输油管道设计与管理22

水力光滑区: 混合摩擦区: 粗糙区:
e / e 3
0.157 e / e 3
e / e 0.157
输油管道的压能损失
取
e
30D 3 e Re1 e
0.25
λ按紊流光滑区的Blasius公式计算：
0.3164/ Re1
令
0.25 30 D / e 代入边界层厚度计算公式，得 3 Re 1 0.3164 Re 1
其中：
Re1 59.7
8
7
Re2 665 765lg 2e D
输油管道中所遇到的流态一般为： 热含蜡原油管道、大直径轻质成品油管道：水力光滑区 小直径轻质成品油管道：混合摩擦区
高粘原油和燃料油管道：层流区
长输管道一般很少工作在粗糙区。
2、管壁粗糙度的确定 管壁粗糙度 ： 相对粗糙度：绝对粗糙度与管内径的比值(e/D或2e/D)。 绝对粗糙度：管内壁面突起高度的统计平均值。 紊流各区分界雷诺数 Re1、Re2及水力摩阻系数都与管壁粗糙 度有关。我国《输油管道工程设计规范》中规定的各种管子 的绝对粗糙度如下： 无缝钢管：0.06mm 直缝钢管：0.054mm
2e / D
则
Re1 59.22 /
8 7
输油管道的压能损失
规范上取 Re1 59.7 / ，这就是Re1的来历。
8 7
取
e / e 0.157
(1.74 2 lg )2
(混摩区与粗糙区的分界相对粗糙度) (粗糙区摩阻系数计算公式)
代入边界层厚度计算公式，得
如某条管道Re=5×105，若取e=0.1mm，则Re1=6.7×105， Re<Re1，为水力光滑区；若取e=0.15mm，则 Re1=4.2×105，Re>Re1，为混合摩擦区。
输油管道的压能损失
有人认为上述Re1和Re2的计算方法适用于口径较小、粗糙度 较大的输油管道。随着输油管道口径的增大和制管工艺的提 高, e变小，再用上面的公式计算就会与实际相差较大，这时 可以采用下式计算:
第二节
输油管道的压能损失
一、管路的压降计算
根据流体力学理论，输油管道的总压降可表示为：
H hL h z j zQ
其中：hL为沿程摩阻 hξ为局部摩阻 (zj-zQ) 为计算高程差
二、水力摩阻系数的计算
计算长输管道的摩阻损失主要是计算沿程摩阻损失 hL 。
达西公式 ：
LV2 hL D 2g
Q
② 缺点：
要求自动化水平高，要有可靠的自动保护系统。
输油管道的压能损失
③ 工作特点
●全线为一个统一的水力系统，全线各站流量相同； ●输量由全线所有泵站和全线管路总特性决定； 设全线有n个泵站，各站特性相同，则输量为：
Q
2 m
nA H s1 Z nhc H sz nB fL j
hc －站内损失 hL －沿程摩阻 Z2-Z1－起终点计算高差 1 2 2
1
输油管道的压能损失
即：
H s1 A BQ 2m hc fLQ2m Z
Q 2 m
H s1 A Z hc B fL
Hc A BQ 2m
2、多泵站与管路的联合工作
⑴ 旁接油罐输油方式（也叫开式流程） ① 优点 水击危害小，对自动化水 平要求不高。 ② 缺点 ●油气损耗严重； ●流程和设备复杂，固定资产投资大； ●全线难以在最优工况下运行，能量浪费大 。 Q1 Q2
层流：
， 0.297 ，i f 0.297i 光滑区： m 0.25
， 0.272 ，i f 0.272i 混摩区： m 0.123
，i f 0.25i 粗糙区： m 0， 0.25
也就是说，随Re的升高，铺副管的减阻效果增强 。
3.变径管的水力坡降 变径管：与主管串联相接且直径与主管不同的管段。 D ，Q D0，Q
螺旋焊缝钢管：DN=250～350时取0.125mm DN>400时取0.1mm
3.紊流区临界雷诺数Re1和Re2的确定 紊流区分为水力光滑区、混合摩擦区和完全粗糙区，划分 的依据是临界雷诺数Re1和Re2 。 层流边界层厚度的表达式 ：
30D e 10.6 V 8 Re
5 m
Lf
2 m m Q2
D
5 m f
Lf

5 m 2 m
Df 从而得Q2 D
if
5 m 2 m
Q1
Df Q Q1 Q2 1 D
Q 1
i1 Q1 i i Q
2 m
Df 1 D

5 m 2 m

( 2 m )
1
输油管道的压能损失
即
i f i
1 2 2 m m 1， 0.5，i f 0.5i
由于 ω<1 ，所以只要铺设副管总有减阻效果。
若D D f ，则
e Re 1 10 D
e Re 2 500 D
该式计算的Re1值比前面公式小，即紊流光滑区的范围缩小了。 我国目前采用 的计算公式为
Re2 (665 765lg ) /
Re1 59.7 /
8 7
4、水力摩阻系数的计算
我国输油管道工程设计规范规定的各区水力摩阻系数的计算公式见下表：
流态
层流
划分范围
Re<2000
λ ＝f(Re,ε)
普朗特-卡 门公式 λ =64/Re
1 2lg
水力光滑区 紊
3000<Re<Re1=
59.7
8/7
科尔布鲁克 -怀特公式
流
混合摩擦区
59.7

8/7
<Re<Re2 阿尔特舒利卡利聪公式
Re 2.51 0.3164 5 当Re 10 时 Re 0.25 1 2.51 2 lg 3 . 7 D Re
对于一条给定的长输管道，L和D都是已知的，输量（或 流速）也是已知的，现在的问题就是如何计算水力摩阻 系数 λ。
输油管道的压能损失
根据流体力学理论
e f Re， D
其中：e为管壁的绝对粗糙度，D为管道内径。 λ是Re和e/D 的二元函数，具体的函数关系视流态而定。 流态：分为层流和紊流，中间还存在一个过滤区。 在解决工程实际问题时，为了安全，一般尽量避开过渡区， 因该区的流态不稳定。
68 e 0.11 D Re
0.25
勃拉休斯 公式
粗糙区
665 765 lg Re>Re2= 尼古拉兹
公式

1 1.74 2 lg 2
除了上表中规定的计算公式外，还有计算结果相近的其他公式，分别是： 水力光滑区的米勒公式： 混合摩擦区的伊莎耶夫公式： 粗糙区的谢夫林松公式：
1、流态划分和输油管道的常见流态
我国《输油管道工程设计规范》规定的流态划分标准是： 层流：Re≤2000
过渡流：2000<Re≤3000
紊流光滑区：3000<Re≤Re1 （简称光滑区） 紊流混合摩擦区：Re1<Re≤Re2 （简称混摩区） 紊流粗糙区：Re>Re2 （简称粗糙区）
输油管道的压能损失
1 1.8 lg Re 1.53

1
6.8 1.11 1.8 l g Re 7 . 4
0.25
e 0.11 D
输油管道的压能损失
由各区的λ计算公式可以看出： 紊流光滑区: 层流边层厚度 δe>3e，λ 只与 Re 有关，与粗糙 度无关； 混合摩擦区： 0.157e<δe<3e，λ=f(Re,e/D)，λ 与 Re 和 粗 糙 度 有 关； 完全粗糙区： 层流边层很薄，粗糙突起几乎全部暴露于层 流边层之外，λ只与e/D有关，而与Re无关， 摩阻与流速（流量）的平方成正比，故粗糙 区又叫阻力平方区。
30D 0.157 1 1.74 2 lg Re2 e
输油管道的压能损失
从而得到： Re2 382.2(1.74 2 lg ) /
(665 765lg ) /
当雷诺数 Re 处于分界雷诺数附近时， e 的取值相当重要， 不同的e值可能导致流态判别的不同。
即得到列宾宗公式：
输油管道的压能损失 不同流态下的A、m、β值
流态 层流 水力光滑区 紊 A 64 0.3164 m 1 0.25 β 4.15 0.0246
混合摩擦区
流 粗糙区
10
e 0.627 0.127 lg d
0.123
0
0.0802A
0.0826λ
λ
四、管路的水力坡降
定义：管道单位长度上的摩阻损失称为水力坡降。用 i 表示：
式中： Lj、△Zj－第 j 站至第 j ＋1 站间的计算长度和计算高差;
Aj、Bj－第 j 站的站特性方程的系数； Hsj+1 －第j+1站的进站压力。
⑵ 密闭输油方式（也叫泵到泵流程） Q ① 优点 ●全线密闭，中间站不存在蒸发损耗； ●流程简单，固定资产投资小； ●可全部利用上站剩余压头，便于实现优化运行。
六、离心泵站与管路的联合工作
确定泵站与管路的工作点的方法有两种，即图解法和解析法。 图解法：
H HA 泵站总特性曲线
A
管路总特性曲线
QA Q
下面重点讨论解析法。
1、一个泵站的管道
由断面1-1到2-2列能量方程有：
H s1 Hc hc hL ( Z2 Z1 )
式中：