西氣東輸課程設(shè)計--西氣東輸管道總體工藝方案設(shè)計

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文檔簡介

1、　　二、設(shè)計方法和步驟　　根據(jù)設(shè)計要求，繪制了計算流程圖如下：　　三、具體計算步驟　　3.1計算管壁厚度 　　按照我國《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》（GB 50251—1994），輸氣

2、管道直管段管壁厚度按下式計算：　　（1）　　計算步驟：　　將各個已知量代入（1）式，得到理論厚度。　　API 5L標準向上取圓整，得到實際厚度。　　全線選

3、用外徑為1016mm的內(nèi)涂層鋼管，按照API SPEC 5L規(guī)范，對應(yīng)于該管徑的管壁厚度系列為7.9，8.7，9.5，10.3，11.1，11.9，12.7，14.3，15.9，17.5，19.1，20.6mm，根據(jù)計算得的壁厚14.61mm，向上圓整得：。　　3.2計算管道內(nèi)徑　　由圓管幾何關(guān)系得到：</p&

4、gt;　?。?）　　計算步驟：　　將外徑、壁厚代入（2）式，得到內(nèi)徑。　　3.3計算中間站進出站壓力　　計算公式及步驟：</p&g

5、t;　　1）確定壓氣站出站壓力。　　根據(jù)設(shè)計壓力10MPa確定，壓氣站出站壓力等于設(shè)計壓力為10MPa，即下式中的　　2）確定壓氣站進站壓力。　　壓縮機出口壓力， MPa。　　壓縮機入口壓力，MPa。&l

6、t;b>　　進站壓力，MPa。　　其中。　　首站進站壓力和壓比　　首站輪南供氣壓力6.5MPa(絕)，即首站進站壓力。　　壓縮機出口壓力。</b&

7、gt;　　壓縮機入口壓力。　　首站壓比。　?、谄渌麎簹庹具M站壓力和壓比　　根據(jù)壓縮機壓比推薦值1.45，確定壓氣站壓比。　　壓縮機出口壓

8、力。　　壓縮機入口壓力。　　進站壓力。　　3.4利用Colebrook公式計算管段的水力摩阻系數(shù)　　計算公式：&l

9、t;p>　?。?）　?。?）　　（5）　　步驟：　　1）利用（4）式計算出Re代入（3）式；

10、　　3）利用（5）式計算出實際水力摩阻系數(shù)。　　3.5計算最優(yōu)末段長度　　計算公式：　?。?）　　（7）<p

11、>　?。?）　?。?）　?。?0）　?。?1）　　布站合適性判斷式：<

12、/p>　?、?　　計算步驟：　　1）將和代入（8）式，得，即平均溫度的初始值；　　2）將代入（7）式，得系數(shù)；　　3）將代入（6）式，得；&l

13、t;p>　　4）將代入（9）式，得；　　5）用傳熱系數(shù)K，定壓比熱容Cp等參數(shù)代入（10）式，計算得參數(shù)；　　6）將和代入（11）式，得；　　7）將和代入判斷①式，判斷是否成立。若成立則令，若否，則令并從步驟2）開始重新計算，直到滿足判斷①式。　　3.6計算壓氣站耗

14、氣量　　計算公式：　　（12）　?。?3）　?。?4）　　計

15、算步驟：　　按照（12）（13）（14）的順序分別計算第i站的絕熱壓頭、壓縮機總功率以及耗氣量。　　3.7確定壓氣站位置　　計算公式：　?。?5）<

16、;p>　?。?6）　　計算步驟：　　1）將設(shè)計流量轉(zhuǎn)化成，與首站進站溫度代入1.6步驟，進行耗氣量的計算，然后減去首站耗氣量得到首站出站時的流量。　　2）將和代入（15）式，計算出。　　3

17、）將和，以及代入（16）式，計算出。　　4）將所計算的和代入（15）式，計算出。　　5）將所計算、和代入（16）式，計算出。　　6）按照前面所示步驟計算，直至（進站壓力，由1.3步驟中計算）。此時j值即為第一段站間距的公里數(shù)。　　7）然后i+1，返回第1）步，利用，獲得下

18、一站的出站流量。并將代入1.4步驟得到。將新的和代入下一段。　　8）按照前面所示步驟計算出每一段的公里數(shù)，直至倒數(shù)第二站。而末站的位置由末段長度確定：總長3894km減去最優(yōu)末段長度得到末站的位置。設(shè)末站距首站的距離為，則正向布站的距離最大也為，當(dāng)?shù)箶?shù)第二站距首站的距離超過時，跳出循環(huán)，結(jié)束正向布站，顯示初步布站結(jié)果。　　3.8調(diào)整壓氣站位置</p

19、>　?、?lt;/b>　　利用判斷②式判斷，若符合則布站結(jié)束。若不符合，則適當(dāng)調(diào)節(jié)各站壓比（同時根據(jù)新的壓比求出新的進站壓力），使得符合判斷②式。　　3.9計算末端儲氣能力　　計算公式：<p&g

20、t;　?。?7）　　（18） 　?。?9） 　?。?0）　　（21）</p&

21、gt;　　計算步驟：　　利用（18）—（21）式計算得　　將帶入（17）式得到最終實際的末端儲氣能力。　　四、源程序　　主函數(shù)：<

22、/p>　　%主函數(shù)　　clc;clear all;　　global D Z C0 Cp Di delta %定義常量　　d=0.9842; %內(nèi)徑　　D=1

23、.016; %外徑　　Z=0.9; %壓縮因子　　delta=0.6; %相對密度　　C0=0.03848; %常數(shù)　　Cp=2500;

24、 %定壓比熱容取2500　　Di=3.0; %節(jié)流效應(yīng)系數(shù)　　Qa=190*10^8; %設(shè)計年輸量　　QS=Qa/(350*24*3600); %設(shè)計輸量　　ZC=3894e3;

25、 %管道總長　　Step=1000; %計算步長　　%初始化　　Q(1)=QS; %站間體積流量m^3/s，首站進站流量為Q（1）　　Lb=round((ZC-computLZ

26、(QS))/1000)*1000; %倒數(shù)第二站至首站距離,取整　　T1(1)=293.15; %首站進站溫度　　P1(1)=6.5e6; %首站進站壓力　　XZYB=zeros(1,100); %壓比增加量

27、for n=1:10000　　L=0; %L為計算點至首站長度　　for i=1:100 %壓氣站站點　　distance(i)=0; 　　position(i)=0;

28、;　　P(i,1)=10e6; %第i站出站壓力　　T(i,1)=50+293.15; %第i站出站溫度　　Q(i+1)=Q(i)-computGU(Q(i),T1(i),computYB(i)+XZYB(i)); 　　%i站出站流量，即為i和i+1站間管段<p

29、>　　for j=1:1000 %站間計算段　　C=computlamda(Q(i+1))*Z*T(i,j)*delta/(C0^2*d^5);　　P(i,j+1)=(P(i,j)^2-C*1000*Q(i+1)^2)^0.5;　　distance(i)=distance(i)+1000;

30、 　　L=L+1000;　　position(i)=L/1000;　　a=computK(L)*pi*D/(Q(i+1)*0.6*1.206*Cp);　　T(i,j+1)=computT0(L)+(T(i,j)-computT0(L)

31、)*exp(-a*1000)- ...　　Di/1e6/a/1000*(P(i,j)-P(i,j+1))*(1-exp(-a*1000));　　%判斷是否布站　　if (P(i,j+1)<=7.081e6)

32、;　　break;　　end　　end　　T1(i+1)=T(i,j+1);　　NN=i;　　%

33、判斷是否布站至末站位置　　if (L>=Lb)　　break;　　end　　end　　%計算

34、　　LPJ=L-distance(NN-1); %倒數(shù)第二站到首站的距離　　LPJ=LPJ/(NN-2); %首站至倒數(shù)第二站的平均長度　　LYP=Lb-(L-distance(NN-1)); %倒數(shù)第二站與末站間的距離

35、　　%判斷末站位置是否合適　　if abs(LPJ-LYP)<1e3　　break;　　end 　　%改變壓比

36、　　if (LPJ-LYP<0)　　XZYB=XZYB+0.001;　　else XZYB=XZYB-0.001;　　end　　%首站壓比不改變&l

37、t;/p>　　XZYB(1)=0;　　%計算倒數(shù)第二站至末站的溫度分布　　L=L-distance(NN-1); 　　for j=1:1000　　C=computlamda(Q(NN))*Z*T(NN-1,j)*delta/(C0^2*d^

38、5);　　P(NN-1,j+1)=(P(NN-1,j)^2-C*1000*Q(NN)^2)^0.5;　　L=L+1000;　　a=computK(L)*pi*D/(Q(NN)*0.6*1.206*Cp);　　T(NN-1,j+1)=c

39、omputT0(L)+(T(NN-1,j)-computT0(L))*exp(-a*1000)- ...　　Di/1e6/a/1000*(P(NN-1,j)-P(NN-1,j+1))*(1-exp(-a*1000));　　if (L==Lb)　　break;

40、;　　end　　end　　%更新末站進站溫度和出站流量 　　T1(NN)=T(NN-1,j);　　Q(NN+1)=Q(NN)-computGU(Q(NN),T1(NN),c

41、omputYB(NN)+XZYB(NN));　　Lb=round((ZC-computLZ(Q(NN+1)))/1000)*1000;　　end　　%末站位置　　position(NN)=Lb/S

42、tep;　　position(NN+1)=ZC/Step;　　distance(NN)=Lb-sum(distance)+distance(NN);　　distance(NN+1)=ZC-Lb;　　%計算首站至門站的溫度壓力分布

43、　for i=1:(NN+1)　　P(i,1)=10e6; %第i站出站壓力　　T(i,1)=50+293.15; %第i站出站溫度 　　Q(i+1)=Q(i)-computGU(Q(i),T1(i),computYB(i)+XZYB(i));

44、for j=1:1000　　C=computlamda(Q(i+1))*Z*T(i,j)*delta/(C0^2*d^5);　　P(i,j+1)=(P(i,j)^2-C*1000*Q(i+1)^2)^0.5;　　L=position(i)*Step-distance(i)+j*Step;&

45、lt;p>　　a=computK(L)*pi*D/(Q(i+1)*0.6*1.206*Cp);　　T(i,j+1)=computT0(L)+(T(i,j)-computT0(L))*exp(-a*1000)- ...　　Di/1e6/a/1000*(P(i,j)-P(i,j+1))*(1-exp(-a*1000));<

46、p>　　if (L==(position(i)*Step))　　break;　　end　　end　　T1(i+1)=T(i,j+1);

47、;　　P1(i+1)=P(i,j+1);　　end 　　%求壓力溫度分布　　aaaa=size(P);　　M=0;</p

48、>　　MM=0;　　for i=1:aaaa(1)　　for j=1:aaaa(2)　　if (P(i,j)~=0)　　M=M+1;<p&

49、gt;　　PFB(M)=P(i,j);　　end　　if (T(i,j)~=0)　　MM=MM+1;　　TFB(MM)=T(i,j);

50、　end　　end　　end　　%末端儲氣能力　　V=computMDCQNL(Q(NN+2));

51、;　　%輸出結(jié)果　　for i=1:33 %壓氣站位置　　if (i==1)　　BZ(i,1)=0; 　　else BZ(i,1)=position(i-1);

52、　　end　　%壓比　　if (i==33)　　BZ(i,2)=0;　　else BZ(i,2)=computYB(i)+XZYB(i);<p&g

53、t;　　end　　%進站壓力　　BZ(i,3)=P1(i);　　%出站壓力　　if (i==33)　　BZ(i,4)

54、=PFB(max(size(PFB)));　　else BZ(i,4)=10e6;　　end 　　%進站溫度　　BZ(i,5)=T1(i);<b&g

55、t;　　%出站溫度　　if (i==33)　　BZ(i,6)=TFB(max(size(PFB)));　　else BZ(i,6)=T(i,1);　　end <b&g

56、t;　　%耗氣量　　if (i==33)　　BZ(i,7)=0;　　else BZ(i,7)=Q(i)-Q(i+1);　　end 　　end</b&

57、gt;　　子函數(shù)： 　　%計算壓比　　function [ YaBi ] = computYB( i )　　if i==1

58、　　YaBi=(10+0.05)/(6.5-0.15);　　else　　YaBi=1.45;　　end　　end&l

59、t;p>　　%計算地溫　　function [ T0 ] = computT0( L )　　if(L>=0&&L<503000)　　T0=17.0+273.15;　　elseif(L>=5030

60、00&&L<=673000)　　T0=12.5+273.15;　　elseif(L>=673000&&L<=2025000)　　T0=10.7+273.15;　　elseif(L>=2025000&&

61、L<=2210000)　　T0=10.4+273.15;　　elseif(L>=2210000&&L<=2884000)　　T0=13.9+273.15;　　else <

62、p>　　T0=15.8+273.15;　　end　　end　　%計算末端儲氣能力　　function [ V ] = computMDCQNL( Q )

63、　　global D Z C0 Cp delta Di 　　d=0.9842; %內(nèi)徑　　TQ=323.15; %出站溫度　　T0=295.75; %土壤溫度　　K=2.16;

64、 %傳熱系數(shù)　　P1max=10e6; %設(shè)計壓力　　P2min=4.5e6; %末站進站最小壓力　　Tp0=5/12*TQ+7/12*T0; %迭代初始值　　C=computlamda(Q)*Z*Tp0*delta/(C0^2*d^5);

65、　　LZ=(P1max^2-P2min^2)/(2*C*Q^2);　　P2max=(P1max^2-C*LZ*Q^2)^0.5;　　M=Q*0.6*1.206;　　a=2.16*pi*D/(M*Cp); %定壓比熱熔取2500<p&g

66、t;　　Tp1=T0+(TQ-T0)*(1-exp(-a*LZ))/(a*LZ)-Di*(P1max/1.0e6-P2max/1.0e6)* ...　　(1-(1-exp(-a*LZ))/(a*LZ));　　for i=1:1000　　if abs(Tp1-Tp0)<0.1<p

67、>　　break;　　end　　Tp0=Tp1;　　C=computlamda(Q)*Z*Tp0*delta/(C0^2*d^5);　　LZ=(P1ma

68、x^2-P2min^2)/(2*C*Q^2);　　P2max=(P1max^2-C*LZ*Q^2)^0.5;　　Tp1=T0+(TQ-T0)*(1-exp(-a*LZ))/(a*LZ)-Di*(P1max/1.0e6-P2max/1.0e6)* ...　　(1-(1-exp(-a*LZ))/(a*LZ));<

69、;/p>　　end　　Ppjmax=2.0*(P1max+(P2max*P2max)/(P1max+P2max))/3.0;　　P1min=sqrt(P2min*P2min+C*LZ*Q*Q);　　Ppjmin=2*(P1min+(P2min*P2

70、min)/(P1min+P2min))/3.0;　　V=pi/4.0*d*d*LZ*293.15/Z/Tp1*(Ppjmax-Ppjmin)/101325.0;　　end　　%計算最優(yōu)末段長度

71、function [ LZ ] = computLZ( Q )　　global D Z C0 Cp delta Di 　　d=0.9842; %內(nèi)徑　　TQ=323.15; %出站溫度　　T0=295.75; %土壤溫度&

72、lt;/p>　　K=2.16; %傳熱系數(shù)　　P1max=10e6; %設(shè)計壓力　　P2min=4.5e6; %末站進站最小壓力　　Tp0=5/12*TQ+7/12*T0; %迭代初始值　　C=computl

73、amda(Q)*Z*Tp0*delta/(C0^2*d^5);　　LZ=(P1max^2-P2min^2)/(2*C*Q^2);　　P2max=(P1max^2-C*LZ*Q^2)^0.5;　　M=Q*0.6*1.206;　　a=2.16*pi*D/(M*Cp);

74、 %定壓比熱熔取2500　　Tp1=T0+(TQ-T0)*(1-exp(-a*LZ))/(a*LZ)-Di*(P1max/1.0e6-P2max/1.0e6)* ...　　(1-(1-exp(-a*LZ))/(a*LZ));　　for i=1:1000　　if abs(T

75、p1-Tp0)<0.1　　break;　　end　　Tp0=Tp1;　　C=computlamda(Q)*Z*Tp0*delta/(C0^2*d^5);

76、　　LZ=(P1max^2-P2min^2)/(2*C*Q^2);　　P2max=(P1max^2-C*LZ*Q^2)^0.5;　　Tp1=T0+(TQ-T0)*(1-exp(-a*LZ))/(a*LZ)-Di*(P1max/1.0e6-P2max/1.0e6)* ...

77、　　(1-(1-exp(-a*LZ))/(a*LZ));　　end　　end　　%計算水力摩阻系數(shù)　　function [ lamda ] = computl

78、amda( Q )　　d=0.9842; %內(nèi)徑　　delta=0.6; %相對密度　　miu=1.0/10^5; %動力粘度　　K=1/10^6*1.05; %求當(dāng)量粗糙度&l

79、t;p>　　Re=1.536*Q*delta/(d*miu); %雷諾數(shù)　　lamda1=0.01; %迭代初始值　　for i=1:1000　　lamda2=1/(-2*log10(K/(3.7*d)+2.51/(Re*lamda1)))^2;

80、　if abs(lamda1-lamda2)<1/10^5　　break;　　end　　lamda1=lamda2;　　end&

81、lt;p>　　lamda=lamda2;　　end　　%計算總傳熱系數(shù)　　function [ K ] = computK( L )　　if (L<1055e3)

82、　　K=1.27;　　elseif (L>=1055e3&&L<1839e3)　　K=1.53;　　elseif (L>=1839e3&&L<3274e3)<

83、;/p>　　K=1.18;　　else　　K=2.16;　　end　　en

84、d　　%計算耗氣量　　function [ GU ] = computGU( Q,T,YB)　　global Z　　Rg=478.38; %氣體狀態(tài)常數(shù)</p&

85、gt;　　kv=1.4; %容積絕熱指數(shù)　　ny=0.85; %壓縮機效率　　nr=0.3; %燃氣輪機效率　　HG=34e6; %天然氣熱值　　M=Q*0.6*1.206;</p&g

86、t;　　h=kv/(kv-1)*Z*Rg*T*(YB^((kv-1)/kv)-1);　　W=h*M/ny;　　GU=W/(nr*HG);　　End　　五、輸

87、出結(jié)果　　由程序計算得到總體工藝設(shè)計方案。其中：管外徑為1016mm, 管內(nèi)徑為984.2mm,管壁厚度為15.9mm、管材等級為X70、設(shè)計壓力為10MPa、末段儲氣能力為2.334×106m3。　　壓氣站位置、壓比、進/出站壓力、進/出站溫度、壓氣站的耗氣量如下表所示:　　沿線布

88、站圖，溫度分布圖，壓力分布圖如下圖所示：　　六、分析與討論　　本次編程的主要方法是迭代、多層循環(huán)嵌套、分段函數(shù)和模塊函數(shù)。　?。?）摩阻系數(shù)計算和最優(yōu)末段長度計算是關(guān)于流量的函數(shù)，用迭代法求得，并在主函數(shù)中被調(diào)用，簡化程序。而最大末段儲氣能力的計算與最優(yōu)末端長度息息相關(guān)，則考

89、慮在最優(yōu)末端長度函數(shù)中加入儲氣能力的計算，每計算一次末端長度則計算一次儲氣能力。而末端長度作為函數(shù)的返回值，儲氣能力則用全局變量Vs保存，在主函數(shù)最后輸出。　?。?）管道沿線的地溫和傳熱系數(shù)不同，在進行溫度計算時帶來困難。本程序中，將地溫和傳熱系數(shù)編寫為關(guān)于里程L的分段函數(shù) ，在進行溫度計算時，輸入L則得出傳熱系數(shù)和地溫，既準確又簡便。　?。?）耗氣量的

90、計算，由于有自耗氣，每站的流量不同。而每段的地溫和傳熱系數(shù)，流量不同，每站的進站溫度也不同。同時首站和其它站的壓比不同。這些條件決定了各站的耗氣量不是一個定值，而且耗氣率也不是一個定值。所以在每個站間距內(nèi)進行水力計算之前，必須先計算經(jīng)過該壓氣站的耗氣量，得出出站流量后才能進行下一步的計算。為了使主函數(shù)簡潔，編寫耗氣量的函數(shù)并調(diào)用。　?。?）主函數(shù)功能是布站。首先用推薦壓比1.45布站，并采用兩個

91、for循環(huán)嵌套。外部循環(huán)先計算每一站的耗氣量以及進站溫度和進站壓力。內(nèi)部循環(huán)用空間步長分段進行站間水力、熱力計算，步長取為1km。當(dāng)壓力降到推薦壓比下的進站壓力時，停止內(nèi)部循環(huán)，進入下一站的計算，并將該段站間距的最后一點的溫度、壓力記錄下來作為下一站的進站溫度和壓力。當(dāng)布站長度超過末站所在位置時，停止外部循環(huán)。而調(diào)整站間距時三個for循環(huán)的三層循環(huán)嵌套，最外部的循環(huán)用來調(diào)節(jié)壓比，每次改變0.0001，兩個for循環(huán)用來布站。當(dāng)滿足各站間

92、距相差不到1km的調(diào)節(jié)時結(jié)束for循環(huán)，輸出結(jié)果。　　附錄：西氣東輸工程簡介　　西氣東輸管道工程橫貫我國東西, 起點是新疆塔里木的輪南, 終點是上海市西郊的白鶴鎮(zhèn)。管道干線自西向東途經(jīng)新疆、甘肅、寧夏、陜西、山西、河南、安徽、江蘇和上海市等9 個省、區(qū)、直轄市。干線管道全長約3 900 km , 支線管道總長近2 000 km , 向我國東部4 省1 市

93、供氣。西氣東輸管道的大型用戶共有40 家, 涉及工業(yè)、民用和發(fā)電。干線管道的設(shè)計輸量120 ×108m3/a , 設(shè)計壓力10.0 MPa , 管徑1 016 mm , 壁厚14.6 ～ 26 .2 mm , 材質(zhì)X70 鋼。干線管道穿跨越長江1 次、黃河3 次、淮河1 次, 其他大型河流8 次, 共需建設(shè)陸上隧道15 條, 修建伴行公路近1 000 km 。管道干線共設(shè)工藝站場35 座, 線路截斷閥室138 座。工程于200

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