《管道工程》输油管道.ppt

管道工程,管道工程,第7章 输油管道,7.1 输油管道概况,7.2 输油泵站的工作特性,7.3 输油管道的压能损失,7.4 等温输油管道运行工况分析与调节,7.5 热油管道的温降计算,7.6 热油管道的摩阻计算,7.7 热油管道的日常运行管理,7.8 热输含蜡原油管道的石蜡沉积,7.9 热油管道的启动投产,7.10 热油管道的停输温降及再启动,管道是石油生产过程中的重要环节，是石油工业的动脉。在石油的生产过程中，自始至终都离不开管道。我们可以把石油的生产过程简单的表示为：,7.1 输油管道概况,输油管道,1、输油管道的发展历史,1879年，在美国的宾夕法尼亚铺设了一条口径为150mm，长为17.4km的输油管道。,1886年，美国又铺设了一条口径为200mm，长为139km的输油管道。,管道工业有着悠久的历史。中国是最早使用管道输送流体的国家。早在公元前的秦汉时代，就有人用打通了节的竹子连接起来输送卤水，随后又用于输送天然气。现代管道始于19世纪中叶，1859年，美国宾夕法尼亚打出了第一口油井，所生产的原油起初用马车拉运，从而导致了严重的交通拥挤。直到1865年，才建造了第一条用于输送原油的管道。直径为50mm，长为10km，输量为2.8 m3/h,用往复泵驱动。,7.1 输油管道概况,1920年前，管道均采用丝扣连接，因此管径较小。1920年，在管道铺设中开始采用气焊，随后又被电焊所取代。金属焊接工艺的发展和完善促进了大口径、长距离管道的发展，同时也促进了新管材的使用。但真正具有现代规模的长输管道始于第二次世界大战。当时由于战争的需要，美国急需将西南部油田生产的油运往东海岸，但由于战争，海上运输常常被封锁而中断，这就促使美国铺设了两条输油管道。一条是原油管道，口径为600mm，长度为2158km，输量为47700m3/d(1500万吨/年)，由德克萨斯到宾夕法尼亚。另一条为成品油管道，口径为500mm，包括支线全长为2745km，输量为3760m3/d(1300万吨/年)，由德克萨斯到新泽西，同时还铺设了一条输气管道，口径为600mm，长为2035km，由西南部到东海岸。,7.1 输油管道概况,从60年代起，输油管道向大口径、长距离的方向发展，并出现许多跨国管线。较著名的有：,1964年，原苏联建成了苏联东欧的“友谊”输油管道，口径为1020mm,长为5500km。,1977年，建成了第二条“友谊”输油管道，在原苏联境内与第一条管线平行，口径为1220mm,长为4412km,经波兰至东德。两条管线的输量约为1亿吨/年。,1977年，美国建成了世界上第一条伸入北极的横贯阿拉斯加管道,口径为1220mm，全长为1287km，其中900km管道采用架空保温铺设。年输量约为1.2亿m3，不设加热站，流速达3m/s，靠摩擦热保持油温不低于60，投资77亿美元。,7.1 输油管道概况,1988年，美国建成了从西部圣巴巴拉至休斯顿的原油管道，管径762mm,总长2731km，年输油能力约为1600万吨。,同时，成品油管道也获得了迅速发展。典型的是美国的科罗尼尔成品油管道系统。干线口径为750、800、900、1000mm,总长为8413km,输油能力为1.4亿吨/年。,7.1 输油管道概况,2、长输管道的发展趋势,(1) 高压力、大口径的大型输油管道,(2) 采用高强度、高韧性、可焊性良好的管材,(4) 采用先进的输油工艺和技术,(3) 采用新型、高效、露天设备,a. 设计方面，采用航空选线. b.采用密闭输送工艺流程，减少油气损耗和 压 能损耗。 c.采用计算机自控、遥控技术。 d.用化学药剂（减阻剂、降凝剂）降低能耗。,7.1 输油管道概况,3、管道运输的特点, 运量大，基建费用低（与铁路相比） 。, 管输适于大量、单向、定点的运输，不如铁路、公路运输灵活。, 占地少，受地形限制少。, 运价低，耗能少。, 便于管理，易于实现集中控制，劳动生产率高。, 受外界限制少，可长期稳定连续运行，对环境 的污染小。,输油管道概况,一条720管线的输量约等于一条单线铁路的运量，但造价不如铁路的1/2。,管线埋于地下，基本不受恶劣气候的影响，油气污染和噪声污染都比铁路小得多。,原苏联管线运价约为铁路的1/2，美国约为铁路的1/7-1/10 ，我国目前基本与铁路持平。,管线埋于地下，地面仍可耕种。铁路的坡度一般不能超过30度，而管线不受坡度的限制，有利于翻山越岭，取捷径，起终点相同的两地间，管线的长度一般要比铁路短30%。,7.1 输油管道概况,4、我国输油管道概况,1958年以前，我国输油管道还是一个空白。1958年，我国修建了第一条长输管道：克拉玛依独山子原油管道。随着我国石油工业的发展，20世纪70年代开始兴建大型输油管道，我国管道工业进入第一个发展高潮,建设的管道主要是原油管道。到目前为止,我国铺设的百公里以上的原油长输管道40余条,管径为159720,形成了具有一定规模的原油管网(见全国油气管线分布图)。,7.1 输油管道概况,我国管道工业继第一个发展高潮之后，于20世纪90年代中期逐渐进入第二个发展高潮，而且目前已经处在发展高潮之中。此次发展高潮以天然气管道和成品油管道建设为主。近几年来，我国已经建成的或正在兴建中的管道有，西气东输管道、涩北西宁兰州天然气管道、兰州成都重庆成品油管道、茂名至昆明成品油管道、忠县至武汉天然气管道、宁波上海南京进口原油管道、环珠江三角洲液化天然气管道、镇海至萧山成品油管道，以及平湖至上海的海底天然气管道等。正准备兴建的管道还有中俄天然气管道、中俄原油管道，远景规划可能还有吐库曼斯坦至中国的天然气管道、西西伯利亚至中国天然气管道，以及苏里格气田的外输管道等。,7.1 输油管道概况,返回,阿尔善-赛汉塔拉原油管道,在东北和华北地区，先后建成了庆铁线、铁大线、铁秦线、秦京线、铁扶线、抚鞍线和任京线，形成了规模较大的东北管网，担负了大庆油田、辽河油田、华北油田的原油外输任务。,在华东华北地区，先后建成了鲁宁线、濮临线、沧临线、中洛线、东临线、东黄线、东黄复线、东辛线、临济线，形成了规模较大的华东原油管网，担负了胜利油田、中原油田的原油外输任务。另外，已经停止运行的任沧线实际上已将东北和华东两大管网连为一体。,在华中地区，魏荆线担负了河南油田的原油外输任务。在华南地区，湛茂线担负了茂名石化的供油任务。在内蒙境内阿赛线担负了二连油田的原油外输任务。,在西北地区，克独线、克乌线担负了克拉玛依油田的原油外输任务；花格线担负了青海油田的原油外输任务；马惠宁线、靖咸线担负了长庆油田的原油外输任务；库鄯线担负了塔里木油田的原油外输任务。,四川油田管网,马惠宁线,花格线,魏荆线,7.1 输油管道概况,7.2 输油泵站的工作特性,1、长输管道的泵机组类型,输油泵站的作用:,输油管道,长距离输油管道均采用离心泵，很少使用其他类型的泵。,离心泵的型式有两种：,多级（高压）泵:排量较小,又称为并联泵；,单级（低压）泵:排量大，扬程低，又称为串联泵。,(1) 长输管道用泵,一般来说，输油泵站上均采用单一的并联泵或串联泵，很少串并联泵混合使用，有时可能在大功率并联泵或串联泵前串联低扬程大排量的给油泵，以提高主泵的进泵压力。,串联泵具有排量大、扬程低、效率高的特点。我国试制的ks型串联泵比并联泵效率高10%左右，而国外生产的串联泵比国内多数管道采用的并联泵效率高出18%左右。,7.2 输油泵站的工作特性,长距离输油管道是耗能大户，而等温输油管道的耗能设备主要是输油主泵，因此提高输油主泵的效率是提高等温输油管道经济效益的主要途径。如果将我国目前输油管道的输油主泵效率由70%左右提高85%左右，输油电耗将减少20%以上。因此，在成品油管道的日常管理中，加强对输油主泵的维修保养，使其始终处于高效状态，对提高输油管道的经济效益非常重要。,7.2 输油泵站的工作特性,(2) 原动机, 电动机, 柴油机, 燃气轮机,输油泵的原动机应根据泵的性能参数、原动机的特点、能源供应情况、管道自控及调节方式等因素决定。分为 ：,电动机具有体积小、重量轻、噪音低、运行平稳可靠、便于实现自动控制等优点，对于电力供应充足的地区一般均采用电动机作为的原动机。其缺点是调速困难，需要专门的调速装置。但对于电网覆盖不到的地区，是否采用电动机要进行经济比较。如果需要架设长距离输电线路，采用电动机是不合适的。,与电动机相比，柴油机有许多不足之处：体积大、噪音大、运行管理不方便、易损件多、维修工作量大、需要解决燃料供应问题。其优点是可调速。对于未被电网覆盖或电力供应不足的地区，采用柴油机可能更为经济。,燃气轮机单位功率的重量和体积都比柴油机小得多，可以用油品和天然气作燃料，不用冷却水，便于自动控制，运行安全可靠，功率大，转速可调。一些退役的航空发动机经改型后可用于驱动离心泵。对于偏远地区的大型油气管线，采用燃气轮机可能是比较好地选择。如前面提到的横贯阿拉斯加管线采用的就是改型后的航空燃气轮机。,7.2 输油泵站的工作特性,2、离心泵的工作特性,对于电动离心泵机组，目前原动机普遍采用异步电动机，转速为常数。因此h=f(q)，扬程是流量的单值函数，一般可用二次抛物线方程h=a-bq2表示。,对于长输管道，常采用h=a-bq2-m的形式，其中a、b为常数，可根据泵特性数据由最小二乘法求得；m与流态有关;q为单泵排量。采用上式描述泵特性，与实测值的最大偏差2%。,7.2 输油泵站的工作特性,3、改变泵特性的方法,改变泵特性的方法主要有：,(1) 切削叶轮,a,b与叶轮直径d0 对应的泵特性方程中的两个常系数,7.2 输油泵站的工作特性,(2) 改变泵的转速,n调速后泵的转速，r/min,n0调速前泵的转速，r/min,a,b与转速n0 对应的泵特性方程中的两个常系数,式中：,7.2 输油泵站的工作特性,4、输油泵站的工作特性,输油泵站的工作特性可用h=f(q)表示,输油泵的基本组合方式一般有两种：串联和并联,(1) 并联泵站的工作特性,7.2 输油泵站的工作特性,并联泵站的特点 ：,泵站的流量等于正在运行的输油泵的流量之和，每台泵的扬程均等于泵站的扬程。即：,7.2 输油泵站的工作特性,设有n1台型号相同的泵并联，即,注意 ：,泵并联运行时，在改变运行的泵机组数时，要防止电机过载。,则：,7.2 输油泵站的工作特性,例如两台泵并联时，若一台泵停运，由特性曲线知，单泵的排量qq/2，排量增加，功率上升，电机有可能过载。,7.2 输油泵站的工作特性,(2) 串联泵站的工作特性,7.2 输油泵站的工作特性, 各泵流量相等，q=q,设有n2台型号相同的泵串联，则：, 泵站扬程等于各泵扬程之和：,特点：,7.2 输油泵站的工作特性,(3) 串、并联泵机组数的确定,选择泵机组数的原则主要有四条：,满足输量要求；,充分利用管路的承压能力；,泵在高效区工作；,泵的台数符合规范要求（不超过四台）。,7.2 输油泵站的工作特性, 并联泵机组数的确定,其中 :,q为任务输量， q为单泵的额定排量,显然 不一定是整数 ，只能取与之相近的整数，这就是泵机组数的化整问题。,如果管线的发展趋势是输量增加，则应向大化，否则向小化。一般情况下要向大化。,由此可见并联泵的台数主要根据输量确定，而泵的级数（扬程）则要根据管路的允许工作压力确定。另外根据规范规定，泵站至少设一台备用泵。,7.2 输油泵站的工作特性,串联泵,其中：h 为管路的许用强度（允许承压能力） h 为单泵的额定扬程。,一般来说，串联泵的应向小化，如果向大化，则排出压力可能超过管子的许用强度，是很危险的。而且向大化后，泵站数将减少，开泵方案少，操作不灵活。串联泵的额定排量根据管线任务输量确定。,7.2 输油泵站的工作特性,(4) 串、并联组合形式的确定, 从管特性和地形方面考虑，串联泵更适合于地形平坦的地区和下坡段，这种情况下管路特性较陡，所以也可以说串联泵更适合于管路特性较陡的情况。这一点可以用如图所示的特性曲线解释。, 从经济方面考虑，串联效率较高，比较经济。我国并联泵的效率一般只有70%左右，而串联泵的效率可达90%。串联泵的特点是：扬程低、排量大、叶轮直径小、流通面积大，故泵损失小，效率高。,7.2 输油泵站的工作特性,平坦地区或下坡段串联泵与并联泵的比较,7.2 输油泵站的工作特性,如图所示，正常运行时，串、并联泵均需两台泵工作，工作点为a ，流量为q1。当需将输量降为q2=1/2q1时，串、并联泵均只开一台泵即可。工作点分别为b、c。串联泵的节流损失为 ，并联泵的节流损失为 ，显然 ，因此采用串联泵较经济，可适应输量的较大变化。,7.2 输油泵站的工作特性,并联泵更适合于地形比较陡、高差比较大的爬坡地区，此时站间管道较短，管路特性较平，泵所提供的能量主要用于克服很大的位差静压头。,7.2 输油泵站的工作特性,q2,上坡段串联泵与并联泵的比较,7.2 输油泵站的工作特性,如图所示，正常运行时两台泵运行，输量为q1，当输量需降为q2=1/2q1时，并联泵只开一台泵即可，节流损失为 ，而串联泵仍需开两台泵，节流损失为 ，显然 。因此，对于管路特性较平（地形较陡）的情况，并联泵更能适应流量的较大变化。,7.2 输油泵站的工作特性, 串联泵便于实现自动控制和优化运行。,目前国内管线使用的基本上都是并联泵组合形式，而我国大部分管线处于平原地带，高差很小，因而造成节流损失大，调节困难，不易实现密封输送。因此，东部管线改造的一个重要任务是并联泵改串联泵，进而改旁接油罐流程为密闭流程，实行优化运行。,a、不存在超载问题 b、调节方便 c、流程简单 d、调节方案多,7.2 输油泵站的工作特性,1、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：,其中：hl为沿程摩阻 h为局部摩阻 (zj-zq) 为计算高程差,7.3 输油管道的压能损失,7.3 输油管道的压能损失,2、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 ：,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 。,输油管道,7.3 输油管道的压能损失,根据流体力学理论,其中：e为管壁的绝对粗糙度，d为管道内径。,是re和e/d 的二元函数，具体的函 数关系视流态而定。,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。实在无法避开时，该区的按紊流光滑区计算。,流态：分为层流和紊流，中间还存在一个过滤区。,7.3 输油管道的压能损失,(1) 流态划分和输油管道的常见流态,层流：re re2 （简称粗糙区）,我国输油管道工程设计规范规定的流态划分标准是：,7.3 输油管道的压能损失,其中：,输油管道中所遇到的流态一般为：,热含蜡原油管道：水力光滑区 小口径轻质成品油管道：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。,7.3 输油管道的压能损失,(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 螺旋焊缝钢管：dn=250350时取0.125mm dn400时取0.1mm,7.3 输油管道的压能损失,(4) 水力摩阻系数的计算,我国常用的各区水力摩阻系数的计算公式见下表。,7.3 输油管道的压能损失,3、流量压降综合计算公式列宾宗公式,(1) 列宾宗公式,令,整理得,即得到列宾宗公式：,7.3 输油管道的压能损失,不同流态下的a、m、值,7.3 输油管道的压能损失,4、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：,或,单位输量的水力坡降:,水力坡降与管道长度无关，只随流量、粘度、管径和流态不同而不同。,q=1时的水力坡降，即单位流量下，单位管道长度上的摩阻损失，用f表示,7.3 输油管道的压能损失,5、管路工作特性,定义：,已定管路（d , l , z 一定）输送某种已定粘度油品时，管路所需压头（即压头损失）和流量的关系（h-q关系）称为管路工作特性。,7.3 输油管道的压能损失,7.3 输油管道的压能损失,6、离心泵与管路的联合工作,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：,下面重点讨论解析法。,7.3 输油管道的压能损失,(1) 一个泵站的管道,由断面1-1到2-2列能量方程有：,式中：,hs1泵的吸入压力为常数。,hc 泵站扬程,hc 站内损失,hl 沿程摩阻,z2-z1起终点计算高差,7.3 输油管道的压能损失,即：,7.3 输油管道的压能损失,(2) 多泵站与管路的联合工作, 旁接油罐输油方式（也叫开式流程）,优点,安全可靠，水击危害小，对自动化水平要求不高。,缺点,流程和设备复杂，固定资产投资大,油气损耗严重,全线难以在最优工况下运行，能量浪费大,7.3 输油管道的压能损失,工作特点,每个泵站与其相应的站间管路各自构成独立的水力系统,上下站输量可以不等（由旁接罐调节）,各站的进出站压力没有直接联系,站间输量的求法与一个泵站的管道相同,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,式中：,7.3 输油管道的压能损失, 密闭输油方式（也叫泵到泵流程）,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。,缺点：,要求自动化水平高，要有可靠的自动保护系统。,7.3 输油管道的压能损失,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：,式中：,lj为管道计算长度,z为管道计算高程差,7.3 输油管道的压能损失,当各站特性不同时，输量计算公式为：,aj、bj为第j座泵站特性方程中的两个系数。,7.3 输油管道的压能损失,各站进、出站压力相互影响,首站：,第二站：由站间能量平衡方程 :,7.3 输油管道的压能损失,第 j 站：,式中：,lj-1为第 j -1 站到第 j 站的管道长度，,zj-1为第 j 站与第 j -1站的高程差,7.3 输油管道的压能损失,7、翻越点和计算长度,7.3 输油管道的压能损失,(1) 翻越点的定义,如果使一定数量的液体通过线路上的某高点所需的压头比输送到终点所需的压头大，且在所有高点中该高点所需的压头最大，那么此高点就称为翻越点。,根据该定义有：,上式表明，输量为 q 的液体从翻越点自流到终点还有能量富裕。,7.3 输油管道的压能损失,由此可给出翻越点的另一个定义：,如果一定输量的液体从某高点自流到终点还有能量富裕，且在所有的高点中该高点的富裕能量最大，则该高点叫做翻越点。,(2) 翻越点的确定,翻越点的确定可用图解法和解析法。, 图解法,在管道纵断面图右上角作水力坡降线的直角三角形，将水力坡降线向下平移，如果水力坡降线与终点相交之前首先与某高点f相切，则f点即为翻越点。,7.3 输油管道的压能损失, 解 析 法,在线路上选若干个高点进行计算，一般选最高点及最高点之后的高点进行计算。计算方法有两种：,a、计算从起点到高点 j 所需的总压头hj , 并与从起点到终点所需的总压头h比较，如果有若干个高点的hj 都大于h，则hj 最大者为翻越点。若所有的hj 都小于h，则不存在翻越点。,式中：lj、zj 分别为高点 j 的里程和高程。,7.3 输油管道的压能损失,b、计算,如果有若干个点的 hj 均大于零，则其中最大者为翻越点。若所有点的 hj 均小于零，则不存在翻越点。,管线设计和运行时，无论是旁接油罐流程还是密闭流程，翻越点均只有一个，且确定方法相同。但翻越点会随水力坡降的变化而变化。,7.3 输油管道的压能损失,(3) 翻越点后的流动状态,管道上存在翻越点时，翻越点后的管内液流将有剩余能量。如果不采用措施利用和消耗这部分能量，翻越点后管内将出现不满流。不满流的存在将使管道出现两相流动，而且当流速突然变化时会增大水击压力。对于顺序输送的管道还会增大混油。,措施 ：,1.在翻越点后采用小管径：使流速增大，这可能会产生静电危害，且对清管不利。,2.在中途或终点设减压站节流。,7.3 输油管道的压能损失,(4) 计算长度,管道起点与翻越点之间的距离称为管道的计算长度,管道上存在翻越点时，管线所需的总压头不能按线路起、终点计算，而应按起点与翻越点计算。, 不存在翻越点时，管线计算长度等于管线全长。, 存在翻越点时，计算长度为起点到翻越点的距离，计算高差为翻越点高程与起点高程之差,7.3 输油管道的压能损失,例题：,某3257的等温输油管，原设计为一个泵站。管路纵断面数据见下表。全线设有两座泵站，以“从泵到泵”方式工作。试计算该管线的输量为多少？,已知：全线为水力光滑区，油品计算粘度=4.210-6m2/s， 首站泵站特性方程：h370.5-3055q1.75 中间站泵站特性方程：h516.7-4250q1.75 （q：m3/s） 首站进站压力：s120米油柱，站内局部阻力忽略不计。,7.3 输油管道的压能损失,解：,方法一：根据纵断面数据，只有64km处可能为翻越点，为此，分别按64km和终点分别计算输量，其中最小者即为管道应达到的输量。,单位输量的水力坡降：,按里程64km处计算输量：,7.3 输油管道的压能损失,按终点计算输量：,，故64km处不是翻越点，管道输量为475.4m3/h。,方法二：先按终点计算输量，然后计算该输量下的水力坡降，然后分别计算该输量下从起点到64km处和到终点的总压降，判断翻越点，然后计算管道所达到的输量。,7.3 输油管道的压能损失,单位输量的水力坡降：,按终点计算输量：,水力坡降：,从起点到64km处的总压降：,7.3 输油管道的压能损失,从起点到终点的总压降：,故64km处不是翻越点，线路上不存在翻越点，q0=475.4m3/h即为管道的输量。,7.3 输油管道的压能损失,7.4 等温输油管道运行工况分析与调节,1、工况变化原因及运行工况分析方法,“从泵到泵”运行的等温输油管道，有许多因素可以引起运行工况的变化，可将其分为正常工况变化和事故工况变化。,(1) 正常工况变化, 季节变化、油品性质变化引起的全线工况变化，如油品的、变化；, 由于供销的需要，有计划地调整输量、间歇分油或收油导致的工况变化。,7.4 等温输油管道运行工况分析与调节,(2) 事故工况变化, 电力供应中断导致某中间站停运或机泵故障使某台泵机组停运；, 阀门误开关或管道某处堵塞；, 管道某处漏油。,不论是正常工况变化还是事故工况变化，都会引起运行参数的变化。这些参数主要包括输量，各站的进出站压力及泵效等。严重时，会使某些参数超出允许范围。为了维持输送，必须对各站进行调节。为了对各站进行正确无误的调节，事先必须知道工况变化时各种参数的变化趋势。因此，掌握输油管运行工况的分析方法，对于管理好一条输油管道是十分重要的。,7.4 等温输油管道运行工况分析与调节,(3) 运行工况的分析方法,突然发生工况变化时（如某中间站停运或有计化地调整输量而启、停泵），在较短时间内全线运行参数剧烈变化，属于不稳定流动。我们这里不讨论不稳定流动工况，只讨论变化前后的稳定工况。为此，我们假设在各种工况变化的情况下，经过一段时间后，全线将转入新的稳定工况。,运行分析的出发点是能量供求平衡。,7.4 等温输油管道运行工况分析与调节,2、某中间泵站停运时的工况变化,设有一条密闭输送的长输管道，长度为l，有n座泵站，正常工况下输量为q，各站的站特性相同，hc=a-bq2-m，假设中间第 c 站停运。,7.4 等温输油管道运行工况分析与调节,(1) 输量变化,c 站停运前输量：,c 站停运后输量变为：,由于 c 站停运，全线泵站所提供的总能量减小，所以输量减下，即：,7.4 等温输油管道运行工况分析与调节,(2) c 站前面各站进出站压力的变化,列首站入口到 c-1 站进口的能量平衡方程：,c 站停运前：,c 站停运后：,两式相减得：,由上式可知：,即,7.4 等温输油管道运行工况分析与调节,结 论：, c 站停运后，其前面一站(c-1站)的进站压力上升。停运站愈靠近末站( c 越大)，其前面一站的进站压力变化愈大。, 利用同样的方法，我们可以得出结论：c 站停运后，其前面各站的进站压力均上升。距停运站越远，变化幅度越小。, 出站压力的变化,即停运站前各站的出站压力均升高，距停运站越远，变化幅度越小。,7.4 等温输油管道运行工况分析与调节,(3) c 站后面各站进出站压力的变化,列 c+1 站入口到末站入口的能量平衡方程：,c站停运前：,c站停运后：,两式相减得：,7.4 等温输油管道运行工况分析与调节,分 析 ：, 由上式知： , 即 c 站后面一站的进站压力下降，且停运站愈靠近首站(c越小)，其后面一站的进站压力 变化愈大。, c站停运后，c站后面各站的进站压力均下降，且距停运站愈远，其变化幅度愈小。, 出站压力的变化,即停运站后面一站的出站压力下降。同理可得出停运站后各站的出站压力均下降，且变化趋势与进站压力相同。,7.4 等温输油管道运行工况分析与调节,3、干线漏油后的工况变化,设某条长输管道有 n 座泵站，在 c+1 站进口处发生漏油，漏油量为 q ，漏油前全线输量为 q ，漏油后漏点前输量为 q* ，漏点后输量为 q* -q。,7.4 等温输油管道运行工况分析与调节,(1) 输量变化,漏油前全线能量平衡方程为：,漏油后分段写出能量平衡方程：,首站至漏点：,漏点至末站：,7.4 等温输油管道运行工况分析与调节,上面两式相加并整理得：,由式两式得：,根据式上式，必有,7.4 等温输油管道运行工况分析与调节,(2) 漏点前各站进出站压力的变化,列首站入口至 c 站入口的能量平衡方程：,漏油前：,漏油后：,两式相减得：,7.4 等温输油管道运行工况分析与调节,也就是说漏点前各站的进站压力下降。,又,结论：,漏油后，漏点前各站的进出站压力均下降，且距漏点越远的站变化幅度越小。漏点距首站越远，漏点前面一站的进出站压力变化愈大。,即：,7.4 等温输油管道运行工况分析与调节,(3) 漏点后各站进出站压力的变化,利用上述同样的方法可以得到（分别列出漏油前后c+1站入口至终点的能量平衡方程，然后整理得）：,即,7.4 等温输油管道运行工况分析与调节,由此可知：,漏点后各站的进出站压力均下降，且漏点距首站愈近，其后面一站的变化幅度愈大。,总之，管道漏油后，漏点前的流量增大，漏点后流量减小，全线各站进出站压力均下降，且距漏点越近的站进出站压力下降幅度愈大。漏点距首站愈远，漏点前一站的压力变化愈大，反之漏点后面一站的进出站压力变化愈大。 根据进出站压力的变化即可确定泄漏点的位置。但这种方法只能确定较大的泄漏量，因为小漏点引起的压力变化不明显，仪表无法检测。,7.4 等温输油管道运行工况分析与调节,4、输油管道的调节,输油管道的调节是通过改变管道的能量供应或改变管道的能量消耗，使之在给定的输量条件下，达到新的能量供需平衡，保持管道系统不间断、经济地输油。,(1) 调节的分类,管道的调节就是人为地对输油工况加以控制。从广义上说，调节分为输量调节和稳定性调节两种情况。, 输量调节,首站从油田的收油是不均衡的，一年之内各季不均衡，甚至各个月份也有差别；末站向外转油受运输条件或炼厂生产情况的影响，有时出路不畅。这些来油和转油的不均衡必然使管道的输量相应变化，这些输量的改变要靠调节来实现。,7.4 等温输油管道运行工况分析与调节,旁接油罐输送的管道要求各泵站的排量接近一致。否则旁接油罐容纳不了过大的输差量。而要保持各站排量一致也要对全线进行调节。, 稳定性调节（即自动调节）,密闭输送的管道为了维持输油泵的正常工作和管道的安全运行，要求中间站的入口压力不能过低，出口压力不能过高。输送工况不稳定表现在泵站进出口压力的波动。当压力波动超出规定值时，就要对管线进行调节。工况不稳定不包括前面所说的调节输量的情况，因调节输量产生的大幅度工况变化是由计划产生的，并通过调整各泵站的输油泵机组工作状况加以实现；也不包括由于某个泵站突然中断运行或管道阀门误动作突然关闭造成的突发性压力波动，这种突发性压力波动叫水击，对水击另行采取保护措施，不是调节解决的问题。,7.4 等温输油管道运行工况分析与调节,造成压力不稳定的原因有：各泵站泵机组运转台数或运转泵性能变动；泵站输油泵因调速使其工况变化；所输油品种类改变或因温度改变造成油品粘度变化；管道因结垢、气袋或其它原因造成一定程度的阻塞等。,这些不稳定工况都发生在密闭输送管道上，旁接油罐管道因旁接管的缓冲，进出站压力不会有大的波动，只要保持各站输量接近一致即可。,7.4 等温输油管道运行工况分析与调节,(2) 输量调节方法,根据管道系统的能量供需特点，调节方法可以从两方面考虑：改变泵站特性：从能量供应方面考虑；改变管路特性：从消耗方面考虑。, 改变泵站特性,a、切削叶轮（或更换不同直径的叶轮）：,即泵排量与叶轮直径成正比。通过对输油泵更换不同直径的叶轮可以在一定范围内改变输量，但泵的叶轮不能切削太多，否则泵效下降较大，因此这种方法不适用于大幅度改变输量的情况。,7.4 等温输油管道运行工况分析与调节,b、改变多级泵的级数，减小泵的扬程，从而降低管线输量。这种方法适用于装备并联离心泵的管道。要求降低输量时，拆掉若干级叶轮，而需要恢复大输量时则将拆掉的叶轮重新装上。,c、改变运行的泵机组数，从而可大幅度改变输量。对于装备串联泵的管道，采用这种方法是很方便的。对于装备并联泵的管道，采用这种方法时经常还要改变运行的泵站数。,d、改变运行的泵站数。输量大幅度变化时常采用这种方法。,e、改变泵的转速,7.4 等温输油管道运行工况分析与调节,即泵的排量近似与转速成正比，扬程近似与转速的平方成正比。当离心泵的转速变化20%时，泵效基本无变化，因此，调速是效率较高的改变输量的方法。,但改变泵的转速往往受到现有设备条件的限制。在串联工作的泵站上，如果泵的原动机为燃气轮机或柴油机，则每台泵都可调速。如为电动机，目前我国长输管道所使用的大多数为异步电动机，调速比较困难，一般在泵与电机之间加变速装置（如液力偶合器）或加串级调速装置，亦可采用变频调速；若采用变速电机，目前我国变速电机还未普遍使用，价格昂贵,这些设备都会使投资和维修费增加。为了节省投资，对于串联泵站，每座泵站可备有一台调速机组。对于并联工作的泵站则必须所有泵机组都可调速，才能起到调节输量的作用。,7.4 等温输油管道运行工况分析与调节, 改变管路特性,改变管路特性主要是节流调节。节流调节就是人为地调节泵站出口阀门的开度，增加阀门的阻力来改变管路特性以降低管道的输量。这是一种最简单易行的方法，但能量损失比较大（与调速相比）。我国管道建设初期设备条件差，至今仍大量使用节流法，能量浪费严重，目前正在逐步改进。这种方法一般用于输量变化不大的情况，当需要大幅度改变输量时，应首先考虑采用改变运行的泵机组数和泵站数的方法。,7.4 等温输油管道运行工况分析与调节,(3) 稳定性调节方法,稳定性调节（即自动调节）的目的是为了保障输油泵的正常工作和站间管路的强度安全，调节实际上是对管中油品压力的调节，其要求是能经常性工作，调节机构的动作速度应使管道中压力的变化等于计算的扰动速度，以避免压力变化达到保护给定值而发生保护性停机。,7.4 等温输油管道运行工况分析与调节, 改变泵机组转速,如果泵站上装有可调速泵机组，可以利用这种方法进行压力调节。从节省能量角度讲这是一种较好的方法。但如果只从压力调节方面考虑采用调速泵机组一般是不合理的。,稳定性调节方法有改变泵机组转速、节流和回流三种。,7.4 等温输油管道运行工况分析与调节, 回流调节,回流可以单泵也可以全泵站进行。大型输油泵的特性曲线比较平缓，为了调节不大的压力就需要大量回流，耗费较多的能量。回流就是通过回流管路让泵出口的油流一部分流回入口，这种情况下泵的排量大于管路中的流量，靠泵排量的增加降低泵的扬程，从而达到降低出站压力的目的。采用这种方法时要防止原动机过载，一般很少采用。, 节流调节,节流是人为地造成油流的压能损失，降低节流调节机构后面的压力，它比回流调节节省能量。,7.4 等温输油管道运行工况分析与调节,输油管道除非发生水击或泵机组开停等较大压力波动情况，一般情况下调节压力的时间不超过全部输送时间的35%。调节幅度不大于单泵扬程的1025%。在这种情况下使用节流法调节是非常合适的。目前密闭输送管道除了少数靠变速调节外，绝大多数使用节流法。,7.4 等温输油管道运行工况分析与调节,1、加热输送的特点,7.5 热油管道的温降计算,与等温管相比，热油管道的特点是：, 沿程的能量损失包括热能损失和压能损失两部分。, 热能损失和压能损失互相联系，且热能损失起主导作用。设计热油管道时，要先进行热力计算，然后进行水力计算。这是因为摩阻损失的大小取决于油品的粘度，而油品的粘度则取决于输送温度的高低。, 沿程油温不同，油流粘度不同，沿程水力坡降不是常数，iconst。一个加热站间，距加热站越远，油温越低，粘度越大 ，水力坡降越大。,管道工程,2、热油管道沿程温降计算,(1) 轴向温降基本公式,基本假设 ：,稳定工况。包括热力 、水力条件稳定，即温度均不随时间而变化，输量不随时间而变化。,油流至周围介质的总传热系数k沿线为常数。,沿线地温t0和油品的比热c为常数,7.5 热油管道的温降计算,设有一条热油管道 ，管外径为 d ，周围介质温度为 t0 , 总传热系数为 k ,输量为 g ，油品的比热为c ，出站油温为 tr，加热站间距为 lr。,或：,则距上游加热站l米处的油温为：,7.5 热油管道的温降计算,上式即为轴向温降基本公式，也就是著名的苏霍夫公式。,根据加热站间距lr和出站油温tr可求得下一站的进站油温：,也可以根据进站油温tz，求得上游站的出站油温：,7.5 热油管道的温降计算,温降曲线的特点：由图可知：,温降曲线为一指数曲线，渐近线为 t=t0,在两个加热站之间的管路上，各处的温度梯度不同，加热站出口处，油温高，油流与周围介质的温差大，温降快，曲线陡。,随油流的前进，温降变慢，曲线变平。因此随出站温度的提高，下一站的进站油温 tz 变化较小。一般如果 tr 提高10，终点油温 tz 只升高23 。因此为了减少热损失，出站油温不宜过高。,7.5 热油管道的温降计算,考虑摩擦升温时的轴向温降计算,油流沿管道向前流动过程中,由于摩擦阻力而使压力不断下降。这部分压力能最终转化为摩擦热而加热油流。上面讨论的温降基本公式，未考虑摩擦热的影响,故只能用于流速低,温降大，摩擦热影响较小的情况。考虑摩擦升温后温降公式变为：,或:,上式即为考虑摩擦热时的轴向温降计算公式。又叫列宾宗温降公式。,7.5 热油管道的温降计算,在上式的推导中，水力坡降 i 取定值，实际上热油管的 i 沿程是变化的。计算中可近似取加热站间管道的平均水力坡降值。,式中：ir、il计算管段的起点、终点的水力坡降,7.5 热油管道的温降计算,(2) 轴向温降公式的应用, 设计时确定加热站间距(加热站数),设计时，l、d、g、k、c、t已定, 按上述原则选定tr和 tz ，则加热站间距为:,7.5 热油管道的温降计算, 运行中计算沿程温降, 特别是计算为保持要求的终点温度 tz 所必须的加热站出口温度 tr 。, 校核站间允许的最小输量gmin,7.5 热油管道的温降计算, 运行中反算总传热系数 k 值,由于温降公式是按照稳定工况导出的，因此反算k值时，应取水力和热力参数比较稳定情况下的数据。如果输量波动较大，油温不稳定或有自然现象影响(如冷空气前后,大雨前后等)，管线的传热相当不稳定，按稳定传热公式反算出来的k值误差较大。当然生产管线的参数波动总是存在的, 只能相对而言。,7.5 热油管道的温降计算,反算k值的目的:,积累运行资料,为以后设计新管线提供选择k值的依据.,通过k值的变化,了解沿线散热及结蜡情况,帮助指导生产。,若k，如果此时q，h，则说明管壁结蜡可能较严重，应采取清蜡措施。,若k，则可能是地下水位上升，或管道覆土被破坏、保温层进水等。,7.5 热油管道的温降计算,3、油流过泵的温升,油流经过泵时，由于流道、叶片摩擦、液体内部的冲击和摩擦，会产生能量损失，转化为摩擦热加热油流。,h泵的扬程，m c油品的比热，j/kg,7.5 热油管道的温降计算,对于扬程为600m, p=70%的离心泵，原油经泵的温升约为1。如东临线各泵站的泵搅拌温升约为0.81。,阀门节流引起的温升可按同样的方法计算：,7.5 热油管道的温降计算,4、热力计算所需的主要物性参数,(1) 比热容,我国含蜡原油的比热容随温度的变化趋势均可用下图所示的曲线描述，,7.5 热油管道的温降计算,区 ：,油温 t 高于析蜡点tsl，热容cly 随温度升高而缓慢升高。在这个区,石蜡还未析出，可用下式表示:,式中 ：,d415为15时原油的比重,可将其分为三个区:,7.5 热油管道的温降计算,区:,tcmaxttsl 。tcmax为比热容达到最大值时的温度。在该区，随油温的降低，比热容急剧上升。该区内有大量石蜡析出，比热容温度关系可表示为:,其中a、n为与原油有关的常数。,区:,0ttcmax 。在该区内，随油温的降低比热容减小，其关系可表示为:,式中b、m为与原油有关的常数。,7.5 热油管道的温降计算,(2) 导热系数,液态石油产品的导热系数随温度而变化，可按下式计算,式中：,y油品在 t 时的导热系数，w/m；,t 油温，；,d415油品在15的相对密度。,7.5 热油管道的温降计算,(3) 粘度,粘温指数关系式,式中：,1、2温度 t1、t2 时油品的运动粘度,u 粘温指数,该式适用于低粘度的成品油及部分重燃料油，不适用于含蜡原油。不同的油品有不同的 u 值，一般规律是低粘度的油u 值小，约在0.010.03之间；高粘度的油u值大，约在0.060.10之间,7.5 热油管道的温降计算,(4) 油品密度,7.5 热油管道的温降计算,5、热油管道的总传热系数k,管道总传热系数k系指油流与周围介质温差1时，单位时间内通过管道单位面积所传递的热量。它表示了油流向周围介质散热的强弱 。,以埋地管道为例，管道散热的传热过程由三部分组成：即油流至管壁的放热，钢管壁、防腐绝缘层或保温层的热传导和管外壁至周围土壤的传热（包括土壤的导热和土壤对大气和地下水的放热）。,7.5 热油管道的温降计算,对于无保温的大口径管道，如忽略内外径的差值，则总传热系数 k 可近似按下式计算：,总传热系数的计算公式为：,7.5 热油管道的温降计算,i与上述各层相应的导热系数，w/m,d计算直径，m,1油流至管内壁的放热系数，w/m2 ,2管外壁至土壤的放热系数，w/m2 ,i第 i 层的厚度，m,dw管道最外围的直径,di、di+1钢管、防腐绝缘层及保温层的内径和外径,式中：,7.5 热油管道的温降计算,对于无保温埋地管路，d 可取防腐绝缘层外径；,对于保温管路，则取保温层内外径的平均值；,7.5 热油管道的温降计算,加热站的有效热负荷 q 可根据所要求的进、出站温度tr 及 tz 计算：,式中：,q加热炉有效热负荷，kw,g油流质量流量，kg/s,c平均油温下的油品比热容，kj/kg,加热站的燃料油耗量(kg/h)为,式中：,r加热系统的效率；,e 燃料油热值，kj/kg,6、加热站热负荷与耗油量计算,7.5 热油管道的温降计算,1、热油管道摩阻计算的特点,热油管道的摩阻计算不同于等温管路的特点就在于：,(1) 沿程水力坡降不是常数。,由于热油沿管路的流动过程中，油温不断降低，粘度不断增大，水力坡降也就不断增大，所以热油管道的水力坡降线不是直线，而是一条斜率不断增大的曲线。,(2) 应按一个加热站间距计算摩阻。,因为在加热站进出口处油温发生突变，粘度也发生突变，从而水力坡降也发生突变，只有在两个加热站之间的管路上，水力坡降i的变化才是连续。,7.6 热油管道的摩阻计算,输油管道,2、热油管道摩阻计算方法,热油管道摩阻计算有两种方法：,(1) 平均油温计算法,(3) 基于粘温关系的方法,(1) 平均油温计算法,输送含蜡原油的管路多在紊流光滑区工作，此时摩阻与粘度的0.25次方成正比，当加热站间起终点温度下的粘度相差不超过一倍时，取起终点平均温度下的粘度，用等温输管的摩阻计算方法计算一个加热站间的摩阻，误差不会太大。具体步骤是：,(2) 分段计算法,7.6 热油管道的摩阻计算,计算加热站间油流的平均温度 tpj ，,由粘温特性求出温度为tpj时的油流粘度pj。,一个加热站间的摩阻为：,(2) 分段计算法,当站间起终点粘度变化较大时，用站间平均温度法计算摩阻损失误差较大。此时可将站间分成若干小段，分段计算管路的摩阻。其方法是：,7.6 热油管道的摩阻计算,将站间管路按管长或温度区间分成几段，各段的长度根据实际情况而定。一段每小段的温降不超过5，在非牛顿流摩阻计算中有时需要按每小段温降1来划分。,从加热站出口开始，由温降公式逐段计算每一小段的起终点温度或每小段的长度，并计算其算术平均温度。对于第i小段，起终点温度分别为ti和ti+1，则其算术平均温度为tpj=(ti+ti+1)/2。若分段是按长度划分的，则每段长度li已知，根据ti和li，由温降公式求ti+1；若分段是按温度区间划分的，则ti和ti+1已知，可由温降公式求得每小段的长度li。,7.6 热油管道的摩阻计算,根据tpj计算对应的油品粘度pj，及该小段的摩阻,则整个加热站间的摩阻为,不论热油管线处于层流还是紊流，都可以采用分段计算法计算摩阻。分段越小，每段的温降越小，摩阻计算越精确，当然计算量也就越大。因此分段法更适合于计算机计算。,7.6 热油管道的摩阻计算,(3)