工艺技术_输油管道工艺技术讲义

1 冬季热油管道运行困难 而夏季时会好些 为什么 2 存在入口节流时 油温测定点应设在节流前还是节流后 3 不满负荷输送与不满管一样么 4 如何实现安全经济输送 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 输油管道工艺计算目的 2 确定管径 选泵 确定泵机组数 确定泵站数和加热站数及沿线站场位置的最优组合方案 并为管道采用的控制和保护措施提供设计参数 1 妥善解决沿线管内流体的能量消耗和能量供应这对主要矛盾 第一章等温输油管道的工艺计算 什么叫等温输油管道 所谓等温输油管道 即指那些在输送过程中油温保持不变的管道 这意味着 油温 地温 常数 油流与管壁 管壁与环境之间没有热交换 在工程实际中 这个条件一般是达不到的 所谓等温 也是一种近似 这是因为 1 来油温度 地温 2 摩擦热加热油流 3 沿线地温不等于常数 在工程实际中 一般总把那些不建设专门的加热设施的管道统称为等温输油管道 它不考虑热损失 只考虑泵所提供的能量 压头 与消耗在摩阻和高差上的能量 压头 相匹配 相平衡 等温输油管道的工艺计算 夏季来油温度低于地温 冬季来油温度高于地温 但经过1 2km后 油温基本等于地温 与整条管线相比 该段管线很短 流速不太高时 摩擦升温很小 且对油流的加热是均匀的 尤其对于南北走向的管线 但我们可以将其分段 按照分段等温来考虑 第一节输油泵站的工作特性 第二节输油管道的压能损失 第三节等温输油管道的工艺计算 等温输油管道的工艺计算 第一节输油泵站的工作特性 一 长输管道的泵机组类型 输油泵站的作用 由于离心泵具有排量大 扬程高 效率高 流量调节方便 运行可靠等优点 在长输管道上得到广泛应用 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 1 多级 高压 泵 排量较小 又称为并联泵 2 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 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的选择 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 二 离心泵的工作特性 1 离心泵的特性方程 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 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 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 输油泵站的工作特性 3 进口负压调节 进口负压调节一般只用于小型离心泵 大型离心泵一般要求正压进泵 不能采用此方法 多数采用切削叶轮和改变泵的转速 串级调速和液力藕合器等 另外对于多级泵还可用拆级的方法改变泵特性 4 油品粘度对离心泵特性的影响 一般当粘度大于60 10 6m2 s时要进行泵特性的换算 输油泵站的工作特性 1 进口负压对离心泵的特性有何影响 思考题 3 泵的扬程和泵的排出压力有何不同 2 进口负压对输水和输油时的影响相同吗 输油泵站的工作特性 三 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 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 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 输油泵站的工作特性 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q Q 2 排量增加 功率上升 电机有可能过载 2 串联泵站的工作特性 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 1 两台泵串联运行 若一台泵停运 另一台泵会不会过载 通过泵与管路联合工作的特性曲线图加以说明 思考题 输油泵站的工作特性 2 若泵型号不同 如何求泵站的工作特性 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 并联泵机组数的确定 其中 Q为设计输送能力 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 则要根据管路的设计工作压力确定 另外根据规范规定 泵站至少设一台备用泵 串联泵 其中 H 为管路的许用强度 或设计工作压力 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设计输送能力确定 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 平坦地区或下坡段串联泵与并联泵的比较 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 h1 并联泵的节流损失为 h2 显然 h2 h1 因此采用串联泵较经济 可适应输量的较大变化 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 并联 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 并联泵只开一台泵即可 节流损失为 h1 而串联泵仍需开两台泵 节流损失为 h2 显然 h2 h1 因此 对于管路特性较平 高差较大 的情况 并联泵更能适应流量的较大变化 串联泵便于实现自动控制和优化运行 国内早期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 不存在超载问题 调节方便 流程简单 调节方案多 输油泵站的工作特性 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 其中 hL为沿程摩阻h 为局部摩阻 zj zQ 为计算高程差 第二节输油管道的压能损失 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 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 1 流态划分和输油管道的常见流态 层流 ReRe2 简称粗糙区 流态划分标准是 其中 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 输油管道的压能损失 2 管壁粗糙度的确定 管壁粗糙度 1 相对粗糙度 绝对粗糙度与管内径的比值 e D或2e D 2 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 250 350时取0 125mmDN 400时取0 1mm 3 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 由各区的 计算公式可以看出 紊流光滑区 层流边层厚度 e e 只与Re有关 与粗糙度无关 混合摩擦区 e e f Re e D 与Re和粗糙度有关 完全粗糙度区 层流边层很薄 粗糙突起几乎全部暴露于层流边层之外 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 输油管道的压能损失 三 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 不同流态下的A m 值 输油管道的压能损失 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 或 1 等温输油管的干线水力坡降 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 在计算和分析中经常用到单位输量 Q 1 的水力坡降f 即单位流量下 单位管道长度上的摩阻损失 2 副管的水力坡降 特点 假设副管与主管流态相同 则有 输油管道的压能损失 由于 1 所以只需要铺设副管总有减阻效果 层流 光滑区 混摩区 粗糙区 输油管道的压能损失 3 变径管的水力坡降 变径管具有减阻效果 变径管具有增阻效果 若主管与变径管流态相同 则有 五 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 输油管道的压能损失 1 如何根据单根管路的特性曲线作出串 并联管路的特性曲线 2 流量Q变化会引起管路特性的变化吗 为什么 3 什么因素影响特性曲线起点的高低和陡缓 思考题 输油管道的压能损失 六 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 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 即 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 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 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 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 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 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 输油管道的压能损失 一 设计参数 1 计算温度 以管道埋深处全年平均地温作为计算温度 规范上规定 对于加热管道 取管道埋深处全年最冷月平均地温为计算地温 2 油品密度 式中 t 20为t 和20 时的密度 kg m3 第三节等温输油管道的工艺计算 3 油品粘度 油品粘度一般用粘温指数公式计算 式中 分别为t和t0温度下的运动粘度 u为粘温指数 1 4 计算流量 设计时年输油时间按350天 8400小时 计算 等温输油管道的工艺计算 5 管道纵断面图与水力坡降线 在直角坐标上表示管道长度与沿线高程变化的图形称为管道纵断面图 横坐标 表示管道的实际长度 即管道的里程 常用比例为1 1000 1 2000 1 5000 1 10000 1 100000 纵坐标 表示管道的海拔高度 即管道的高程 常用比例为1 200 1 500 1 1000 管道的水力坡降线是管内流体的能量压头 忽略动能压头 沿管道长度的变化曲线 等温输油管道的水力坡降线是斜率为i的直线 将水力坡降线画在纵断面图上可以表示管内压力沿管长的变化情况 在e点 管线内的动水压力为0 需要重新加压才能以流量继续向前输送 二 翻越点和计算长度 根据能量平衡 将输量为Q的液体输送到终点所需能量为 如上图所示能量H是不能翻越高点F的 只有将压力提高到Hf 才能翻越此高点 显然有 等温输油管道的工艺计算 1 翻越点的定义 如果使一定输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 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 等温输油管道的工艺计算 F Lf i 由图可知 水力坡降线不一定先与管路上的最高点相切 所以翻越点不一定是管路上的最高点 而是靠近线路终点的某个高点 等温输油管道的工艺计算 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 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 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 等温输油管道的工艺计算 思考题 如果线路上存在翻越点 但设计中没有考虑 管线的输量是否为零 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 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 三 泵站数的确定 原则 要充分利用管道的强度 并使泵在高效区工作 将计算输量为Q的油品从起点输送到终点所需压头为 式中 L为计算长度 Z为计算高程差 首先选择泵的型号 组合方式和串并联泵机组数 确定泵站特性 设全线站特性相同 计算输量下的扬程为Hc 则全线所需泵站数为 其中hc为站内损失 如果考虑首站给油泵的扬程Hs1和管道终点或翻越点所需的余压Hsz 则全线所需泵站数为 一般来说按照上式计算的n不是整数 还应把计算得到的n值化整 等温输油管道的工艺计算 四 泵站的布置 确定泵站位置的步骤是 先在室内用作图法在线路纵断面上初步确定站址或可能的布置区 进行现场实地调查 与当地有关方面协商后 最后决定站址 核算站址调整后是否满足水力要求 1 布站作图法 根据化整后的泵站数和管路实际情况 重新计算管道系统的工作点 水力坡降和每个泵站在工作点输量下的扬程 式中 Hs1首站进泵压力 当有给油泵时即为给油泵扬程 Hsz终点的余压 当存在翻越点时 为翻越点处的动水压力 为了保证正常输送 线路最高点 翻越点或线路终点的动水压力应保持不低于20m油柱 等温输油管道的工艺计算 布站作图法 a Hd1 Hc hc b1 b b b1 b a 由首站位置a点向上作垂线aa 使aa 按纵断面图纵向比例所取长度等于首站的出站压头 aa Hd1 Hs1 Hc hc 自a 点向右作水力坡降线 与纵断面线交于b点 如果输油管道为旁接油罐流程 b点即为第二泵站的位置 在该点处 动水压力为零 用同样的方法可求出第三泵站位置 如果管道为密闭输送 由于密闭输送所使用的输油主泵要求有一定的进泵压头 因此第二站的位置不能定在b点 而应向左移动 以保留必要的剩余压头 一般来说 输油泵有一个进口压力范围限制Hsmin Hs Hsmax 也就是有一个布站范围 称为泵站的可能布置区 如图中阴影部分所示 b b 即为泵站的可能布置区 一般取Hs 30 80m液柱 泵站可布置在b1点 从b1点向上作垂线b1b1 取b1 b1 Hc hc由b1 向右作力坡降线 同样的方法可确定第三站及以后各站的位置 由图可知 不论第二站布置于何处 均不影响第三站的位置 b1 五 泵站及管道工作情况的校核 1 进出站压力的校核 一年中最高和最低油温时的进出站压力 几种油品顺序输送时 输送粘度最大的油品和粘度最小的油品时进出站压力的变化情况 油温高时 油流的粘度小 水力坡降线及管道特性曲线都较平缓 反之 粘度大 水力坡降线和管道特性曲线都较陡 故进出站压力会随季节而变化 2 动 静水压力的校核 动水压力的校核 校核动水压力 就是检查管道的剩余压力是否在管道操作压力的允许值范围内 即最低动水压力 一般为高点压力 应高于0 2MPa 最高动水压力应在管道强度的允许范围内 动水压力是指油流沿管道流动过程中各点的剩余压力 在纵断面图上 是管道纵断面线与水力坡降线之间的垂直距离 对于局部动水压力超压 大都采用增大壁厚 提高承压能力的方法 如果超压的距离比较长 可采用设减压站减压的方法 这会增大管线的摩阻损失 使能耗增加 但到底采用哪种方法 需要通过经济比较确定 静水压力的校核 静水压力 指油流停止流动后 由地形高差引起的静液柱压力 翻越点后的管段或线路中途高峰后的峡谷地带 停输后的静水压力有可能大于管道允许的工作压力 等温输油管道的工艺计算 对于这种超压情况 是采用增加壁厚还是采用设减压站的方法解决 需要通过经济比较确定 某条管线有几座泵站 管线中间有一高点 应在高点前还是高点后检查静水压力 为什么 思考题 等温输油管道的工艺计算 第二章加热输送管道的工艺计算 原油的工业分类按含蜡量分类 加热输送管道的工艺计算 稠油的特点胶质 沥青质含量高 凝固点低 通常低于0 牛顿流体 粘度很大 常温输送摩阻非常高 经济性差 加热输送管道的工艺计算 对于上述易凝高粘原油 不能直接采用等温输送 加热输送是目前常用的方法 提高油品温度以降低其粘度 减少摩阻损失 借消耗热能来节约动能 第一节热油管道的温降计算 第二节热油管道的摩阻计算 第三节确定和布置加热站 泵站 本章主要内容 一 加热输送的特点 什么是热油管道 在输送过程中沿线油温高于地温的输油管道 一般来说 其沿线的油温不仅高于地温而且还高于油品的凝点 第一节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 这是因为摩祖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 i const 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 加热输送管道的工艺计算 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 二 热油管道沿程温降计算 2 温度参数的确定 加热站出站油温的选择 考虑到原油中难免含水 加热温度一般不超过100 如原油加热后进泵 则其加热温度不应高于初馏点 以免影响泵的吸入 加热站进站油温的选择 加热站进站油温主要取决于经济比较 故其经济进站温度常略高于凝点 另外还必须考虑管道的停输温降和再启动问题 周围介质温度T0的确定 对于架空管道 T0就是周围大气的温度 对于埋地管道 T0则取管道埋深处的土壤自然温度 设计热油管道时 T0一般取管道中心埋深处的最低月平均地温 运行时按当时的实际地温进行校核 加热输送管道的工艺计算 3 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 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 加热输送管道的工艺计算 最小输量Gmin 加热输送管道的工艺计算 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 加热输送管道的工艺计算 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 加热输送管道的工艺计算 4 油流过泵的温升 例如 对于扬程为500m p 70 的离心泵 原油经泵的温升约为1 阀门节流引起的温升可按摩阻引起温升同样的方法计算 三 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 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 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 01 0 03之间 高粘度的油u值大 约在0 06 0 10之间 4 油品密度 四 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 传热学上常用单位管长上的传热系数KL KL与K的关系为 KL K D w m 它表示油流与周围介质温差为1 时 单位时间内每米管长所传递的热量 它等于单位管长RL热阻的倒数 加热输送管道的工艺计算 埋地管道总传热系数K的选用东北华北地区 w m2 w m2 w m2 参阅教材第七章相关内容 一 输油站工艺流程 输油站的工艺流程 是指油品在站内的流动过程 实际上就是站内管道 管件 阀门所组成的 并与其它输油设备 包括泵机组 加热炉和油罐 相连的输油管道系统 该系统决定了油品在站内可能流动的方向 输油站的性质和所承担的任务 1 工艺流程设计原则 第四节热泵站的几个问题 1 工艺流程要满足各输油生产环节的需要 输油管建成后 存在三个生产环节 试运投产 正常输油和停输再启动 2 中间输油泵站的工艺流程要和采用的输送方式 开式 闭式 相适应 4 经济 节约 5 能促使采用最新科学技术成就 不断提高输油水平 2 输油站主要流程及其应用范围 3 便于事故处理和检修 1 来油与计量流程来油 流量计 阀组 罐该流程仅存在于首 末站 用于与外系统的油品交接计量 2 站内循环流程 罐 泵 炉 阀组 罐应用范围 管道投产时作站内联合试运 输油干管发生故障或检修 防止站内系统的管道或设备凝油 下站罐位超高或发生冒罐事故 本站罐位超低或发生抽空现象 本站出站压力紧急超压 作为流程切换时的过渡流程 3 正输流程 先泵后炉流程 罐 阀组 泵 炉 阀组 下站 首站 上站来油 阀组 泵 炉 阀组 下站 中间站 先炉后泵流程 罐 给油泵 阀组 炉 泵 阀组 下站 首站 上站来油 阀组 炉 泵 阀组 下站 中间站 用于管线的正常输油 应用范围 因各种原因使停输时间过长 需反输活动管线 管道输量太低 必须正反输交替运行 清管器在进站管段受阻需进行反冲 投产前管子预热 先泵后炉流程 下站来油 阀组 泵 炉 阀组 上站先炉后泵流程 下站来油 阀组 炉 泵 阀组 上站 4 反输流程 上站来油 阀组 炉 阀组 下站应用范围 输量较小 输油机组发生故障不能加压 供电系统发生故障或计划检修 站内低压系统的管道或设备检修 作为流程切换时的过渡流程 冷却水系统中断 使输油泵机组润滑得不到保证 5 压力越站流程 上站来油 阀组 下站应用范围 加热炉管破裂着火 无法切断油源 加热炉看火间着火 无法进入处理 非全越站不能进行站内管道 设备施工检修或事故处理 6 全越站流程 上站来油 阀组 泵 阀组 下站应用范围 停炉检修 地温高 输量大 热损失小 可不加热 加热炉系统发生故障 但可以断油源 7 热力越站流程 8 收发清管器流程 发送清管器 罐 或上站 阀组 泵 炉 阀组 发送筒 下站罐 或上站 阀组 炉 泵 阀组 发送筒 下站接收清管器 上站 接收筒 阀组 泵 炉 阀组 下站上站 接收筒 阀组 炉 泵 阀组 下站该流程只有在清管时才使用 以上几个工艺流程并非每一个生产过程都使用 也不是每个站都具备 要根据各条管线及输油站的具体情况选择 二 热泵站上先泵后炉流程的缺点 热泵站上 站内流程可以是 先泵后炉 也可以是 先炉后泵 流程 我国70年代建设的管道大多采用先泵后炉流程 先泵后炉 流程存在以下缺点 1 进泵油温低 泵效低进泵油温即为上站来油的进站油温 是站间最低温度 由于原油粘度高 使泵效下降 如任丘原油60 时粘度为34m2 s 40 时为80m2 s 泵效下降0 8 大庆原油 油温从60 降到30 泵效降低1 8 站内管线常年在低温下运行 又无法在站内清管 结蜡层较厚 流通面积减小 使站内阻力增加 造成电能的极大浪费 如一条年输量2000万吨的管线 若一个站的站内损失增加10m油柱 则一个站全年多耗电约80万度 2 站内油温低 管内结蜡严重 站内阻力大 3 加热炉承受高压 投资大 危险性大加热炉内压力为泵的出口压力 高达6 0MPa 炉管及附件都处于高压下工作 钢材耗量大 投资增加 加热炉在高压下工作 易出事故 且难以处理 严重时可能引起加热炉爆炸 我国过去建设的管道采用先泵后炉的流程 是与旁接罐流程分不开的 在旁接罐流程下 若采用先炉后泵 则进站压力较低 加热炉受上一站的控制 目前我国有些管线已经将先泵后炉的流程改为先炉后泵流程 新设计的管线 不论是采用 泵到泵 输送还是采用 旁接罐 输送 都应设计为先炉后泵流程 但进站压力一定要满足加热炉工作压力的需要 三 直接加热和间接加热 加热输送是目前输送含蜡多 粘度大 凝点高的原油的普遍方法 对原油的加热主要有两种方式 直接加热和间接加热 1 直接加热即原油直接在管式加热炉内加热 炉膛四周并列排有炉管 原油从管内流过 被火焰和烟气直接加热 加热炉直接加热油品 设备简单 投资省 占地少 但热效率低且不安全 加热炉炉膛温度高达700 800 以上 若管内原油流速过低或偏流 在某个部位就可能发生过热 结焦 从而使局部过热更严重 容易引起烧穿炉管事故 运行时要求炉内保持一定的流速 但流速大又会使炉内的压降增大 一般炉内压降都在0 1MPa左右 我国过去所建管线使用的加热炉多为方箱式加热炉 炉膛大 热惯性大 升温降温都需要较长的时间 一般在正式投入运行前要先用木材等烘炉5天左右 若管线突然停输 由于炉内温度很高 炉管内的存油会汽化 使炉管内压力过高 或结焦穿孔 易发生事故 以某种中间热载体为热媒 燃料直接加热热媒 在换热器中热媒加热原油 目前油田上广泛采用的水套式加热炉即为一种间接加热系统 另外 在东黄复线上 我国从国外引进的热媒炉间接加热系统是长输管线上广泛使用的原油加热系统 并已开始在老线的改造中使用 2 间接加热 间接加热的优点 运行安全可靠一方面热媒蒸汽压低 加热炉可在低压下运行 运行压力约为0 5MPa 另一方面 由于被加热炉直接加热的是热媒而不是原油 热媒最高使用温度在316 以上 热媒进炉温度为121 即热媒的进出炉温差可达195 加热炉直接加热热媒 一般没有结焦问题 因而避免了在加热炉管内的结焦问题 原油在热媒原油换热器中走壳程 压力损失为50 100kPa 与直接加热相比 压力损失可减少1 2以上 热效率高且效率基本上不随热负荷变化 因而对输量和热负荷的适应性强 加热炉的效率可达92 以上 考虑到热媒系统设备的动力消耗和热媒罐 加热管线及热媒原油换热器的热损失又增加了能源损失 所以整个间接加热系统的综合热效率要比热媒加热炉低5 左右 可达87 体积小 重量轻 便于实现加热炉系统的轻型化和预制化 间接加热的缺点 设备多 占地面积大 投资大 要求的自控水平和操作水平高 热媒为一种低毒有机化合物 当热媒温度高于60 时 热媒与大气接触发生氧化 所以必须用氮气密封 第五节输油管道运行工况分析与调节 一 工况变化原因及运行工况分析方法 运行参数突变 属于不稳定流动 这里只讨论变化前后的稳定工况 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 分析方法有图解法和解析法 这里重点介绍解析法 二 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 1 输量变化 c站停运前输量 Q 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 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 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 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 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 此处如果c 1站的出站压力用进站压力和泵站扬程表示 将无法分析其变化趋势 这是因为 4 全线水力坡降线的变化 某站停运后 输量下降 因而水力坡降变小 水力坡降线变平 但停运站前后水力坡降仍然相同 停运站前各站的进出站压力升高 因而停运站前各站的水力坡降线的起点和终点均比原来高 且距停运站越近 高得越多 停运站后各站的进出站压力下降 因而停运站后各站间的水力坡降线的起点和终点均比原来低 且距停运站越近 低得越多 根据输量变化和各站进出站压力的变化趋势可以画出沿线各站的水力坡降线的变化情况 作图时应注意以下几点 等温输油管道运行工况分析与调节 c站 5 图解法分析工况的变化 首先作出全线泵站的总特性曲线和整条管线的总管特性曲线 其交点即为正常工况下的工作点 分别作出每个站的特性曲线及相应站间的管特性曲线 将首站进站压力曲线与泵站特性曲线迭加得到首站的出站压力曲线 由首站的出站压力曲线减去第1站间的管特性曲线 得到第2站的进站压力曲线 由工作点输量及第2站的进站压力曲线可求得第2站的进站压力 用同样的方法可以求得其它各站的进出站压力 最后一站的出站压力曲线与站间管路曲线的交点必为工作点流量 利用上述同样的方法 作出站停运后的总泵站特性和总管路特性及各站的特性及相应的站间管特性曲线 根据总特性曲线求得c站停运后的工作点流量 根据各自的进 出站压力曲线和工作点流量可求出各站的进出站压力 从而得到其变化规律 注意 由于c站停运 第c 1站对应的管特性应为第c 1站间和第c站间管道的串联相加 利用图解法分析工况变化要求作图准确 否则可能得到错误的结论 思考题 如何从能量供需平衡的角度解释停运站前后各站进站压力的变化趋势 某长输管道 由于阀门开关失误 造