等温输送输油管道工艺设计

目录

摘要............................................................. 错误！未定义书签。

1 绪论 (1)

2 设计参数 (2)

2.1设计依据 (2)

2.2设计基本参数 (2)

2.3设计要求 (3)

3 管道基础数据 (4)

4 管径、壁厚计算 (6)

4.1经济流速 (6)

4.2初定管径 (6)

4.3计算壁厚 (6)

5 泵型选择及泵站组合方式 (8)

6 水力计算 (10)

6.1 雷诺数 (10)

6.3水力坡降和全线所需总压头 (11)

6.4 确定泵站数 (12)

7 校核压力 (14)

7.1 冬季低温时泵站进出站压力的校核 (14)

7.2夏季高温时泵站进出站压力的校核 (14)

7.3 电机输出功率 (15)

8 结论 (17)

参考文献 (18)

1 总则

输油管道的工艺计算是为了妥善解决沿线管内流体的能量消耗与输油站能量供应之间的矛盾，以达到安全经济地完成输送任务的目的。在管道设计过程中，通过工艺计算确定管径、选泵、确定泵数及其布站位置的最优方案，并为管道采用的控制盒保护措施提供设计参数；在管道运行过程中，根据输送条件的变化，通过工艺设计合理确定各站的压力等运行参数，从而确定最优运行方案。

2 设计参数

2.1设计依据

1．贯彻国家建设基本方针政策，遵循国家和行业的各项技术标准、规范。

GB/T500074-2002《石油库设计规范》

GB/T50253-2003《输油管道工程设计规范》

GB/T50253-94《输油管道工程技术规范》

2．贯彻“安全、可靠”的指导思想，紧密结合上、下游工程，做出最经济的设计。

3．根据高效节能、安全生产的原则，采用先进实用的技术和自控手段，实行现代化的管理模式，实现工艺、技术成熟可靠、节省投资、方便生产。

4．充分考虑环境保护，三废治理。

2.2设计基本参数

拟建一条长650公里，年输量为560万吨的轻质油管线，最大输送压力8Mpa。

（1）管路埋深1.5米处的月平均地温：

表2-1 月平均温度

月份 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 地

7.0 5 6.4 10.8 15.5 18.0 19.9 21.8 20.5 18.5 13.0 9.0 温℃

（2）油品密度ρ20=870.5kg/m3

（3）油品的粘温特性：

表2-2 油品在不同温度下的黏度

温度（℃） 5 10 15 20 25

粘度（10-6米2/秒）28.2 24.6 19.8 10.5 8.0 （4）可选用的离心泵型号规格：

按照最新的泵机组样本进行选择(网上搜索或图书馆查阅相关手册)。

（5）首站进口压头取ΔH1=45m，站内摩阻取15m。

（6）线路高程：

表2-3 沿线高程

桩号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 里程（km）0 19 124 190 290 335 438 484 554 635 650 高程（m）517 608 745 586 407 490 500 435 333 415 410

2.3设计要求

该长输管线输送油品为轻质油品。本设计的的主要内容为：

1．合理选择泵型号和泵站的组合方式，并查有关资料作所选型号的泵在输此油品时特性数据的换算；

2．选取合适的管径，计算壁厚并取整，计算管道的承压能力和对应的允许最大出站压头；

3．取管道的当量绝对粗糙度e=0.03mm，计算所需的泵站数；

4．将计算的泵站数取大化整，然后提出三项经济可行的措施使输量保持不变，并对每种措施作相应的计算；

5．将计算的泵站数取小化整，分别计算所需副管的长度（管径与主管相同）、大一个等级的变径管长度、大两个等级的变径管长度，并进行管材耗量的比较；

6．校核:夏季高温时和冬季低温时各站的进、出站压力,并调整站址；

7．设副管敷设在首站出口位置，求第一站间动水压头Hx的表达式，并检查全线动水压头和静水压头；

8．求管道系统的最大和最小输量及相应的电机的总输出功率。

3 管道基础数据

3.1计算年平均地温及夏季最高温度和冬季最低温度

1．年平均地温

T o =（7.0+5.0+6.4+10.8+15.5+18+19.9+21.8+20.5+18.5+13.0+9.0）/12=13.8℃ 2．冬季最低温度

c T ?=5m i n

3．夏季最高温度

c T ?=8.21max

3.2计算年平均温度下的密度及最高与最低温度下的密度

)20(20--=t t ερρ （3.1）

式中

t ρ、20ρ——温度为t ℃及20℃时油品密度，3/m Kg ；

ε——温度系数，ε=1.825-0.00131520

ρ

，

)/(3C m Kg O

?。 已知油品密度：320/5.870m kg =ρ 求得：

1．年平均温度下的密度

t ρ=870.5-（1.825-0.001315*870.5）*（13.8-20）=874.73/m Kg 2．冬季最低温度下的密度

3m i n /2.878)205)(001315.0825.1(5.870m kg T =---=ρ

3．夏季最高温度下的密度

3m a x /5.869)208.21)(001315.0825.1(5.870m kg T =---=ρ

3.3计算年平均温度下的流量及最高与最低温度下的流量

1．年平均温度下的流量

s m h m Q /212.0/2.76224

3507.87410560337

==???=

2．冬季最低温度下的流量 s m h m Q T /21.0/1.75924

3502.87810560337

m in

==???= 3．夏季最高温度下的密度

s m h m Q T /213.0/7.76624

3505.86910560337

m ax

==???= 3.4计算年平均温度下的黏度及最高与最低温度下的黏度

65.46)ln(3.10+?-=x ν （3.2）

1．年品均温度下的黏度

ν=[-10.3*ln （13.8）+46.65]*610-=19.6610-?s m /2

2．冬季最低温度下的黏度

m i n ν=[-10.3*ln （5）+46.65]*610-=30.2610-?s m /2

3．夏季最高温度下的黏度

m a x ν=[-10.3*ln （21.8）+46.65]*610-=15.3610-?s m /2

4 管径、壁厚计算

4.1经济流速

根据大量经济计算机运行实践可知，输油管道经济流速的变化范围一般为1.0~2.0m/s 。在设备、材料、动力价格等经济参数一定的情况下，经济流速大小取决于管径和油品的黏度。一般管径大，经济流速提高；油品黏度越大，经济流速降低。我过目前对DN300~700的含蜡原油管道，设计时一般取经济流速为1.5~2.0m/s ，成品油管道经济流速在2.0m/s 左右。

4.2初定管径

设计年输量G=5.6Mt/a ，额定流量Q 额=1.1Q=0.2332m 3/s 。

由《油气管道输送技术》书中表2—4初定管径和工作压力，管径529mm 左右，可选管径根据管道规格，选出与D 相近的三种管径457mm ，508mm ，559mm ，从节约管材和经济效益来看，初定管径D=508mm 。工作压力5.3至6.1MPa ，初选工作压力为6MPa 。

4.3计算壁厚

输油管道的壁厚按下式计算

]

[2σδPD

=

（4.1） 式中 ][σ——许用应力，s ][φσσK =, Mpa ；

s σ——最低屈服强度，选用X70钢，则s σ=485MPa

K ——般站外输油管道系数：K=0.72 φ——焊缝系数,0.1=φ （1）1D =457mm

（2）2D =508mm

（3）

3

D =559mm

查附录一得

1D =457mm 1δ=5.6mm 1d =445.8mm 1m =62.34 kg/m 2D =508mm 2δ=6.0mm 2d =496.0mm 2m =73.81 kg/m

3D =559mm 3δ=7.0mm 3d =545.0mm 3m =94.69 kg/m

校核各管径的壁厚在设计压力下是否满足要求，求输油管所受最大应力。

δ

σ2PD

=

（4.2） 得

M P a

PD 82.2446

.52457

62111=??==δσ

M P a

PD 2540

.62508

62222=??==

δσ

M P a PD 57.2390

.72559

62333=??==δσ 均小于许用应力：

[]2.2593600.172.0=??==S K φσσ

5 泵型选择及泵站组合方式

5.1泵型选择

按任务输量和初定工作压力选泵，确定工作泵的台数以及组合情况。

根据流量Q=0.212s m /3=762.2h m /3，和初定的工作压力6MPa=612.2m 水柱，确定选DZ250x340x4型输油泵1台作一个泵站。

该泵性能参数如下图：

图5-1 DZ250x340x4型输油泵 查得各项性能为： m H ctm 550= 89.0=η kw N 1100= m NPSH 17=

5.2泵站扬程、确定设计压力

流量Q=762.2h m /3查图有扬程为550m 水柱。

管道压力按下式计算

P=(C H +S H )t ρg （5.1） 式中 C H ——任务输量下单个泵站提供的扬程，m ；

S H ——为首站辅助泵的扬程45m 。 1．年平均地温下

Mpa Mpa p t 61.58.94.874)45550(<=??+=

2．冬季最低温度下

Mpa Mpa p t 612.58.92.878)45550(<=??+=

3．夏季最高温度下

Mpa Mpa p t 607.58.95.869)45550(<=??+=

可以确定设计压力6MPa 。

6 工程概算

6.1 雷诺数

6.1.1管道流速

2

4d Q

v π= （6.1）

得 s m /35.14458

.014.3212

.042

=??=ν s m T /08.1496.014.3212

.042

m in =??=ν

s m T /91.0545

.014.3212

.042

m ax =??=ν 6.1.2雷诺数

03.1Re ==

ν

vD

×

0.5÷0.000019843=26367 （6.2） 式中 Re ——雷诺数； Q ——流量，s m /3； D ——管道内径，m ； ν——油品动力粘度，s m /2；

又m ax m in T T ννν>>，所以m ax m in Re Re Re <<（此处不做详细计算过程）

6.2 相对当量粗糙度

绝对粗糙度e 取0.03mm ，相对粗糙度 D

e

2=ε 第一临界雷诺数

7

8125

.59Re ?

?? ??=

d e （6.3）

求得

所以三种管径判断流态都在水力光滑区。

6.3水力坡降和全线所需总压头

6.3.1水力坡降按下式计算

m

m

m l d Q L h i --==52νβ （6.4）

式中 i ——水力坡降，m/km ；

β——水力光滑区取值为0.0246s 2/m ； m ——水力光滑区取值为0.25； L ——管道长度，km 。 求得

km m i /03.54458

.0)106.19(212.00246.075

.425

.0675.11=???=- km m i /03.3496.0)106.19(212.00246.075.425

.0675.12=???=-

km m i /9.2545.0)106.19(212.00246.075

.425

.0675.13=???=-

6.3.2 全线所需总压头

（1）压头损失计算

H = iL+Z ? （6.5）

式中 H ——压头损失，m ； i ——水力坡降，m/km ； Z ?——高差，m 。

得 m H 5.3162)517410(65003.51=-+?=

m H 5.1862)517410(65003.32=-+?= m H 1778)517410(6509.23=-+?=

计算输油管道计算长度全线的沿程摩阻损失， 三种不同管径的沿程压头损失 上面已求得，考虑到还有一部分局部阻力损失，将压头损失再乘上1.01作为全线的 压头损失。

m H 75.34785.316201.11=?=

m H 75.20485.186201.12=?= m H 8.1955177801.13=?=

（2）确定全线需要的总压头，设末站剩余压力10m 。

75m .3423104575.34781=--=总H 1933.75m

10452048.752=--=总H 1900.8m 10458.19553=--=总H

6.4 确定泵站数

初定泵站数

m

C h H H

N -=

（6.6）

式中 H ——全线总压头，m ；

c H ——一个泵扬程，此处为550m ； m h ——站内摩阻，m ，此处取15m 。 得 55.315

5508

.9001=-=-=

m C h H H N

6.4.1 泵站数取大化整

泵站数取大化整，N=4，为保持输量不变，提供3种方案： 1）将离心泵的级数减少或叶轮换小，这种方案经济方便； 2）将部分管径减小，这种方案比较麻烦，不算经济； 3）中间设立减压站。

6.4.2 泵站数取小化整

1．泵站数取小化整，N=3，敷设副管(主管与副管直径相同)。 副管长度计算公式：

()()

ω---=13

57.3i h H x m c （6.7）

式中x ——所需副管的长度，km;

ω——副管水力坡降与单管主管水力坡降的比值，对于主管与副管直径相同，ω=0.298：

所以

()m x 4.142)

298.01(05.357

.015550=-?-=

管材耗量

kg M f 71005.181.7310004.142?=??=

2．大一个等级的变径管长度

()

()

ω---=13

57.3i h H x m c （6.8）

式中 x ——所需副管的长度，km;

ω——变径管水力坡降与单管主管水力坡降的比值，这里ω=0.635。

()()

km x 9.273635.0105.357

.015550=--=

管材耗量

()kg M d d 61005.281.7331.8110009.273'?=-??=-

3．大两个等级的变径管长度

()

()

ω---=13

57.3i h H x m c （6.9）

式中 x ——所需副管的长度，km;

ω——变径管水力坡降与单管主管水力坡降的比值，这里ω=0.419。

得 ()()

km x 1.172419.0105.357

.015550=--=

管材耗量

()kg M d d 61058.281.7380.8810001.172'?=-??=-

7 校核压力

7.1 冬季低温时泵站进出站压力的校核

按最不利的情况校核，冬季的水力坡降线最高。

1．冬季最低气温下工作点的流量水力坡降和单个泵站的扬程： 由前面计算得：

km m i /1.3496.0)102.30(21.00246.075

.425

.0675.1m in

=???=-

m H ct 565min =

2． 确定各站进出站压力

m c s d h H H H -+=11 （7.1） 11m i n 12Z L i H H d s ?--= （7.2） 式中 1d H ——首战出站压力，m ； c H ——泵站扬程，m ；

11,Z L ?——第一站间管道长度及高差，m 。 其余泵站参数的计算依次类推。

3．设有4个泵站，且均匀布置在管线间，则有：

km L 5.1624650

1=，m L I 75.5031m in =

因为均匀布站，可求得各站高程为652.25m ，471.5m ，429.9m

m Z 25.1351=?，m Z 65.1802-=?，m Z 6.413-=?

可求得

m H s 451= m H d 5801=

m H s 692= m H d 604

2= m H s 1173= m H d 652

3= m H s 1554= m H d 690

4= 由进出站压力可知，最大压头为H=690m ，则

M P a

M P a gH P 69.56908.97.874<=??==ρ满足设计压力。 7.2夏季高温时泵站进出站压力的校核

夏季最高气温下工作点的流量水力坡降和单个泵站的扬程：

km m i /68.2496.0)103.15(213.00246.075

.425

.0675.1m ax =???

=- m H ct 555max =，m L i 5.4351m ax = 此处由另一个同学计算各站进出站压力。

经计算可知，中间泵站需有一定的进站压力范围30m 到80m 液柱。且第二个站与首战之间距离应在80公里左右。

7.3 计算第一站间动水压头

1．动水压力的校核依据：

)]([1Z Z ix H H x i -+-= （7.3）

2．最大动水压力公式：

m ax m ax gH P ρ= （7.4） 式中 i H ——高程为i 点处的动水压头，m ； H ——泵站输出的压头，m ； X ——泵站与低点处的距离，m ； x Z ，1Z ——低点处、泵站的高程，m ； P ——动水压力，Pa 。

3．第一站间动水压头X H 的表达式为：

)]517608(x 103.05[900.813-+??-=-X H

7.5 全线动水压头

由公式)]([1Z Z ix H H x i -+-=可得，代入数据得：

m H 1.695)]51733(5543.05[900.81=-+?-=

7.6 全线静水压头

静水压力的校核依据：

m ax Z g gH P ?==ρρ （7.5）

式中 P ——静水压力，Pa ； m a x Z ?——沿线的最大高程差，m 。 代入数据计算得：

MPa P 729.010)093475(8.97586=?-??=-

因为，MPa MPa P 8729.0<=，所以静水压力校核符合要求。

7.4 电机输出功率

在年平均温度下，由工程流体力学知识

)W (N QH ν=泵 （7.6）

式中 ν——油品的运动粘度，s m /2； Q ——油品流量，s m /3 ； H ——泵的扬程，m 。 设泵的效率η泵=89%，电机效率η电=80%

kw 56150.80.895504212.08.97.874=÷÷????=泵N

7.3.1 输量最小时电机功率

（1）由前面计算可知冬季时输量最小：

s m h m Q T /21.0/1.759243502.87810560337

m in ==???=

（2）此时的电机功率：

5737kw 8.089.0456521.08.92.878=÷÷????=冬N

7.3.2 输量最大时电机功率

（1）由前面计算可知夏季时输量最大：

s m h m Q T /213.0/7.76624

3505.86910560337

m ax

==???= （2）此时的电机功率：

5659kw 8.089.04555213.08.9869.5=÷÷????=夏N

8 结论

本次课程设计主要是设计长距离等温输送输油管道的工艺设计。主要设计了该长输管道的泵型号和泵站的组合方式。通过该长输管线的年输量在年平均温度下、夏季高温和冬季低温下，计算出该油品的不同密度、黏度和输量。初步确定该管径在529mm左右，管径型号为457mm，508mm，559mm，以及各壁厚分别为5.6mm，6.0mm，7.0mm。本设计主要以508mm管径来计算的，壁厚为6.0mm。

根据年输量以及扬程等最后选择泵型为DZ250x340x4型输油泵1台作一个泵站。且在泵站数取大化整N=4时，为保证数量不变提出了三项经济可行的措施。取小化整N=3时，分别计算了所需副管的长度，大一个等级的变径管长度及大两个等级的变径管长度，并进行管材耗量的比较。本设计校核时均以4个泵站为计算基准。

通过本次课程，我学到了很多东西。一方面，我们锻炼了自己的能力，在实际操作过程中成长，查找各种书籍学到很多课堂上没有学到的知识；另一方面，也领悟到了团队的合作的力量。在设计过程中，我们也表现出了经验不足，处理问题不够成熟、书本知识与实际结合不够紧密等问题。但是，大家组织在一起，共同分析、解决。很有“众人拾柴火焰高”的特色。我们要珍惜在校学习的时光，努力掌握更多的知识，并不断深入到实际操作中，检验自己的知识，锻炼自己的能力，为今后更好地服务于社会打下坚实的基础。

参考文献

[1] 杨筱蘅. 输油管道设计与管理. 北京: 中国石油大学出版社, 2006

[2] 张其敏. 油气管道输送技术. 北京: 中国石化出版社, 2008

[3] 钱锡俊. 泵与压缩机. 北京: 石油大学出版社,2005

[4] 张劲军. 油气储运概论. 北京: 石油大学出版社，

[5] 中国管道公司. 油气管道工程概论. 北京: 中国石油工业出版社，