某热油管道工艺设计计算与分析

课程设计某热油管道工艺设计2010年12月31日目录1总论41.1设计依据及原那么41.1.1设计依据41.1.2设计原那么41.2总体技术水平42工程概况63输油工艺72.1主要工艺参数72.2主要工艺技术74工艺计算8输油量换算8油品平均温度[1]8油品密度计算[1]8计算流量[1]94.2管径规格选择94.2.1选择管径94.2.2选择管道壁厚[2]104.3热力计算〔方案一〕11管道中实际流速的计算114.3.2总传热系数K确实定[1]11加热站间距确实定13计算出站温度[1]154.4水力计算〔方案一〕164.4.1计算输油平均温度下的原油运动粘度16流态判断17摩阻计算[1]18热力计算〔方案二〕19管道中实际流速的计算194.5.2总传热系数K确实定19加热站间距确实定20计算出站温度[1]204.6水力计算〔方案二〕214.6.1计算输油平均温度下的原油运动粘度21流态判断21摩阻计算225设备选型235.1设备选型计算〔方案一〕235.1.1泵的选型235.1.2原动机的选型245.1.3加热设备选型245.2站场布置〔方案一〕24泵站数计算[1]：24管路的水力坡降[1]25泵站布置255.3设备选型计算〔方案二〕275.3.1泵的选型〔同方案一〕275.3.2原动机的选型〔同方案一〕275.3.3加热设备选型275.4站场布置〔方案二〕27泵站数计算27管路的水力坡降28泵站布置286泵站及管道参数校核296.1动、静水压的校核〔方案一〕296.2最小输量〔方案一〕296.3动、静水压的校核〔方案二〕30最小输量〔方案二〕317动态技术经济评价[6]328设计结果33参考文献341总论1.1设计依据及原那么设计依据〔1〕国家的相关标准、行业的有关标准、标准；〔2〕相似管道的设计经验；〔3〕设计任务书。设计原那么〔1〕严格执行现行国家、行业的有关标准、标准。〔2〕采用先进、实用、可靠的新工艺、新技术、新设备、新材料，建立新的管理体制，保证工程工程的高水平、高效益，确保管道平安可靠，长期平稳运行。〔3〕节约用地，不占或少占良田，合理布站，站线结合。站场的布置要与油区内各区块开展紧密结合。〔4〕在保证管线通信可靠的根底上，进一步优化通信网络结构，降低工程投资。提高自控水平，实现主要平安性保护设施远程操作。〔5〕以经济效益为中心，充分合理利用资金，减少风险投资，力争节约基建投资，提高经济效益。1.2总体技术水平〔1〕采用高压长距离全密闭输送工艺。〔2〕采用原油变频调速工艺。〔3〕输油管线采用先进的SCADA系统，使各站场主生产系统到达有人监护、自动控制的管理水平。既保证了正常工况时管道的平稳、高效运行，也保证了管道在异常工况时的超前保护，使故障损失降低到最小。〔4〕采用电路传输容量大的光纤通信。给全线实现SCADA数据传输带来可靠的传输通道，给以后实现视频传输、工业控制及多功能信息处理提供了可能。〔5〕在线路截断阀室设置电动紧急迫断球阀，在SCADA中心控制室根据检漏分析的结果，确定管道泄漏位置，并可及时关闭相应泄漏段的电动紧急迫断球阀。〔6〕站场配套自成系统。〔7〕采用黄夹克保温层，厚度40mm。2工程概况本设计为某油田方案铺设一条280公里、年输量为320万吨的热油管道，管线经过区域地势平坦。地温资料见下表表一月份123456789101112地温℃3457810118753输油工艺2.1主要工艺参数〔1〕设计年输量为G=320万吨；〔2)保温层(采用黄夹克)厚度40mm；〔3〕管道埋地深1.6m；土壤导热系数1.3W/(m·℃)；〔4〕管道埋深处的年平均地温：〔5〕年输送天数：350天；〔6〕最大运行压力8Mpa；〔7〕进站温度39℃；最高输送温度70℃；最低输送温度36℃；〔8〕末站剩余压头60m；局部摩阻按1.2%，20℃相对密度0.880；50℃Pa·s。2.2主要工艺技术本设计输油干线拟采用密闭输油方式。即“从泵到泵”输送。在这种输油工艺中，中间输油站不设供缓冲用的旁接油罐，上站来油全部直接进泵。其特点是：整条管道构成一个密闭的水力系统，可充分利用上站余压，节省能量，还可根本消除中间站的轻质油蒸发损耗；但对自动化程度和全线集中监控要求较高；存在水击问题，需要全线的水击监测与保护。4工艺计算[1]〔4-1〕式中——平均温度，——加热站的起点、终点温度，。那么由公式〔4-1〕得：[1]油品在20℃时的密度为〔4-2〕式中——温度为48时的油品密度，；——温度系数，；——温度为20时的油品密度，；t——油品温度，。温度系数〔4-3〕式中——温度系数，；——温度为20时的油品密度，由式〔4-3〕得：那么油品在47℃时的密度为由式〔4-2〕得计算流量[1]或〔4-4〕式中——年输量，；——体积流量，；或——年平均地温下的油品密度，；由式〔4-4〕得：4.2管径规格选择4.2.1选择管径管道管径[3]〔4-5〕式中d——管道内径，m；Q——体积流量，；V——经济流速，。根据大量经济计算及运行实践结果，现假设本设计取经济流速为V=1.8m/s,由公式〔4-5〕得：4.2.2选择管道壁厚[2]该管道选用X70钢，经查表得其最低屈服度，焊缝系数，钢管壁的导热系数为输油气管道直管段的钢管管壁厚度计算公式〔4-6〕式中——壁厚，；P——设计压力〔取工作压力的1.15倍〕MPa;D——钢管外径，；——钢管许用压力，MPa；许用应力〔4-7〕——许用应力，Mpa；K——设计系数，〔输油站一般地段取0.72〕；——焊缝系数；——钢管的最低屈服度；t——温度折减系数，当管内介质温度低于120℃时，t取1.0.那么该管道直管段的许允应力由公式〔4-7〕得：那么设计管壁厚度由式〔4-7〕得：得根据以上计算，根据SY/T5037-2000标准选取标准管道管径有两种方案：方案一为Ф325×；方案二为Ф355×5.0。.4.3热力计算〔方案一〕由式〔4-5〕知管道中的实际流速为：4.3.2总传热系数K确实定[1]对于有保温层的管路，不能忽略内外径的差异。此时一般用单位长度的总传热系数来代替〔4-8〕式中——单位长度的总传热系数，；——油流至管内壁的放热系数，；——管最外层至周围介质的放热系数，；——第i层〔结蜡层、钢管壁、防腐绝缘层等〕导热系数，——管内径，；——第i层的外径，m；——第i层的内径，m；——最外层的管外径，m；——管径，m；假设，取外径；假设，D取算数平均值；假设，D取内径。管道最外层至周围介质的放热系数为：〔4-9〕式中——土壤导热系数，；——管中心埋深，m；——最外层的管外径，m。由公式〔4-9〕得：在紊流情况下，对总传热系数影响很小，可忽略不计〔经查表得保温层黄夹克导热系数为0.035〕。由公式〔4-8〕得：管道总传热系数为[1]：〔4-10〕式中K——管道总传热系数，；——单位长度的总传热系数，；——管道内径，m。由式〔4-10〕得：4.时原油的密度为：由式〔4-2〕得：时原油的相对密度为(4水的密度为1000)：原油的比热容为[1]：〔4-11〕式中——原油15时的相对密度；c——比热容，；T——原油温度，。由公式〔4-11〕得：质量流量为(每年按350天计算)[1]：(4-12)式中——原油质量流量，；——年输量，；由公式〔5-14〕得：加热站间距为[1]：〔4-13〕式中——原油质量流量，；K——管道总传热系数，；——管道内径，m；——加热站的出站温度，；——管道周围的自然温度，；——加热站的进站温度，；——加热站间距，km。——原油的比热容，由公式〔4-13〕得：加热站数[1]：〔4-14〕式中n——加热站数，个；L——输油管道总长，km；——加热站间距，km；由公式〔4-14〕得：取2个加热站那么加热站间距为每个加热站热负荷[1]：〔4-15〕式中Q——加热站的热负荷，J/s；△——加热站的进、出站温度之差，；——加热炉的效率；——原油质量流量，；——比热容，由公式〔4-15〕得：[1]计算出站温度令(b=0),变为苏霍夫公式为：〔4-16〕式中——原油质量流量，；——加热站的进站温度，；——加热站的出站温度，。——比热容，——管道加热输送的距离，m；K——管道总传热系数，；——管道外径，m。——管道周围的自然温度，；由公式〔4-16〕得：那么热站的热负荷较大，超出最高输送温度，故需增加热站数，取n=3个加热站。那么热站间距为：由公式〔4-16〕得：由公式〔4-15〕得加热站热负荷为：4.4水力计算〔方案一〕4.4.1计算输油平均温度下的原油运动粘度由公式〔4-1〕得输送油品平均温度为：由公式〔4-2〕得时原油的密度为：粘度的转换[3]：〔4-17〕v——运动粘度，——动力粘度，Pa·s——油品密度，那么该设计油品运动粘度由公式〔4-17〕得：某一温度下的运动粘度为[1]：〔4-18〕式中——温度为t、时油品的运动黏度，；u——黏温指数，。那么平均温度下的油品运动粘度由公式〔4-18〕得：4判断雷诺数为：〔4-19〕〔4-20〕〔4-21〕式中——由光滑区向混合摩擦区过渡的临界雷诺数；——由混合摩擦区向粗糙区过渡的临界雷诺数；——黏温指数，；——输送温度下原油的运动粘度，；Q——管路中原油的体积流量，；e——管壁的绝对粗糙度，m；(螺旋缝钢管DN250~DN350：e取0.125mm)d——管内径，m由公式〔4-19〕得：由公式〔4-20〕得：由以上计算知,故其管道中油品的流态是处于紊流水力光滑区，所以前面的假设是正确的。4计算[1]一个加热站间的摩阻为：〔4-22〕全线所需总压头为：〔4-23〕式中——沿程总摩阻，m；——加热站间距的摩阻，m；H——任务流量下所需要的总压头，m。d——管内径，m——输送温度下原油的运动粘度，；Q——管路中原油的体积流量，；——加热站间距，m；不同流态区的m、值表二流态m/()层流1紊流区水力光滑区混合摩擦区粗糙区0由公式〔4-22〕得：总摩阻为：本设计中地势差;那么任务流量下所需要的总压头由公式〔4-23〕得：4.5热力计算〔方案二〕.1管道中实际流速的计算由式〔4-5〕知管道中的实际流速为：4.5.2总传热系数K确实定管最外层至周围介质的放热系数由公式〔4-9〕得：在紊流情况下，对总传热系数影响很小，可忽略不计〔经查表得保温层黄夹克导热系数为0.035〕。由公式〔4-8〕得：单位长度的总传热系数由公式〔4-9〕得：管道总传热系数由公式〔4-10〕得：.3加热站间距确实定时原油的密度由式〔4-2〕得：时原油的相对密度为(4水的密度为1000)：原油的比热容由公式〔4-11〕得：质量流量为(每年按350天计算)由公式〔4-14〕得：加热站间距为由公式〔4-13〕得：加热站数由公式〔4-14〕得：取3个加热站那么加热站间距为每个加热站热负荷由公式〔4-15〕得：.4计算出站温度[1]计算出站温度令(b=0),由公式〔4-16〕得：那么热站的热负荷较大，超出最高输送温度，故需增加热站数，取n=4个加热站。那么热站间距为：由公式〔4-16〕得：由公式〔4-15〕得加热站热负荷为：水力计算〔方案二〕4.6.1计算输油平均温度下的原油运动粘度由公式〔4-1〕得输送油品平均温度为：由公式〔4-2〕得时原油的密度为：该设计油品运动粘度由公式〔4-17〕得：平均温度下的油品运动粘度由公式〔4-17〕得：4.6.2流态判断雷诺数由公式〔4-19〕得：由公式〔4-20〕得：由以上计算知,故其管道中油品的流态是处于紊流水力光滑区，所以前面的假设是正确的。.3摩阻计算一个加热站间的摩阻由公式〔4-22〕得：总摩阻为：本设计中地势差;那么任务流量下所需要的总压头由公式〔4-23〕得：5设备选型5.1设备选型计算〔方案一〕5.1.1泵的选型选泵原那么:流量以任务输量为依据，最大输量、最小输量为参考；摩阻以任务输量下的摩阻为依据，最大输量、最小输量下的摩阻为参考。同时，考虑一定的富裕量。假设输送正常流量为Qp，那么采用适当的平安系数估算泵的流量，一般取Q=〔1.05～1.10〕Qp。估算泵扬程时，考虑泵在最困难条件下，计算流动损失，确定所需扬程Hp，根据需要再留出些裕量，最后估算选泵扬程，一般取H=〔1.10～1.15〕Hp。根据油田输量变化情况，为发挥泵的经济效益，选泵原那么为：最小输量期，运行1台小泵；任务输量期，运行1台大泵；最大输量期，1台大泵与1台小泵并联运行。同时，大泵考虑1台备用。[5]选用泵型号为DY450-609，其流量为450，扬程为540m,转速为1480转/分，汽蚀余量5m,泵效率79%，轴功率838kw,泵重量3250kg,配带电机功率1000kw。每个泵站选用两台，其中一台为备用。由公式〔4-2〕得时原油的密度为：泵所产生的压力为：(5-1)式中P——泵所能够提供的压力，Pa；——油品的密度，；H——泵所提供的扬程，m；由公式〔5-1〕得：P故所选择的泵符合要求。5.1.2原动机的选型电动机选择JB异步电动机，电机型号JB0800，功率1000kw,效率为,95%，电机额定转速1490转/分，电机重量8000kg,电机电压6kv。5.1.3加热设备选型首站选用换热器，其他加热站选用加热炉，其热负荷为6054226J/s，效率为80%。5.2站场布置〔方案一〕泵站数计算[1]：(5-2)式中n——泵站数，个；H——任务流量下管道所需的总压头，m；——任务流量下泵站所提供的扬程，m。——任务流量下泵站所提供的扬程，m。由公式〔5-2〕得：n(个)向上取整，取n=5〔个〕；采用平均法布站，其站间距为：〔5-3〕式中——泵站站间距，km；L——管线总长，km；由公式〔5-3〕得：取泵站内压头损失为，除第一站外，后面的泵站进口压力控制在20～80m范围内。[1]〔5-4〕d——管内径，m——输送温度下原油的运动粘度，；Q——管路中原油的体积流量，；由公式〔5-4〕得：布置根据压力供需平衡原那么，压力平衡关系式〔5-5〕式中——泵站进口的剩余压头，m；H——泵站所提供的扬程，m；i——水力坡降；L——两泵站的站间距，m；——两泵站间的高程差〔高程差〕，m；——泵站内压头损失，m。〔1〕取首站与第二站的站间距为56km由公式〔5-5〕得进口压力为：剩余压头太小，不符合要求，故缩小站间距，取首站与第三站站间距50km。那么进口压力符合要求，故第二站布置在距离首站50km处。〔3〕取首站与第三站的站间距为106km，由公式〔5-5〕得进口压力为：符合要求，故第三站布置在距离首站106km处。〔4〕取首站与第四站的站间距为162km，由公式〔5-5〕得进口压力为：符合要求，故第四站布置在距离首站162km处。〔5〕取首站与第五站的站间距为218km，由公式〔5-5〕得进口压力为：符合要求，故第五站布置在距离首站218km处。那么到达末站剩余压头由公式〔5-5〕得：由于，不能到达要求，且所需扬程由(5-5)得：故第五站需要重新选泵，泵型号为DY450-6010，其流量为450，扬程为600m,转速为1480转/分，汽蚀余量5m,泵效率79%，轴功率931kw,配带电机功率1250kw。泵站选用两台，其中一台为备用。电机型号JB0900，功率1250kw,效率为,96%，电机额定转速1490转/分，电机电压6kv。由公式〔5-1〕得：P故所选择的泵符合要求。那么换泵后到达末站剩余压头由公式〔5-5〕得：所以，上述设计及计算符合要求，故全线泵站布置完毕。5.3设备选型计算〔方案二〕5.3.1泵的选型〔同方案一〕泵型号为DY450-6010，其流量为450，扬程为600m,转速为1480转/分，汽蚀余量5m,泵效率79%，轴功率931kw,配带电机功率1250kw。泵站选用两台，其中一台为备用。由公式〔5-1〕得：P故所选择的泵符合要求。5.3.2原动机的选型〔同方案一〕电机型号JB0900，功率1250kw,效率为,96%，电机额定转速1490转/分，电机电压6kv。5.3.3加热设备选型首站选用换热器，其他加热站选用加热炉，其热负荷为5527772J/s，效率为80%。5.4站场布置〔方案二〕5.4.1泵站数计算由公式〔5-2〕得：n(个)向上取整，取n=3〔个〕；采用平均法布站，其站间距由公式〔5-3〕得：取泵站内压头损失为，除第一站外，后面的泵站进口压力控制在20～80m范围内。5.4.2管路的水力坡降由公式〔5-4〕得：5.4.3泵站布置〔1〕取首站与第二站的站间距为56km由公式〔5-5〕得进口压力为：符合要求，故第二站布置在距离首站9km处。〔3〕取首站与第三站的站间距为18km，由公式〔5-5〕得进口压力为：符合要求，故第三站布置在距离首站18km处。那么到达末站剩余压头由公式〔5-5〕得：所以，上述设计及计算符合要求，故全线泵站布置完毕。6泵站及管道参数校核6.1动、静水压的校核〔方案一〕动水压力的校核：就是检查管道的剩余压力是否在管道操作压力允许范围内。校核动水压力应根据管道可能承受压力的最不利条件进行。由以上泵站布置情况看，只需对第五号泵站进行动水压力校核。静水压力指油流停止流动后，由于地形高差产生的静液柱压力。本设计中管线经过区域地势平坦，所以不需要进行静水压力校核。(6-1)最大动水压力为：(6-2)式中——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；，Z——低点处、泵站的高程，m；P——动水压力，Pa。那么第五号泵站的动水压头由公式〔6-1〕得：那么五号泵站的动水压力由公式〔6-2〕得：故动水压力校核符合要求。最小输量〔方案一〕管道的最小输量[1]为：〔6-3〕式中——管道最小输量，kg/s；K——总传热系数，；D——管道外径，m；L——加热站间距，m；c——原油比热容，；——加热站的最高出站温度，；——管道周围的自然温度，；——加热站的最低进站温度，。故该设计的最小输量由公式〔6-3〕得：6.3动、静水压的校核〔方案二〕动水压力的校核：就是检查管道的剩余压力是否在管道操作压力允许范围内。校核动水压力应根据管道可能承受压力的最不利条件进行。由以上泵站布置情况看，只需对第三号泵站进行动水压力校核。静水压力指油流停止流动后，由于地形高差产生的静液柱压力。本设计中管线经过区域地势平坦，所以不需要进行静水压力校核。那么第三号泵站的动水压头由公式〔6-1〕得：那么第三号泵站的动水压力由公式〔6-2〕得：故动水压力校核符合要求。6.4最小输量〔方案二〕该设计的最小输量由公