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东北石油大学本科生课程设计报告 一、管输工艺课程设计的目的和意义管输工艺是油气储运专业的一门主要专业课程。主要内容包括：输油管道勘察设计；等温及热油输送管道、顺序输送管道的工艺计算；热油管道的运行管理等内容。其中，等温管道和热油管道的设计是该门课程中的重点问题，但在课堂理论教学的过程中，学生参与实际设计计算的机会很少，为使学生真正掌握等温和热油管道的设计，在学生学习理论知识后，辅以实际问题的设计计算，是十分必要的。通过课程设计环节的训练，使学生掌握油气储运领域中常规的工程设计的基本内容和方法。通过让学生根据管道实际里程高程、泵和加热炉等资料，综合运用所学的专业知识，进行等温管道和热油管道的设计，以培养学生理论联系实际、分析问题、解决问题和充分利用计算机技术进行工程设计的能力。二、石油管道概述（一）石油管道的特点石油管道（也称管线、管路）是由油管及其附件所组成，并按照工艺流程的需要，配备相应的油泵机组，设计安装成一个完整的管道系统，用以完成油料接卸及转输任务。管道运输是原油和成品油最主要的运输方式。与铁路运输、公路运输、水运相比，管道运输具有以下特点：（1） 运输量大。一条管径720mm管道年输油量约20106t，1220mm管道年输油量约100106t，分别相当于一条铁路及两条双轨铁路的年运输量。（2） 管道大部分埋设于地下，占地少，受地形地物的限制少，可以缩短运输距离。（3） 密闭安全，能够长期连续稳定运行。管道输油受恶劣气候的影响小，无噪音，油气损耗小，对环境污染少。（4） 便于管理，易于实现远程集中监控。现代化管道运输系统的自动化程度很高，劳动生产率高。（5） 能耗少，运费低。在美国，管道输油的能耗约为铁路运输的1/31/7，是路上运输中输油成本最低。（6） 适用于大量、单项、定点运输石油等流体货物。不如车、船等运输灵活、多样。（二）石油管道的发展概况原油及成品油的运输有公路、铁路、水运、和管道输送这四种方式。由于与其他几种相比，管道输送有其特点和突出的优越性，使管道输送成为运输原油及其产品的理想方式。管道运输的发展与能源工业，特别是石油工业的发展密切相关。现代管道运输始于19世纪中叶。1865年在美国宾夕法尼亚州建成第一条原油管道，直径50mm，管长近10km。20世纪初管道运输才有进一步发展，但真正具有现代规模的长距离输油管道则始于第二次世界大战。当时，美国因战争需要，建设了两条当时管径最大、距离最长的输油管道。一条是原油管道，管径为600mm，全长2158km，日输原油47700m3；另一条是成品油管道，管径500mm，包括支线全长2745km，日输成品油360m3。战后随着石油工业的发展，管道建设进入了一个新阶段，各产油国都建设了不少长距离输油管道。60年代开始，输油管道向着大管径、长距离方向发展，前苏联-东欧的“友谊”输油管道和美国的横贯阿拉斯加的输油管道就是两个典型代表。沙特阿拉伯的东-西原油管道和阿尔及利亚-突尼斯的原油管道都穿越了浩瀚的沙漠地区。随着英国北海油田的开发，兴建了一批海洋原油管道，最长的已达358km，在深100多米的海底铺设。这些管道的建设成功，标志着管道已可以通过极为复杂的地址、地理条件与气候恶劣的地区。与此同时，成品油管道也获得迅速发展，成品油管道多建成地区性的管网系统，沿途多处收油和分油，采用密闭和顺序输送方式输油。美国的科洛尼尔成品油管道系统就是世界上大型成品油管道系统的典型代表之一。（三）石油管道的设计内容及方法设计工作包括编制设计文件、配合施工和参加验收、进行总结的全过程。大型输油管道建设的前期工作包括由上级主管部门或管道建设单位委托设计或咨询单位进行可行性研究、编制设计任务书。根据批准的设计任务书，按初步设计和施工图设计两个阶段进行设计。（四）石油管道的一般设计步骤1、可行性研究关于建设项目进行可行性研究的试行管理办法指出：可行性研究的任务是根据国民经济长期规划和地区规划、行业规划的要求，对建设项目在技术、工程和经济上是否合理和可行，进行全面分析、论证，作多方案比较，提出财务评价与国民经济评价，为编制和审批设计任务书提供可靠依据。财务评价是从工程项目本身财务角度，根据国家现行财税制度和现行价格，分析测算项目的效益和费用，考察项目的获利能力、清偿能力，据以判别项目财务上的可行性。国民经济评价则从国家整体角度考察项目的效益和费用，用影子工资、影子汇率和社会折现率，计算和分析项目给国民经济带来的净效益，据以评价项目在经济上的合理性，从而确定投资行为的宏观可行性。可行性研究是分析、评价各种建设方案和生产经营决策的一种科学方法。它要对新建、扩建项目的一些主要问题，如市场需要、资源条件，燃料、动力供应条件，建设规模，以及设备选型等，从工程的技术、经济、安全等方面进行调查研究，分析比较，并对项目建成后可能取得的技术经济效果进行预测。从而提出该项目可否建设和如何进行建设的意见，为项目决策提供可靠的依据。可行性研究报告是项目决策的依据，应按规定做到一定的设计深度。可行性报告完成后要按规定进行审批，同时据可行性报告进行管道工程的安全预评价、环境保护评价、地震及地质灾害评价、劳动卫生评价等工作，安全预评价报告要通过评审。审批和评审中提出的改进意见和建议要在今后的设计和建设中落实。（1） 可行性研究报告的内容输油管道工程项目可行性报告一般应包括以下主要内容：1) 总论、工程概况、依据与原则。2) 论述建设该输油管道的必要性。3) 油源、油品去向的近期、远期规划。4) 线路情况，包括走向、线路长度、大型穿（跨）越方案、沿线气候、地形、水文及工程地质概况等。5) 输油工艺方案，包括输送工艺、输量、管径、管材规格、管道防腐、输送温度、输送压力、输油站数、站址及规模、主要设备类型等。6) 自动控制、通信、供水、供电、热工、机修等设施的论述，管理机构及人员编制等说明。7) 环境保护与劳动保护8) 经济分析（财务评价、国民经济评价、结论和建议）。最后确定推荐方案。9) 可行性研究除以说明书阐明上述问题外，还应附上工艺流程图和概算表。（2） 设计任务书的内容根据可行性研究报告及其审批意见编制设计任务书。设计任务书是编制设计文件的主要依据。一般包括以下主要内容：1）工程项目的依据。2）管道的起、终点，主要走向及中间进、出油点。3）所输油品品种、年输量（近期与远期）。4）对输油管道技术水平及某些技术指标的要求。5）建设进度与投资估算。6) 各设计阶段的期限。2、初步设计初步设计是在工程项目确立后，根椐设计任务书的要求，结合实际条件所做的工程具体实施方案。它是安排建设项目和组织工程施工的主要依据。设计深度应满足工程项目投资包干、招标承包、材料与设备订货土地征购和施工准备等要求，并能据以编制施工图和总概算。初步设计编制的总概算是控制工程项目总投资的主要依据。设计单位应严格保证设计质量，每项设计要作多方案比较，合理地确定设计文案；设计必须有充分和准确可靠的基础资料；设计所采用的设备、材料和要求的施工条件要切合实际；设计文件的尝试要符合建设和生产的要求。初步设计须按照国家规定的上级部门审批。安全专篇由安全生产监督局组织评审。输油管道初步设计通常包括以下文稿字材料与图纸：1) 概述，包括设计依据，设计指导思想、原则与特点，工程概况与主要技术经济指标，基础资料与数据。2) 工艺部分，包括输送工艺，水力、热力、及强度计算结果，管材规格，泵站数及站直，首、末站储油罐容量及数量。3) 线路，包括线路走向及沿线状况，线路工程及穿越工程，管道防腐与保温。泵站及加热站，包括首、末站及中间站工艺流程，泵机组和加热炉的型号、规格，供电与配电，仪表及自动控制，给水排水、消防、采暖通风，其他辅助设施，总图与主要建筑物。4) 通信，包通信方式、通信组织、主要设备。5) 安全专篇，说明工程项目采用的安全设施、安全措施。安全管理机构及人员配备情况，有关安全的专用投资概算等。6) 管理，包括组织机构、人员编制。7) 设备与材料清单。8) 总概算。3、施工图设计根据批准的初步设计和主要设备订货情况即可进行施工图设计。设计人员应根据初步设计及其审批意见所确定的方案，利用勘察及调研所搜集的资料，遵照有关标准、规范，绘出正确、详细并符合规定的图纸，满足施工、非标准设备制造的需要。本阶段主要工作内容为：1）组织施工图阶段的勘察工作，修改或补充原初步设计。2）按批准和修改后的初步设计进行线路设计和输油站设计。线路设计主要包括确定各区段管子的壁厚、防伪绝缘层和保温层的结构与厚度、线路变坡与转角结构、管沟挖深、各穿越工程的结构、线路阀室等。输油站设计主要包括站址和工艺流程的最后确定，平、立面布置，各单体（如泵房、罐区、加热炉等）的安装设计与计算。3）绘制施工图。施工图是发给施工单位组织施工的，必须详尽至全部工程目的每一个需要建筑安装的部分。泵站施工图主要包括总平面图、竖向面置图、站内工艺管网安装图、泵房和阀室的平面及立面安装图、油罐制千图及站内各配套工程设施的施工图。线路施工图主要包括线路平面图、纵断面图、各穿越工程的平、立面图和安装详图、线路阀室安装图、阴极保护及其他附属工程的施工图。4）材料、设备明细表与预算。5）各施工单位共同编制的施工技术要求和施工组织设计。三、等温输送管路设计 某长输管道按“从泵到泵”方式输送柴油，输量为50万吨/年，管径1596，管壁粗糙度e =0.1mm，管线最高压力64105Pa，沿线年平均地温to =12，最低月平均地温to =3，年工作日按350天计算。泵站选用65Y-5012型离心泵，允许进口压力为0-40m油柱，每个泵站的站内损失按20m油柱计算，首站进站压力取20m油柱。 要求：按平均地温作以下计算： 1、按米勒和伯拉休斯公式计算输送柴油的水力摩阻系数，并比较计算结果的相对差值； 2、若改输汽油，按列宾综公式和依萨也夫公式计算水力摩阻系数，并比较计算结果的相对差值； 3、输送柴油的工艺计算： 用最小二乘法求泵特性方程，比较计算与实测值的相对误差 确定泵站泵机组的运行方式及台数（不计备用泵）； 按列宾宗公式计算水力坡降，求所需泵站并化整； 用解析法求工作点； 在管线纵断面图上布置泵站； 根据站址计算全线各站进、出站压力，检查全线动静水压力； 计算冬季地温3时，输送柴油的工作点及各站的进、出站压力，并与年平均地温时的进、出站压力比较； 从起点到翻越点，计算站间距Lf/n，起点至各站的平均站间距Lj/j，据此定性分析油品粘度变化时各站压力的变化趋势，对比、的计算结果是否符合这个规律，若不合，请说明原因。 （一）基本参数1、 离心泵特性表31 65Y-5012型离心泵输水时参数如下Q(m3/h)H(m)(%)N(Kw)156724363.8256005278.5305525385.52、油品的物性参数表32 油品的物性参数 20(Kg/m3)12 (m2/s)3 (m2/s)柴油 821.33.3410-66.5810-6汽油746.20.8210-63、 管线长度及高程表33 管线长度及高程距离(km)0501001155150162183135255268高程(m)4001204701251330130079091061060（二）计算内容及步骤按平均地温作以下计算和设计：1、 按米勒和勃拉休斯公式计算输送柴油的水力摩阻系数，并比较计算结果的相对差值； 温度系数公式 （3-1）柴=0.7449905 kg/m3 油品密度公式 （3-2）分别代入t=12和t=3可得12=827.26 kg/m3 体积流量 （3-3）Q12=0.01998869 m3/s 雷诺公式 （3-4） Re=51857.64179 处于水力光滑区 按米勒公式 （3-5）12=0.02038 按勃拉休斯公式 （3-6） 12=0.02096 比较米勒和勃拉休斯公式所得结果 相对误差 （3-7）2、 若改输汽油，按列宾宗公式计算水力摩阻系数； 温度系数公式 （3-8） 油品密度公式 （3-9）代入t=12可得 12=752.95 kg/m3体积流量 Q12=0.02196 m3/s雷诺公式 =232071.20 Re1=111929绝对当量粗糙系数 （3-10） 所以处于混合磨擦区列宾宗公式 （3-11） 3、 输送柴油的工艺计算（1）用最小二乘法求泵特性方程，比较计算与实测值的相对误差多台泵串联的泵站特性方程 （3-12） m m m m3/h m3/h m3/h 以下应用VB最小二乘法拟合泵特性曲线方程Private Sub Form_click() Dim N As Integer, U() As Double, I As Integer Dim A As Single, B As Single ReDim U(4, 3) Print 共3组： For I = 1 To 3 U(1, I) = Val(Val(InputBox(流量：, 0) 1.75) U(2, I) = Val(InputBox(扬程：, 0) U(3, I) = U(1, I) * U(2, I) U(4, I) = U(1, I) 2 Print Q(2-m) (; I; ) = ; U(1, I); h(; I; ) = ; U(2, I) U(1, 0) = U(1, 0) + U(1, I) U(2, 0) = U(2, 0) + U(2, I) U(3, 0) = U(3, 0) + U(3, I) U(4, 0) = U(4, 0) + U(4, I) Next I U(1, 0) = U(1, 0) / 3 U(2, 0) = U(2, 0) / 3B = (U(3, 0) - 3 * U(1, 0) * U(2, 0) / (U(4, 0) - 3 * U(1, 0) 2) A = U(2, 0) - B * U(1, 0) Print 泵特性方程： Print h = ; A; If B = 0 Then Print + ; Print B; Q(2-m)End Sub（2）确定泵站泵机组的运行方式及台数（不计备用泵）；选择泵机组数的原则 满足数量要求 考虑管道的泵压情况 泵在高校区内工作 泵的台数符合规范要求根据已知任务输量选择并联，计算并联台数 向上取整得 （3）按列宾宗公式计算水力坡降，求所需泵站并化整柴油流态为紊流水力光滑区 管道的水力坡降公式 （3-13） 单位管道长度上的摩阻损失 （3-14） 管路全线消耗的压力能为 （3-15）分别代入表格数据得 此处为翻越点压力水头 代入Mpa 得m泵的工作特性方程 （3-16） 即 m且m压力水头： （3-17）MPa m计算所需泵站数 （3-18） 向上取整得 （4）用解析法求工作点管道的工作流量 （3-19） m3 /s泵机组的工作特性方程 代入得m（5）在管线纵断面图上布置泵站 图3-1 长输管道的纵断面及水力坡降线 泵站坐标分别为：（0，400）（69，250）（103，520）（118，960）（145，1300）（6）根据站址选择计算全线各站进、出站压力，检查全线动静水压力根据站间压力供需平衡的原则，确定各站的进出站压力 （3-20）m mm mm mm mm m根据压力能头 MPa MPa MPa 所以满足要求。（7）计算冬季地温3时，输送柴油的工作点及各站的进出站压力，并与年平均地温时的进出站压力比较；=822.045kg/m3 Q=0.0201m3/s Re=26471.78压力水头 代入MPa得m柴油流态为紊流水力光滑区 管道的水力坡降公式 单位管道长度上的摩阻损失 用解析法求工作点；管道的工作流量 同前文12时。m3/s泵机组的工作特性方程 m根据站间压力供需平衡的原则，确定各站的进出站压力 得m m由此说明冬季平均气温过低使管路中柴油流动性大大降低不能正常运行。（8）从起点到翻越点，计算站间距Lf/n，起点至各站的平均站间距Lj/j，据此定性分析油品粘度变化时各站压力的变化趋势，对比、的计算结果是否符合这个规律。计算站间距 km起点至各站的平均站间距 得km km km km根据全线压降平衡方程 、，随着油品粘度增高，分式之值增大，减小。同理，小于相反。所以第二个泵站的进站压力减小，后三个泵站的进站压力增大。四、热油输送管路设计（1）管线总传热系数K =2.1W/m2,管线埋深处最低月平均地温t0 =1,螺纹焊接钢管3257,工作压力46105Pa,沥青绝缘层厚度为7mm。 （2）管输原油的物性参数如下: =840kg/,C=2.1kJ/kg 粘温方程 ln=3.62-0.041t(cs)(厘沱)。 （3）任务输量G =300万吨/年。 （4）沿线里程看表4-1 （5）可供选择的加热炉、泵的性能 加热炉 四种加热炉，发热能力分别为1745 、2326 、3489、 4652kW。当热负荷不小于加热炉容量的80%时，炉效R =0.78；原油热值BH =4.2104kJ/kg。 输油泵选用Dy155-67（5-9）型多级离心泵,泵进口压力范围0-40m油柱；电动机效率e =0.93; （6）站内压降：对热泵站取30m油柱，泵站或加热站取15m油柱。 试作如下计算： 按进出站油温在60-25之间，计算所需加热站数及站间距，首站进站油温为25。 按平均 温度法计算站间摩阻，选泵及泵的组合方式，确定所需泵站数（进站油温为25）。 在管线纵断面图上布置加热站、泵站；并按泵站、加热站尽量合并的原则，调整站数或站址。 选择各站加热炉。 按任务输量，计算冬季全线月耗油量。 若管线投产初期的输量在三、四年内仅为100万吨/年，在设计中应考虑什么问题？（工艺计算、加热站数、泵站数、主要设备选择、站址选择等方面）。 若夏季地温为15 ，各加热站要求停运一台加热炉进行检修，你的设计能满足要求吗？ 若最后一个泵站停运，该管线可能达到的输量应如何求解？（从两种运行方式考虑，即开式和闭式）。 （一）基本参数1、沿线的里程、高程表4-1 沿线的里程、高程距离(km)03.07.119.830.939.650.661.271.380.6高程(m)1170120011721220121512301234130513821364续表4-2 沿线的里程、高程距离km94.5104118.5120.5126.5134138.2151.7164.5高程m1475176015901590152515321612139013202、 Dy155-67（5-9）型多级离心泵性能 表4-3 Dy155-67（5-9）型多级离心泵性能型 号流 量Q(m3/h)扬 程H(m)轴功率KW效率%允许汽蚀余量m特 性 方 程Q(m3/S)Dy155-675电机240KW2950转/分901551804033353031571972126372703.25.06.6H=445-2.7104Q1.75Dy155-676电机290KW2950转/分901551804764023561852382506372703.25.06.6H=527.5-3.19104Q1.75Dy155-677电机340KW2950转/分901551805494694092122762886372703.25.06.6H=610-3.69104Q1.75Dy155-678电机380KW2950转/分901551806225364622423163246372703.25.06.6H=692-4.18104Q1.75Dy155-679电机440KW2950转/分901551806956035152693553616372703.25.06.6H=774.5-4.67104Q1.75（二）计算内容及步骤试作如下计算1、 按进出站油温在60-25之间，计算所需加热站数及站间距，首站进站油温为25。管段内总传热系数 W/M2 管道内壁直径 m油品比热容 KJ/KG 油品质量流量 t/a列宾宗公式 （4-1） 苏霍夫公式 （4-2） km计算所需热站数 即全程所需两个加热站站间距 km2、 按平均温度法计算站间摩阻，选泵及泵的组合方式，确定所需泵站数（进站油温为25）。按照平均油温计算法 （4-3）苏霍夫公式 （4-4） 苏霍夫公式 （4-5）平均油温 （4-6） 温度系数公式 （4-7）=0.7204kg/m3油品密度公式 （4-8）pj=829.052kg/m3体积流量 （4-9） m3/s粘温方程 （4-10） m2/s雷诺数 绝对当量粗糙系数 (4-11)临界雷诺数公式 (4-12) 管道的水力坡降公式 单位管道长度上的摩阻损失 代入得按照平均油温计算法 (4-13) mm3/s=364.3078m3/h 向上取整得 即三个泵并联工作压力 (4-14)m根据表格二选择Dy155-678级泵，三台泵并联沿线压头损失: （4-15） m mmmmmmmmmmmmmmm ，第17点为m压力水头 (4-16) 代入Mpa 得m选择Dy155-676级泵特性方程 (4-17) m选择Dy155-678级泵特性方程 (4-18)m计算所需泵站数 (4-19) 向上取整得 3、 在管线纵断面图上布置加热站、泵站；并按泵站、加热站尽量合并的原则，调整站数或站址。在管线纵断面图上布置泵站图4-1长输热油管道的纵断面及水力坡降线热泵站1（0，1170）泵站1（50，1230）热泵站2（86，1400）泵站2（100，1640）分别为8级 8级 5级 5级沿线布置加热站后，重新计算水力坡降苏霍夫公式 代入m得 平均油温 (4-20)温度系数公式 (4-21)=0.7204kg/m3油品密度公式 (4-22)代入=36.38得pj=828.1998kg/m3体积流量 (4-23) m3/s粘温方程 (4-24)m2/s管道的水力坡降公式 (4-25)代入 得苏霍夫公式 代入m得 平均油温 温度系数公式 0.7204kg/m3油品密