运行是复杂而极具挑战性的。计算机与采用了先进技术的交换系统使得管线操作者们能够在系统中以最小的故障率来更好地为用户提供所需的服务。

美国的天然气输送系统的管线长达30×104mile以上，这并不包括区域性的配气管线（表3.1）。这些管线必须由其周围的仪器遥控，以保证管线内的气流成分和条件数据的精度。绝大多数公司使用管线控制和数据探测系统（SCADA）维护从遥测点获得的数据，包括一些无人看管的站点。20世纪80年代到90年代初，人们对管线系统大量投资，以提高美国东北部西海岸和佛罗里达地区该系统的工作能力。然而，这些管线工业依然在能力、效率和性价比等方面有待提高，因为运输的费用依然在用户们使用天然气的花销中占有很大的比例。

表3.1　1998年世界天然气管线的建设

注：这些项目已于1998年开始实施，并预计在1998年完成。

注：这些项目已经在1998年开始实施，将在1999年或晚些时间完成；资料来自：《油气杂志》（Oil and Gas Journal）。

输送量

输送量需求——对于任何给定的管线或者整个工业来说，这都是可变的。对于天然气的需求量，一般每年增长2%或者3%，但是并不能保证这样的增长会出现在哪条管线上。人们对这种需求进行了预算，并且对未来的需求进行了规划，在修建一条足够大的、可以满足任何需要量的天然气管线与一条能够仅仅满足当前需求的管线之间选取了一个折中的方案。

如果一条管线铺设完成之后，在较长的时期内会有较大量的额外输送量的话，则该管线系统就将受益。如果仅仅铺设了一条直径较小的管线，而用户的需求量超过其输送量时，该系统就必须扩大容量了。这些系统可以用增加更多的泵或者压缩机来扩容，也可以在该管线的全程沿线或者部分线段平行地铺设附加的管线进行增容。平行安装的管线称为复线。

绝大多数管线的设计都考虑到了一些额外的输送能力，所以管线的能力可以通过加压或者增加泵的功率而提高。能够由通过增加功率而提高压力的工作会受控于该系统最大允许操作压力。最大操作压力由一系列适用于该管线尺寸、重量和钢材的成分以及管线所铺设的位置等要求来确定。

管线设计

管线设计的关键因素包括以下几项：

（1）管线的直径：管线的内径越大，所能通过的气流就越多，也就为一些运输中的气体体积变化预留了空间。

（2）管线的长度：每一段管线的长度越大，其管线内的总体压降就越大。

（3）特定的重量与密度：气体的密度是其每个单位体积的函数。

（4）压缩系数：在高压和高温条件下，天然气的压缩系数将会发生改变。设计中的计算必须考虑到在一些常规条件和高压或高温条件下的压缩系数。

（5）温度：温度会直接和间接地影响管线的输送能力。在天然气管线中，运行的温度越低，其运行能力就越强，这是弹性而可变的。

（6）　黏度：黏度是流体影响流动的一种性质，而且是在计算管线尺寸和所需泵功率时的一个重要因素。

（7）摩擦系数：摩擦系数随管线内壁的光洁度而变化。

有许多公式可以用来计算管线内的天然气气流，这些公式考虑了压力、温度、管线直径与长度、管线内壁的光洁度等因素。各种公式的主要区别在于其适用的范围——对管线的摩擦的处理和最佳适应性。

主推进器

主推进器是一台电动机或者涡轮机，为天然气通过管线提供所需的功率。一般根据其输出功率和效率而选定主推进器。同时，也必须考虑到给主推进器输送动力的能力以及这些能量的价格。主推进器的初始价格应与其他设备的费用进行比较，而且，设备的维护费用也是一个必须考虑的因素。主推进器的类型包括电动机、燃气轮机、柴油发动机和内燃机。电动机与燃气轮机是最常用的。

压缩机或泵站的大小并没有统一的标准，在站内的泵或压缩机的大小也没有统一的标准。一座小型的天然气集气系统的加压站可能仅有一台压缩机；一座大型的主干线输气站可能有多台这种压缩机，其总功率可达30000hp　1hp（英制马力）＝745.69987W（瓦）。甚至更大。一套典型的系统拥有多台压缩机，它们由总功率达百万马力的主推进器驱动。

为了计算驱动一台压缩机所需要的功率数，必须确定将天然气压力从吸入压力增加到输出压力所需的功率，允许在压缩机中损失部分功率。由于天然气是可压缩的流体，所以在计算时必须考虑到更多的因素。

由于电动机的价格往往要低于其他的主推进器，所以在加压站中被大量使用，用电线相连接。电动机还容易自动控制和遥控操作。一般也较少需要进行维修。电动机在易爆炸的环境中是很危险的。所以它们常常被安装在一个密闭的环境中。在选择将电动机作为主推动器时，应考虑到绝缘材料，电动机与安装的配置的特殊要求，以及所需的空气过滤装置。腐蚀性、相对湿度、化学腐蚀或者其他恶劣的环境都需要特别考虑到，应引起警惕。

燃气轮机主推进器被广泛地使用在驱动管线的泵和天然气输送中的离心式压缩机中。涡轮发动机为中等转速，其运行速度为6000～8000r/m。空气动力的涡轮机也可使用，它在较高的转速下运行。液体燃料或天然气可以被用于为涡轮机的天然气输入端提供能量。雾化的燃料与天然气及压缩空气一起混合并在该端点点火。所产生的热量排出推动着涡轮机转动。燃气轮机要比电动机费用高，而且其维修费用亦相对较高。周围的温度也会对涡轮机的能力产生明显的影响，而这一点是必须考虑到的。它们一般对燃料的需求也是有弹性的，可以根据需求使用天然气、柴油或其他气体燃料。

控制与编制进度计划

管线的控制系统应统一设定压力与流量，以及管线沿途工作站的启动与停止的泵和压缩机，并监控这些泵和压缩机以及阀门的工作状态。在大型管线系统中，许多控制指令是由中心控制站发出的。

管线操作人员最重要的功能之一就是编制每项生产输送量的进度计划——在一个指定的时间内管线确保为用户提供输送。管线操作人员还必须对输送的全部气体体积进行精确的计算。当产量不频繁发生变化且用户数量不多时，这种工作就挺简单的。一个复杂的系统，若有大量用户与变化着的天然气产量，其流量与操作条件就需要时常变化。编制进度计划和计算就变得相当复杂了。

管线淸洁器

管线的“清洁器”和管道输送隔离球是用来清洗管线和将一条管线内的不同流体分离开来的。管线清洁器还用于监测那些会引起故障的因素与问题。这些清洁器一般为钢制的，上面有橡胶或塑料的杯状物，起到对管线内部的密封作用，并允许压力将这些清洁器沿管线内壁移动。在清洁器表面可以安装不同类型的刷子和刮削器，以起到清洁作用等。

管线清洁器可以起到以下作用：

（1）除去管线内的蜡和水等；（2）将产品分离开，及减少不同产品类型之间界面的摩擦；（3）在检测、烘干和清洗时控制管线内的流体；（4）保护管线，使之免受凹陷、弯曲或腐蚀的损伤；（5）对管线内部涂层，进行防腐处理。

测量

天然气的计量仪有孔板式、容量式和涡轮式等类型。这些计量仪测量管线内天然气流体的体积。近年来，对天然气热容量的重视已经促进了对流通的天然气流的单元热容量监测技术的出现。除了传统的定期采样或色谱分析方法之外，还实现了对天然气单元热容量的声波测量。

基本条件，如大气压力和温度，在进行测量之前都必须被确定。在天然气合同中，应将这些基本条件除去。计量仪也需要一些数据，如气流的温度与压力，天然气的特殊重力，以及在流动条件下的天然气压缩系数等。

天然气可以通过体积或质量进行测量。质量流测量近年来已经十分普及。质量流测量是计量每小时通过的气流的磅数，而体积测量的是每小时通过的立方英尺数量。这两种测量方法都与流动中流体得到特殊重力有关，对一些流体而言，尤其是天然气，其物理性质不是完全可以预测的，所以质量测量就要比体积测量更为精确。

当管线系统被相互对接时，来自各方的天然气就会在一根管线中混合。对于天然气的热值测量来说，除了它的体积和质量测量之外，这是很有前景的方式。热值的测量允许用户们可以合理地付费，而天然气生产厂家也可获得一个满意的价格。

热值的一个常用单位是Btu——意思是在一个特定的温度将给定质量的水的温度升高1　℉所需的热量。热值常常进一步被定义为总热值或纯热值。天然气与空气在恒定压力下完全燃烧所放出的Btu数。天然气的温度以及燃烧的产物以60℉计算。由此燃烧反应所形成的所有水被凝析为液体。先确定了总热值，然后减去将由此燃烧反映所产生的水蒸发所需的潜在热量，即为纯热值。

天然气跨国是通过管道、轮船运输。

天然气管道是指将天然气（包括油田生产的伴生气）从开采地或处理厂输送到城市配气中心或工业企业用户的管道，又称输气管道。

利用天然气管道输送天然气，是陆地上大量输送天然气的方式。在世界管道总长中，天然气管道约占一半。

天然气管道运输具有运输成本低、占地少、建设快、油气运输量大、安全性能高、运输损耗少、无“三废”排放、发生泄漏危险小、对环境污染小、受恶劣气候影响小、设备维修量小、便于管理、易于实现远程集中监控等优势。

管道结构

输气管道是由单根管子逐根连接组装起来的。现代的集气管道和输气管道是由钢管经电焊连接而成。钢管有无缝管、螺旋缝管、直缝管多种，无缝管适用于管径为529毫米以下的管道,螺旋缝管和直缝管适用于大口径管道。

集输管道的管子横断面结构，复杂的为内涂层-钢管-外绝缘层－保温（保冷）层；简单的则只有钢管和外绝缘层，而内壁涂层及保温（保冷）层均视输气工艺再加确定。

天然气的输送目前有两种方法；一是将天然气液化后用专用的油轮运输，二是用管道输送。

1　液化天然气运输

液化天然气（LNG）是天然气经净化处理后，通过低温冷却（必须将其冷却至-162℃以下）而成的液态产物，其体积为原气态体积的1/600，在常压下，保持液态。天然气在液态时，可以用液化天然气运输船运输。液化天然气运达接收的港口后，卸入接收站的低温储罐中储存，然后通过加热再气化后，以气态形式用管道输送至用户，LNG工艺过程见图6-24。

图6-24　LNG工艺过程

液化天然气的特点：便于运输；储存效率高；可调节用气负荷，可实现能源综合利用；燃料性能好；生产使用安全；有利于环境保护。

2　管道输气

输气管道沿线必然要有多条分输的管线，与各用气的城市管网相连。

城市配气的任务是从配气站开始，通过各级配气管网和调压站，根据用户要求保质保量地向用户供气。

配气站是干线的终点，又是城市配气的起点和总枢纽。

另外，城市附近一般都设有储气库，以调节因用气量变化而引起的输气与供气之间的不平衡，以及故障时备用。

二、液化输送。特点：一般用于海运，运输量较大，运输成本仅限于船运费用；

三、高压瓶装。特点：一般用于民用。量小，成本高。

出处：gasonline.com.cn

随着人们的环保意识的不断提高，世界各国需求环保能源的呼声也日益高涨，各国政府也纷纷通过立法程序来传达这种趋势。天然气作为最环保的能源之一，每个以石油为主要能源的国家也开始研发并利用新能源代替石油能源，在尚未发现真正的替代能源前，天然气的广泛利用成为人们的主要研究目标。

天然气是一种多成分的混合气体，主要成分由烷烃组成，其中甲烷占绝大多数，乙烷、丙烷和丁烷占少数，另外一般还含有氮、硫化氢、二氧化碳和水气，以及微量的惰性气体，如氦和氩等。天然气在方便人们的生活生产的同时，其运输方式却是一个很难解决的问题。

天然气的运输成本昂贵，危险性高，是全世界都为之头疼的问题。目前世界上大规模输送天然气的方式基本上有两种：即管道运输天然气和液态运输天然气。中国大陆地区一般采用管道运输的方式，海上运输和道路运输一般则利用专用船舶和车辆运输液态天然气。但无论哪种方法，其运输成本和安全问题都是无法降低或解决的难题。通常，运输液化天然气的时候，首先要把天然气降至-162℃，并且还要使其保持在-162℃左右才能保证天然气处于液化状态。这样，不仅要消耗大量的能源、建造较大规模的设施设备，而且如果在热带地区运输的话，一部分液化天然气还会蒸发和气化。针对这一系列问题，专家们就设法把天然气做成球状或制成粉末状的，这样就能安全便捷的运输天然气了，经过专家的实验表明，尽管把天然气制成球状固体和粉末状在运输方式上都属于先进的天然气远程运输方式。但是，两者相比之下，天然气球状固体运输比天然气粉末状运输的优点更多一点。因为粉末状的天然气在运输过程中会加大物体的体积，经济效率也就不是很理想；而天然气球状固体在运输中能增加1.4倍的运输量，并且比粉末状更容易搬运，从而也就可以达到理想的经济效益。

日本三菱造船公司正在尝试将天然气转化成球状固体来运输，这种将天然气固体化的运输方法，该方法是将天然气与水搅拌，经过“水合作用”使天然气的主要成分甲烷被水覆盖包围形成“水合体”，类似于“果冻”一样的形态。然后经过加工处理，把其中的水分抽出使之形成粉末状，再制成球状物体进行运输。

在这个系列过程中，天然气转化成粉末的过程要在2℃和数十个大气压条的件下进行。和天然气在低温条件下液化所不同的是，天然气固化的关键在于要控制好转化过程的压力。其实很早以前人们已经知道天然气具有“水合作用”，但是一直都没有在工业上加以利用。

日本三菱造船公司在实验室中已尝试了几种固化天然气的方法。其中之一就是利用螺旋桨叶片在压力容器中把天然气与水混合搅拌；另一种方法是在充满水的容器底部设置管道并往内加入天然气，使其形成“水合体”。但是，实验室中的这些方法都不能在短时间内生产出大量可供工业利用的“水合体”。为此，该公司采用了搅拌方式和沸腾方式相结合的制备方法。为了增加水和天然气的接触面积，研究人员在搅拌用的螺旋桨叶片上也安装了管道，在螺旋桨转动的同时叶片上的管道也就能往内输入天然气。这样形成的“水合体”比单一搅拌方式形成的“水合体”高出10倍以上的制备量，效率明显有了提高。可是这种方法还没有被广泛利用。

随着人类科学技术的飞速发展，很多的不可能也会变成可能，人类还会创造越来越多的奇迹。把天然气做成“球”的运输方法可能在不久也会得到广泛的使用方法，让人们再运输中更方便。

在管线随着第二次世界大战得到发展之前，与石油勘探相伴所产出的天然气绝大部分被当场烧掉或者被排放了。直到今天，气体燃料依然远比固体燃料如煤炭和液体的石油难以运输，且费用也要高得多。液体与固体燃料可以用倾注或挖掘的方式注入容器内，并可以通过高速公路、铁路或海运等方式运至市场。但最有效的输送天然气方式是通过固定的、高压管线进行。

管线没有必需的损耗。问题在于当时的技术水平使人们还用不起。今天，管线是石油在大陆输送的首选方式，管线是输送大体积的半液化煤炭的最便宜的方式之一。

管线技术的进步是不规则的。第一条天然气管线有100多英里长，从印第安纳州的几个天然气田铺往芝加哥，它于1891年建成。该管线在120mile的输气线路上没有一部压缩机。在压力足够的条件下天然气可以升至地面，并可连续流动。在管线中，天然气的输送量取决于管线的直径、功率以及管线上加压站的间距。　目前的管线以每10～200mile升压1000psi　1psi=6.89476×103Pa。的压力状态运行。芝加哥的管线气从1891年起就以525psi的压力涌出地表。早在1880年，这条管线就用上了压缩机，但压缩机并不是管线延长的限制因素。管线的质量是更加重要的保障。管线工业的发展取决于管材接口处的强度与连接，以及能够经受所需高压的钢材。

安全也是一个因素。与液体不同，气体能够近乎无限制地被压缩，然后在大气压力条件下又可能膨胀回原状。一根油管上的一个小孔或裂隙都可能造成大麻烦，但是这远没有在高压输气线上的危险性高。在那种输气线上，一个小小的孔隙就可引起巨大的灾难。随着时间的推移，钢管取代了以前的铸铁管子。即便如此，管材的强度依然会受到管材制作工序中从平板卷为圆桶状的过程，以及每节管子之间的焊接处的质量的影响。较厚的管材也不能保证就能承受高压，因为管材彼此之间的接缝处依然是脆弱的。

接缝和管线之间的连接技术在1911年就有了极大的进步，当时引进了氧—乙炔焊接技术。1922年诞生了电焊技术。在第二次世界大战中和战后所使用的压力气焊技术融合了能够切开钢管的技术进步，产生了制造业的重大技术突破，为管线制造业的大发展开辟了新路。

随着技术的不断进步，天然气管线工业采取了增加管材直径与压力的方式，此举增大了输气管线系统的能力并提高了经济效益（表1. 1）。

表1.1　管线能力增长一览

续表

注：虽然一些管线在设计时管径可达56in，但实际使用中，高峰期的管线直径为42in。

20世纪20年代后期和1927—1931年间，长途天然气输送变得普及了，大约建起了12条大型运输管线，每条管线的距离都超过200mile。这些管线系统输送的天然气来自3个产油气区：Panhandle-Hugoton气田区、位于路易斯安那州的Monroe油气田以及加利福尼亚州的San Joaquin Valley油田。Panhandle-Hugoton气田是北半球最大的仅产出天然气的气田群。它们从得克萨斯州的Panhandle北部延伸近300mile，横跨俄克拉何马州，进入堪萨斯州的西南部。

在1932年至美国参加第二次世界大战期间，Great坳陷阻碍了天然气工业中管线建设的进展。战争刺激了美国东海岸工业中心的能源建设，但敌方的潜艇给用油轮运输油品的行动造成了极大的威胁，许多油轮在美国的海岸附近被击沉。与此同时，联邦政府授予田纳西州运输公司以特殊勋章，以表彰其集中人力、物力（钢材）修建了一条从墨西哥到阿帕拉契山脉的全长1275mi1e的管线。出于保卫国家的目的，政府还修建了多条输油管线，它们从得克萨斯的油田铺到了中东以北和阿帕拉阡山脉。战争结束以后，这些管线转为输送天然气。

消费用品与工业用钢铁的短缺随着战争的结束而结束了，而管线的建设直到20世纪60年代中期才展开。Panhandle-Hugoton气田继续支持着新管线的增加，许多公司用增加加压站的方式延伸管线的长度。人们还将注意力转向在20世纪30年代发现的得克萨斯和Carthage气田。在得克萨斯和路易斯安那海湾多口钻井获得成功。该地区迄今发现的天然气占到全美天然气总量的40%左右。在1950—1956年间，有5条输气管线建成，每条的长度都超过了1000mile，它们从海湾直抵美国北部和东部的目的地。

1953年二叠系盆地产出的天然气第一次向北部与东部地区输送。北部的天然气供应开创了连接的先河，将先前输送Panhandle-Hugoton气田天然气的管线中的气流转向南，输往得克萨斯州的西部地区。

这种第二次世界大战后的大发展一直延续到20世纪50年代后期，当时州与州之间的输气公司积极地将它们的系统相连接，并且增加了在发展中的市场上的供气能力。1959年，休斯敦公司修建了一条1500多英里长的管线，从得克萨斯的最北部通往迈阿密和佛罗里达，并将天然气送抵这些地区。同时还修建了一些复线，将天然气配给全州各地。

到20世纪60年代中期，战后的管线繁荣期结束了。为数不多的几项工程成功地实现了跨大陆之间的管线连接，这使美国的天然气输送管线网更趋成熟。到1966年，天然气可以输抵除夏威夷之外的美国所有州，并可到达加拿大境内除马提尼省之外的所有省份。总体上讲，到了20世纪60年代，天然气管线工业已相对停滞了。

在整个20世纪70年代，关于天然气工业的联邦法律助长了天然气的短缺、削减，以及有关未来供应的悲观主义情绪。这种悲观情绪在整个20世纪80年代依然持续着，这是由于需求方连续的不景气以及对所需的长期供气的持久性怀疑态度所致。出售给居民、商业和工业用户的天然气在1972年达到了顶峰之后就一直以低于此值的量保持了19年，该纪录直到1991年才被打破，达到了173×108 Btu。

到20世纪90年代中期，天然气的禁令被大量解除，其用户数量直线上升。天然气——长期以来被认为是一种清洁的、低廉而可靠的燃料跨入了迅速增长的状态，而且，还有望在未来的几十年中继续保持这种势头。