地面集输技术

地面集输工艺技术

第一节工艺流程及其优化

整个地面集输系统主要分为井口、采气管线、阀组、集气管线和增压站，井口套管产出的煤层气经油嘴节流后，油嘴后压力变为0.1～0.2MPa，随后进入采气管线，采气管线主要采用PE100聚乙烯管。各井产气由采气管线汇集到集气阀组进行集中，完成单井计量和阀组总计量，然后通过集气管线到达集气增压站，集气增压站入口压力在0.05MPa左右。在集气增压站煤层气经过简单过滤分离处理后，增压外输，外输压力为0.6MPa。主要工艺流程如下：

井口采气管线和DN250以下集气管线采用PE100聚乙烯管线，与钢管相比，聚乙烯管线完全能够满足集输系统压力要求，而且工程费用较低，管线耐腐蚀性高。整个系统中，阀组仅起到汇集和计量的功能，不提供增压作用，只有在集气增压站才进行增压，系统中只进行一次增压，减少了压缩机的数量。综合来说，整个集输工艺与传统石油天然气工艺相比，简化了工艺流程，减少了增压技术，引入了PE100聚乙烯管材，降低了工程投资，实现了煤层气地面集输低成本的目标。

一、井口工艺流程

在井口流程中，井口仅有机械式压力表就地显示压力数据，所有远传数据在阀组进行集中采集并远传。

水通过抽油机从油管中抽出，直接排放到井场附近的排污池，自然蒸发；煤层气从环空产出，通过采气管道，进入煤层气采集系统，系统压力0.2MPa(G)。当采气系统检修时，打开放空阀，通过放空管把井口里的煤层气连续排放到大气中。井口主要工艺流程如图10-2。

放空管

图10-2 井口主要工艺流程

二、阀组工艺流程

井口来的煤层气到达集气阀组后，进入集气阀组的生产汇管，经总计量后直接集气进入管道，整个集气系统从井口到增压站为一个封闭系统，集输压力通过系统自动调整平衡；单井煤层气计量时，首先进入计量汇管，经流量计计量后，再进入生产汇管；每口井的采气管道在集气阀组都有放空流程，当采气管道检修时，打开放空阀，进入放空汇管，经放空管放空；生产阀组汇管上设有安全阀，当采、集气管道压力达到0.4MPa(G)安全阀起跳，将超压部分气体排放至放空管。单井流量、温度、压力和阀组总流量、温度、压力通过RTU利用移动GPRS无线传输至监控中心。阀组主要工艺流程如图10-4。

流量计

图10-4 后期阀组主要工艺流程

三、集气增压站工艺流程

气井产出气体通过集气管线靠井口压力输送到增压站，集气阀组来的煤层气进入增压站的进站管线，压力为0.05MPa(G)，经2台高效旋流立式分离器进行气、液分离，分离后的煤层气进入压缩机进行增压，增压至0.7MPa(G),经计量后外输。

在分离器的入口管道上设有紧急关断和紧急放空阀，当出现事故时立即关闭紧急关断阀，同时打开紧急放空阀，进入放空系统。

当压缩机的进气量不能满足压缩机进气要求时，打开压缩机的旁通阀，使压缩机的出口煤层气回流至压缩机入口，进行流量调节。

压缩机组的进口汇管设有调压放空系统，压缩机事故停机时，导致压缩机入口压力增高，通过调压放空阀将超压部分的气及时放空去放空系统，从而保持其它压缩机组的正常运行。

后期增压站主要工艺流程为：

图10-6 增压站主要工艺流程

第二节集输管网

一、采气、集气管线管材

随着煤层气气田的不断开发，金属管材耐腐蚀性差、成本高、运输安装不便等缺点逐渐显露出来，尤其在地震烈度较高地区、湿陷性黄土的地区及地形复杂的山地地区，金属管道可能产生断裂及大量漏气而引起燃气漏失和着火爆炸事故，同时由于金属管线腐蚀快等原因，人们已开始把眼光投向了非金属管材。目前，适合于煤层气气田采气管线的非金属管材有：聚乙烯管（PE）、钢骨架塑料（钢丝网）复合管、钢骨架塑料（孔网状）复合管、柔性复合管。各种材质管道的性能情况见表10-1。

表10-1 管材性能对比表

根据表10-1比较可见，聚乙烯管和柔性复合管均体现了很好的优势，刚度和柔度好，抗蠕变性强，耐磨，内壁光滑且不结垢，节能节材效果好，且压力损失小，无污染，施工维修方便，使用寿命长，适应于煤层气田的开发。本工程首次采用了PE100聚乙烯管线做为集输系统采气管线材料，集气管线部分管材也采用PE100聚乙烯管线，新材料的引入，既能满足集输系统的要求，又大大降低了管线投资。

由于煤层气采气部分的管网压力一般在0.1～0.3MPa之间，结合煤层气气体性质和现场实际情况，采气管网的设计压力一般选在 0.4MPa，在此设计压力下，对不同材质制造厂进行询价，得出各种材质管道的费用情况见表10-2。从表10-2中可以看出，在管径小于等于DN100时PE管综合费用最低。管径为 DN150和DN200 时，柔性复合管综合费用最低。

表10-2 管材经济性对比表单位：万元/km

了DN50～DN600范围内PE管和无缝钢管在安装费、建筑费、主材费、预制费和总造价等方面进行了比较。由于穿越工程和水工保护随现场变化较大，在比较过程中未考虑穿越工程和水工保护费用。各规格PE管和无缝钢管计算形成数据见表10-3。

表10-3 PE管、钢管管线投资对比表单位：元/km

根据表10-3中的计算数据分析可得，随着管径的增大，PE管和无缝钢管的所有费用都有所增加，将表中数据绘制成与管径的变化关系曲线可得如图10-9、图10-10、图10-11。

图10-9 管径与主材费关系曲线

图10-11 管径与管线总投资关系曲线

由管径与管线总投资关联曲线看出，当采气、集气管道的公称直径≤DN200时，采用PE管道投资低。当采气、集气管道的公称直径＞DN200时，采用钢制管道投资低。

煤层气气田地形复杂，常常敷设于山地及河谷地带，非金属管道不需要防腐、连接方便、施工速度快，施工质量可得到保证。经过两年多的实际运行，聚乙烯管和柔性复合管在煤层气气田中的优势逐步显现出来。随着时间的推移，非金属管道在煤层气气田的应用将更加广泛。但是，在实际应用工程中应注意以下问题：（1）因抗紫外线性能弱，非金属管道必须埋地敷设。

（2）为保证接口处的连接质量，PE管应采用电热熔连接。

（3）PE管是一个新的材料，没有国家的标准可以参照执行, 具体使用效果有待于考证，建议国家相关部门尽快出台相应的标准规范。

（4）考虑到非金属管的抗冲击能力较弱，建议穿越处尽量不要采用。

施工过程中管道采用埋地敷设，管道管顶距地表深度必须保证在冻土层以下，管道通过石方地段管沟开挖时比管底设计标高超挖0.2m，在管子下沟前用细土回填超挖部分，管顶回填细土0.3m，细土最大颗粒直径不应大于10mm，后回填原土石方，但石头的最大颗粒直径不应大于250mm。管道穿越井区内4级道路均加保护钢套管，确保管道安全运行。

管道通过高陡坡地段，确保管道回填土的稳定及管道安全营运，用草袋堡坎保护和灰土截水墙保护。管道穿越水沟时深埋并加护套管，防止洪水冲刷管道，确保管道安全运行。气田周边环境植被稀疏，生态环境脆弱，气候干旱，管道开沟回填及施工作业过程中，肯定对周围环境造成破坏，施工过程中本着爱护生态保护环境出发，管道施工及地貌恢复完毕后，及时恢复自然地貌，作好生态保护。

三、管线凝析水处理

充分结合煤层气田的特点，积极吸取城镇燃气管网的实践经验，采用设凝水缸来解决管道积水的问题，根据地形起伏，合理选择管道的低点并在此处加设凝水缸，利用管道自身的压力将管道中的凝结水定期排出，保证了管道的输送能力，提高输气效率，也大大减少了工程投资。管线凝水缸结构如图10-12。

图10-12 凝水缸结构图

第三节数据采集和传输技术

监控与数据采集（SCADA）系统，由增压站站控系统、阀组远程终端单元及增压站站控系统组成阀组RTU与增压站站控系统之间的数据传输方式采用GPRS 无线传输。井口阀组的工艺数据通过计算机通讯电缆上传至RTU，RTU将现场工艺数据通过GPRS无线网络上传至增压站站控系统，增压站站控系统与远程监控终端通过广域以外网进行数据通讯。

数据采集及监控系统为四层网络结构，第一层为现场的检测仪表，如温度变送器、压力变送器、流量计等。第二层为井口、阀组区设置的RTU。第三层为增压站站控系统。第四层为网络访问终端。现场检测仪表将温度、压力流量等工艺数据通过总线信号上传至RTU；RTU将采集到的工艺数据通过GPRS网络上传至增压站站控系统。增压站设置网络服务器和数据库服务器。增压站DCS将现场重要的工艺数据存储到数据库服务器中。数据库服务器通过广域网将现场工艺数据发布到以太网上，远程监控终端可以通过广域以太网及必要的身份验证直接查看增压站必要的生产工艺数据。

系统各层网络在功能上完整且彼此独立，各层数据层层上传。用户不但能够实现操作、监视、记录和数据管理功能，还能够进行参数计算、用户自定义键、报表的生成和处理、流程图和趋势图的动态操作与显示等。控制系统采用PLC 冗余控制器，按照故障安全和容错性要求，其电源、CPU、通信均按照1：1冗余配置，保证在电源、CPU和通信链路故障的情况下系统均能可靠运行，整套系统达到国内先进水平。。

数据采集主要检测参数包括以下方面

1、井口数据主要采取就地显示方式，不进行远程传输。主要参数有井口采气管线压力。

2、阀组设置RTU，将流量计监测到的参数通过GPRS方式，传输到增压站监控中心，实现远程监测。阀组主要监测数据有阀组单井瞬时流量、累积流量、管线温度、压力和阀组汇管瞬时流量、累积流量、管线温度、压力，同时提供上述参数的就地显示。

3、增压站是整个数据传输的中心，设置数据采集与监控中心，站内5台压缩机PLC控制柜通过RS-485接口利用MODBUS RTU协议将压缩机参数传输至监控中心；已建CNG站3台发电机组PLC控制柜通过RS-485接口利用MODBUS RTU协议将压缩机参数传输至监控中心；已建CNG站3台压缩机PLC控制柜通过RS-485接口利用MODBUS RTU协议将压缩机参数传输至监控中心；同时显示阀组流量、压力和温度参数。增压站设置2个工业电视摄像头，视频信号传输至控制室视频监视器。压缩机棚设置可燃气体探测器,当可燃气体浓度超过设定值时报警，报警信号传输至仪表间可燃气体报警器上。增压站内主要监测的参数有CNG来气瞬时流量和累积流量、外输总流量（一级计量）、外部来气总流量（一级计量）、进站汇管温度和压力、外输汇管温度和压力、压缩机煤层气出口汇管温度和压力、压缩机煤层气入口汇管温度和压力、外来气管线温度和压力、压缩机入口分离器液位、电动阀门（进站紧急切断阀、旁通阀、放空阀、压缩机入口分离器液相出口控制阀）阀阀位。站控系统具有完备的安全联锁控制机制，当五台压缩机全部事故停运时自动关闭紧急关断阀，同时自动打开紧急放空阀进行放空，防止系统压力过高。分离器液位到达高液位时，排污阀门自动打开，当分离器液位达到低液位时，排污阀门自动关闭。所有电动阀门在连锁控制的基础上可以进行人工干预，进行手动操作。