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1、一 2 一 论文广场 石 油 与 化 工 设 备 2 0 1 0 年 第1 3 卷 等温长输油管道的工艺设计 曾涌捷 ( 西南油气 田分公司华油集团榆川天然气公司 , 重庆 合川 7 1 9 0 0 0 ) 摘 要 等温长输油管道的工艺设计主要 包括:确定经济流速和经济管径、选择泵的总扬程、水力计算求出全线压头损 失、确定泵站、选择设 备及首末站罐。用此方法确定了中部地区某长输油管道的工艺设计方案。 关键词等温输油管道;强度计算;水力计算;技术经济分析 现代管道运输起源 于1 9 世纪 中叶1 8 6 5 年美 国 宾夕法尼亚的第一条原油管道 。我 国的管道 网建 设则始于上世纪5 0 年代末
2、新疆建成 的全长1 4 7 k m管 径 1 5 0 mm的克拉玛依一独 山子输油管道 。上世纪 6 0 年代后,随着我国石油工业的快速发展,大庆、 胜利等油田相继建成,管道运输得到了较大发展。 到1 9 9 4 年底 ,以 ( 大 )庆铁( 岭 )、铁 ( 岭 )大 ( 连)、铁 ( 岭)秦 ( 皇岛)、东 ( 营)黄 ( 岛) 和鲁 ( 山东临岜)宁 ( 江苏仪征 )五大干线为主的 全 国原油长输管道输送的原油占总产量的8 9 _ 3 1 , 天然气管道输送的天然气 占总产量的6 0 9 7 ;全国 管道 总里程达 到 1 6 8 0 0 k m。 与 国外发 达 国家相 比,我 国输 油
3、 管道 技术 还存在一定差距 。除 了管材与制 管工 艺、电机 、 泵 、阀门等管件 、 自动化控制技术 以及 防腐和管 道施工技术上存在差距外 ,管线的工艺设计也存 在一定的差距 。 现 以我 国中部某管道 设计 为例 ,对长输油管 道工艺设计进行简单介绍。 1 管线相关参数的确定 该管线任务输量为每年6 5 0 万吨; 温度密度 :根据2 0 时油品密度按下式换算 成计算温度下的密度: P , = P 。 一 号 ( f - 2 0 ) P 2 0=0 8 6 5 t m =8 6 5 k g m ( 1 1 ) ( 1 2) 式中: P ,、 P 。 一温度为t * C时及2 0 “ C
4、时的油品密 度,k g m ;一温度系数, =1 8 2 5 - 0 0 0 1 3 1 5 P 2 0 , k g ( mL 、 。 油品粘度 ,己知: 表1 温度粘度表 粘度 1 8 1 8 1 8 l 9 1 9 ( m P a s ) 0 5 8 0 3 温度 ( ) 3 0 2 5 2 0 1 5 1 O 油品运动粘度可按下式计算: 1 ) r =1 ) o e - u ( f _ f 0 ) ( 1 3 ) :1 1 nf, ( 1-4 ) tl t o 1 ) f 1 I 1 ) 一 ( 1 5 ) P 式中:1 ) r 、1 ) 温度为t 、t O 时油品的运动粘 度,r n
5、2 s ; 一粘温指数,1 。 2管材管径泵及工作压力的确定 大 量 经 济 计 算 及 运 行 实 践 总 结 的 长 输 管 道 经济 流速 的变化范 围,一般 为1 0 2 0 m s 。这给 设计计算带来很大方便 。建设时 由于设备 、材料 价格 、建设工程费用、燃料、动力价格等等 的差 异 ,计算得 出的经济流速范围也不相 同。对于 同 一地 区而言 ,经济流速 的取值 主要决 定于油 品的 粘度和管径 。根据初定经济流速所对应 的内管 , 其外径D= 5 0 8 mm,在其上下各选一个标准管径 , 对应的外径可分别为D= 4 5 7 mm和D = 5 5 9 mm。根据 被输介质性
6、质 、管道的工作环境 、施工条件 、市 场供应和管道的工艺设计条件 ,选择管材和管子 类型, 目前新建大型管道多采用X6 5 、X7 0 级钢 。 在本设计中,根据所选管材X6 5( L 4 5 0 )钢作为设 计 材料 ,Qs = 4 5 0 MP a 。 泵站应有备用输油泵 。备用泵 台数按照泵与 原动机 的可靠性与维修条件而 定。选泵 时,通常 是先从泵制造厂提供的泵型谱与特性 曲线上 ,挑 选 出与确定 的额定排量及扬程相符 的泵型 。按照 所输原油性质对特性 曲线加 以换算 ,应使额定排 量与扬程位于所选泵型特性 曲线 的高效区 ,泵应 具有连续平滑的特性 曲线,高效 区较 宽;泵关
7、死 作者简介 :曾涌捷 ( 1 9 7 7 一),男,2 0 0 1 年毕业于西南石油大 学油气储运专业 ,现从事管道设计方面的研 究工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m第6 期 曾涌捷等温长输油管道的工艺设计 一 j 3 点 ( 排量为零 )的扬程上升不应过大 。如果已有 的泵特性 曲线不符合要求 ,可 向泵制造厂提 出重新设计 或修改曲线的要求 。 表2 管道沿线月平均地温表 月 份 I 1 I 2 l 3 4 5 J 6 I 7 8 9 1 0 1 1 1 2 地 温 l 1 6 3 l 1 5 0 l 1 5 9 2 O 3 2 4 9 I 2 7 4
8、 l 2 9 8 3 1 1 3 0 8 2 8 3 2 3 5 1 8 6 表3 管道纵断面图数据表 里程 ( k in ) O 3 0 7 4 2 3 5 7 3 4 8 1 1 1 0 4 9 1 0 9 5 高程( m ) 2 8 7 0 2 3 0 7 1 2 3 1 5 0 3 3 4 5 1 6 2 9 8 0 3 0 9 9 3 1 5 0 2 里程 ( k in ) 1 2 6 4 1 3 8 1 1 4 5 0 1 5 9 2 1 7 4 5 2 4 3 4 2 6 5 0 高程 ( m ) 3 0 8 9 1 3 0 9 0 2 3 0 4 0 2 9 8 0 3 0 0
9、 5 2 9 3 3 2 8 9 0 里程 ( k in ) 2 7 3 0 2 9 0 3 O 1 5 3 7 0 8 4 3 5 6 5 高程 ( m ) 2 9 0 0 2 8 5 0 2 8 3 2 2 7 7 8 2 8 2 6 给油泵只用 于首站 ,安装在输油主泵之前 , 并联操作 。给油泵按照泵站总排量与主泵所要求 的正压头 ,确定台数及每台泵 的排量与扬程 。 目前 国 内输油 管 道采 用 的 输油 泵 主要 有 : 4 0 0 KD型 、DKS 型 、KS 型 、S H型 、D( DA) 型、 Y( YS ) 型、DY型等 。根据任务数量和计算扬程要 求 ,本 设计 中采用
10、输 油量为 l 0 0 0 m h 的4 0 0 KD型 泵。每个站设置两台输油泵 ,其 中一台备用 。 初步确定工作压力为5 6 MP a 。 3工 艺计 算 管道工艺计算的方法和及骤 : 工艺计算主要包括 强度 计算和水力计算 ,步 骤如 下 : ( 1 )根据流量推算等温输油管道的经济流速 和经济管径 ; ( 2 )在经济管径上下各选个标准 管径 ; ( 3 )进行工艺计算 ,针对管径、输量选择 泵的总扬程及输量高效区; ( 4 )进行强度计算; ( 5 )进行水力计算,选择最低地温和平均地温 , 确定油 品粘度 、任务输量 ,从而求 出全线压头损 失; ( 6 )根据 压头损 失确 定
11、泵站 数 ,并进行 圆 整 ;对三种管径分别按 ( 3 )一 ( 6 )步骤计算 , 再进行经济 比较 ; ( 7 )布站 ; ( 8 )校核最高地 温和最低地温 、进 出站压力及动静水压力 ; ( 9 ) 确定工作点; ( 1 0 )选择设备及首末站罐。 完成工艺计算后 ,对所计算 的各种 方案进行 技术经济 比较 ,最终确 定最佳方案 ,并对最佳方 案进行工况校核 。 3 1 强度计算 输油管道直管道的设计公式如下: 6 P D+ c ( 3 - 1 ) 式中: 6 一管壁厚度,i n to; D一外径 ,i n to; P 一设计压力或管道的工作压力,MP a ; o 】 一输油管道的许
12、用应力, o = ( 0 6 一 o 7 2 ) o , MP a ; 一焊缝系数,无缝钢管取 1 0 ; C 一考虑钢管公差和腐蚀 的余量,根据 管路的工作环境,取C = 0 2 mm。 输送C5 及C 5 以上的液体管道的设计系数除穿 越段按现行标准 原油和天然 气输送管道穿跨越 工程设计规范 ( S Y T 0 0 1 5 )的规定取值外 ,输 油站外一般地段取0 7 2 。再根据选用的管道规格的 壁厚计算设计压力。 3 2流速计算 由下歹 I 公式计算: : : ( 3 - 2 )A d 兀 式 中 :v一流速 ,m s : Q一油品在管路中的体积流量,m s : d 一 管 内径 ,
13、mm: A一管道横截面积,r l l 2 。 3 3雷诺数计算 流态判定 由下式计算: Re:一V d : ( 3 - 3 )V 丁 c 式中: V一油品的运动粘度,m: s ; 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m一1 4 一 论文广场 石 油 与 化 工 设备 2 0 1 0 年第 1 3 卷 Q一油品在管路 中的体积流量 ,n 1 3 s 。 3 4水力坡降和综合摩阻参数 由下式计算 : :13 一Q 2 - m v m ( 3 4 ) L dHH :p 2 - ra ( 3 - 5 ) 8 A ( 3 6 ) 式中:i 一水力坡降; V 一油品的运动粘度,m2
14、 s ; L 一 管长 ,m: ( 卜 管 内径 ,n l i I 1 ; n h f _ 水头 损 失 ,m: A - 一管道横截面积 ,mm ; Q一油品在管路 中的体积流量 。 3 5翻越点判断,管道计算长度确定 翻越点判断可用在纵断面 图上作水力坡 降线 的方法来判断。在接近末端 的纵 断面线 的上方 , 按其纵断面坐标 的 比例作水力坡 降线 ,将此线 向 下平移 ,直到与纵断面线相切 为止 。如水力坡 降 线在与管道终点相交之前 ,不 与管道纵断面上 的 任一点相切,即不存在翻越 点。反之 ,在与终点 相交之前,水力 坡降线 与纵 断面线 的第一个切点 就是 翻越 点 。 根据纵断
15、面 图及水力坡降线可判断 ,在此工 艺设计方案 中没有翻越 点。管道计算长度为管路 全长4 3 5 6 5 k m。 3 6 确定全线需要的总压头 由下式计算: = + ( Z Z Z 口 ) + f 3 7 ) 、 , I , , , i =1 式中: L 厂管道的计算长度,m: h m 广 _一局部摩阻 ,1 1 1 液柱; z 0 、z 厂管道 起点和终点的高程 , m : H 厂末站剩余压力 ,i n 液柱。 3 7 泵站数 的确定 根据任务输量 ,在泵站 工作特性 曲线上可 以 得到每个泵站所能提供的扬程为H c r 。 全线N个泵站提供的总扬程必然与消耗的总能 量平衡 ,由公式得:
16、 N ( H c r h m ) = + h m + ( Z z Z Q ) + H s z 泵站数 : H( 3-8 ) f 日 l 式中:H c f 任务输量下泵站的扬程,m液柱; h 一泵站站 内损失,m液柱; H _ 任务数量下管道所需总压头,I I l 液柱; H 一末站剩余压力,m液柱 。 显然计算 出的N不一定是整数 ,只能取与之相 近 的整数作为该方案需建设的泵站数 。本设计 中 泵站数为4 个 。 3 8等温输油管道设计方案 的技术经济比较 输油管道方案 的优劣主要取决于工业设计方 案 的选择 。重点考虑基建投 资及输油成本费用两 方 面 。 基建投资及输油成本费用主要包括基
17、 本建设 投资指标和输油成本指标两大类 。这些指标系根 据多年管道建设经验积 累、依据 国家有关政策规 定编制而成的。技术经济指标用于工艺方 案的经 济性比较 。 管道建设投资指标包括线路部分、泵 站部分 和配套工程三部 分。输油成本 费用主要包 括大修 理、材料、动力 、燃料 、工资 、职工福利 、损耗 及其 他 费用 。 再根据总投资和运行管理费用计算年折折 旧 费用 : S = I K + E 式 中:I 一投资效益 ( 回收 )系数 ,1 年 ;反 映了管道工程项 目的经济性好坏的重要指标 ,在 储运工程项 目设计中取一般取0 1 5 。 : ( 3 - 9 ) ( 1 + 一1 式 中 :i 一 基本 投 资收益 率 ,i l ; 卜 投资回收期,年。 3 9求解工作点 求泵站一 管道系统的工 作点,除了图解法 以 外 ,也可根据压头供需平衡的原则,列出管道的压 力供应特性方程和压力需求特性方程 ,使两者相等 求解工作点。假设管道上有N座泵站,全线管径相 同,无分支 ,首站进站压头和各站 内摩阻均为常 量,可写出全线的压力供需平衡关系式如下: l + ( 一 Q 一 ) = Q 一 + ( z Z Q ) + H sz ( 3 1 o ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m
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