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机械毕业设计论文
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机械毕业设计92烟景输油管道初步设计,机械毕业设计论文
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中国石油大学（华东）毕业设计（论文） 烟景输油管道初步设计 2007 年 6 月 20日 nts中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文） 摘要 烟景 管线工程全长 440km，年设计最大输量为 500万吨，最小输量为 350万吨。 管线沿程地形较为起伏，最大高差为 32m，经校核全线无翻越点；在较大输量时可热力越站，较小输量时可压力越站。 输油管采用沥青加强级外保护的防腐措施。全线共设热泵站 12座，管线埋地铺设。管材采用 406.4 7.9， L245的直弧电阻焊钢管；采用加热密闭式输送流程， 先炉后泵的工艺，充分利用设备，全线输油主泵和给油泵均采用并联方式。加热炉采用直接加热的方法。管线上设有压力保护系统，出站处设有泄压装置，防止水击等现象，压力过大造成的危害。 首站流程包括收油、存储、正输、清管、站内循环、来油计量及反输等功能；中间站流程包括正输、反输、越站、收发清管球等功能。采用 SCADA检测系统，集中检测、管理，提高操作的安全性和效率。 由计算分析证明该管线的运行可收到良好的效益并有一定的抗风险能力。 关键词 : 管型；输量；热泵站；工艺流程 nts中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文） ABSTRACT The whole length of the pipeline is 440 kilometer and the terrain is plan.The maximum of transport capacity is 500 million ton per year and minimum of throughout is 350 million ton per year. The choice of main equipment and determination of station site are based on the condition of every throughout. After the technical evaluation , one type of steel pipeline called L245 is select. The optimum diameter is 404.6 millimeter and the wall thicket is 7.9 millimeter. In order to reduce the loss of heat, the pipeline is buried under the ground. The pipeline is coated with 7-millimeter thick anti-corrosion asphalt layer and impressed current catholic protection to protect the pipe from corrosion. The process of transportation is pump-to-pump tight line operation. Crude oil is heated at first and the pump in each station. There are three 220D-6510pumps are equipped as the transporting pump. The process of flows in the station includes: collecting crude oil; forward transportation; reverse pumping over station and circulation in the station. Along the main line, oil transportation included head station, intermediate heating and pumping station, and terminal station. Through the benefit analysis and feasibility study of operation, the project has a good economic benefit and the design is feasible. Keywords： pipeline corrosion； pump-to-pump station； analysis nts中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文） - 1 - 目录 前言 1 第 1 章 工艺计算说明书 2 1.1 设计准则 2 1.1.1 设计依据 2 1.1.2 设计原则 2 1.2 设计原始数据 2 1.2.1 设计输量 2 1.2.2 环境参数 3 1.2.3 原油物性 3 1.2.4 粘温关系 3 1.2.5 沿程里程、高程 3 1.3 运行参数的选取 4 1.3.1 进出站油温选取 4 1.3.2 其它参数选取 5 1.4 基础计算及经济管径选取 5 1.4.1 最优管径的选取 5 1.4.2 粘温方程 5 1.4.3 总传热系数 K 6 1.5 热力计算 6 1.5.1 热力计算说明 7 1.5.2 流态判断 7 1.5.3 加热站数确定 8 1.6 水力计算 9 nts中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文） - 2 - 1.6.1 确定出站油温 9 1.6.2 沿程摩阻确定 9 1.6.3 翻越点判断 10 1.6.4 泵的选型及泵站数的确定 10 1.7 站址确定及热力、水力校核 10 1.7.1 站址确定 10 1.7.2 热力、水力校核 11 1.8 反输计算 13 1.8.1 反输量的确定 13 1.8.2 反输泵的选取 13 1.8.3 反输的进出站压力校核 13 1.9 主要设备的选择 14 1.9.1 输油泵的选择 14 1.9.2 加热炉的选择 15 1.9.3 首末站罐容的选择 16 1.9.4 阀门选取 16 1.9.5 管材选取： 17 1.10 站内工艺流程的设计 17 1.10.1 输油站工艺流程： 17 1.10.2 工艺流程简介： 17 第 2 章 工艺设计计算书 19 2.1 基础计算 19 2.1.1 温度计算 19 2.1.2 密度计算 19 2.1.3 流量换算 19 nts中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文） - 3 - 2.1.4 经济管径计算 19 2.1.5 管材选取 20 2.1.6 粘温方程 20 2.1.7 流态判断 21 2.1.8 总传热系数 K 22 2.2 最小输量下的工况计算 23 2.2.1 热力计算 23 2.2.2 水力计算 24 2.3 最大输量下的工况计算 26 2.3.1 热力计算 26 2.3.2 水力计算 27 2.4 站址确定及 热力、水力 校核 28 2.4.1 站址确定 28 2.4.2 热力、水力校核 30 2.5 反输计算 33 2.5.1 反输量确定 33 2.5.2 翻越点判断 33 2.5.3 开泵方案 34 2.5.4 压力校核 34 2.6 设备选型 35 2.6.1 加热炉的选择 35 2.6.2 输油主泵的选择 35 2.6.3 给油泵选择 35 2.6.4 反输泵的选择 36 2.6.5 储油罐的选择 36 2.6.6 原动机的选择 36 nts中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文） - 4 - 2.6.7 阀门 37 2.7 开炉开泵方案 37 2.7.1 最大输量下： 37 2.7.2 最小输量下： 38 结论 39 致谢 40 参考文献 41 nts前言 - 1 - 前言 长输管道设计是对油气储运专业本科毕业生综合素质和能力的一次重要培养与锻炼，也是对其专业知识学习的一次综合考验。 此设计管材采用 406.4 7.9， L245 钢管；采用加热密闭式输送流程，先炉后泵的工艺，充分利用设备，全线输油主泵和给油泵均采用并联方式，加热炉采用直接加热的方法。 设计主要内容包括：确定经济管径、站址确定、调整及工况校核、设备选型、反输计算、站内工 艺流程设计和开炉开泵方案；绘制首站及中间热泵站的工艺流程图、首站的平面布置图、泵房安装图、管道的纵断面图。此外还进行了一定量的外文翻译。在本次设计中，自己学到了许多平常课堂无法学到的东西，使自己不但系统地整理了以前的所学的知识，而且对管输设计有了更深刻的理解和掌握，为以后的工作打下夯实的基础。由于自己水平有限，难免存在疏漏和错误之处，希望老师和同学们多批评、指正。 nts第 1章 工艺说明书 - 2 - 第 1 章 工艺计算说明书 1.1 设计准则 1.1.1 设计依据 烟景 输油管道初步设计任务书 中国石油大学储运教研室 输油管道工程设计规范 GB 50253 2003 石油库设计规范 GBJ 74 工程管道安装手册 中国石化出版社 输油管道设计与管理 中国石油大学出版社 1.1.2 设计原则 （ 1）设计中贯彻国家有关政策，积极采用新工艺、新技术、新设备和新材料，做到技术先进、经济合理、安全使用、确保质量； （ 2）保护环境，降低能耗 ，节约土地；处理好与铁路、公路、空运、水路间的相互关系， 在满足管线设计要求的前提下，充分利用管线的承压能力以减少不必要的损耗； （ 3）积极采用先进技术、合理吸取国内外新的科技成果。管线线路选择应根据沿线的气象、水文、地形、地质、地震等自然条件和交通、电力、水利、工矿企业、城市建设等的现状与发展规划，在施工便利和运行安全的前提下，通过综合分析和技术比较确定； （ 4）采用地下埋设方式。受自然条件的限制时，局部地段可采用土堤埋设或地上敷设 ； （ 5）充分利用地形条件，兼顾热力站、泵站的布置，本着“热泵合一”的 原则，尽量减少土地占用。 1.2 设计原始数据 1.2.1 设计输量 最大输量为 500 万吨 /年 ； nts第 1章 工艺说明书 - 3 - 生产期生产负荷（各年输量与最大输量的比率）见下表 1-1。 表 1-1 生产期生产负荷表 年 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 生产负荷（ %） 70 80 90 100 100 100 100 100 100 100 100 90 80 1.2.2 环境参数 年最低月平均温度 1； 管道中心埋深 1.5m； 土壤导热系数 1.4w/(m )； 沥青防腐层导热系 数 0.15w/（ m ） ； 1.2.3 原油物性 20的 密度 885kg/m3 ； 初馏点 85； 反常点 32； 凝固点 28； 比热 2.1kJ/(kg )； 燃油热值 4.18 104 kJ/kg。 1.2.4 粘温关系 见表 1-2 表 1-2 油品温度与粘度数据 温度（） 32 35 40 45 50 55 60 65 粘度（ cp） 60 53.4 44.1 36.4 30 26.4 23.3 21 1.2.5 沿程里程、高程 数据见表 1-3 nts第 1章 工艺说明书 - 4 - 表 1-3 管道纵断面数据 高程（ km） 0 25 61 94 122 155 183 212 里程（ km） 18 50 30 35 15 38 26 22 高程（ km） 243 268 303 336 367 394 415 440 里程（ km） 28 30 44 48 50 35 25 18 1.3 运行参数的选取 1.3.1 进出站油温选取 （ 1）出站油温 RT 考虑到原油中不可避免的含水，故 加热温度不宜高于 100，以防止发生沸溢。由于本设计采取先炉后泵的方式，则加热温度不应高于初馏点，以免影响泵的吸入。另外，管道采用沥青防腐绝缘层，其输油温度不能超过沥青的耐热程度。而且，考虑到管道的热变形等因素，加热温度也不宜太高。 综上考虑，借鉴经验数据，初步确定出站温度 RT =65。 （ 2）进站油温 ZT 加热站进站油温的确定主要取决于经济比较。本设计中输送的油品含蜡量和胶质含量均较高，且于凝点较高的含蜡原油，由于在凝点附 近粘温曲线很陡，故其经济进站温度常略高于凝固点。由于含蜡原油的粘温特性及凝点都会随热处理条件不同而不同，故应在热处理实验的基础上 ,考虑最优热处理条件及经济比较来选择进出站温度。 综合考虑，借鉴经验数据，初步设计进站温度 ZT =33。 （ 3）平均温度pjT有上面得到进出站油温计算平均温度可采用下式： ZRpj TTT 3231 (1-1) 式中 pjT 平均油温， ； RT 、 ZT 加热站的出站、进站温度， 。 nts第 1章 工艺说明书 - 5 - 1.3.2 其它参数选取 （ 1）热站、泵站间压头损失 15m； （ 2）热泵站内压头损失 30m； （ 3）进站压力范围一般为 2080m； （ 4）年输送天数为 350 天； （ 5）首站进站压力 50m。 1.4 基础计算及经济管径选取 1.4.1 最优管径的选取 在规定输量下，若选用较大的管径，可降低输送压力，减少泵站数，从而减少了泵站的建设费用，降低了输油的动力消耗，但同时也增加了管路的建设费用。根据目前国内加热输油管道的实际经验，热油管道的经济流速在1.0 2.0m/s 范围内。经过计算，查 API 标准钢管规格确定标准管径及壁厚，最终选定为外管径 406.4，壁厚 7.9mm。 （ 1）密度计算 2020 tt （ 1-2） 式中 t 温度为 t 及 20 时的油品密度 ， kg/m3 ； 20 原油在 20时的密度 ， 20=885 /m3 温度纠正系数， kg/( 3m )， 20001315.0825.1 。 （ 2）初选经济管径 vQd x4 (1-3) （ 3）反算经济管径 v24dQ （ 1-4） 式中 流速， m/s d 管道内直径， m 1.4.2 粘温方程 nts第 1章 工艺说明书 - 6 - 根据粘度和温度的原始参数，用最小二乘法回归得到： =2.21136-0.0141136T （ 1-5） 1.4.3 总传热系数 K 管道传热由：（ 1）油流至管内壁的热传导； （ 2）管壁、沥青防腐层的热传导； （ 3）管外壁周围土壤的传热。 KD1=111D +i21 iiDD )1( +wD21（ 1-6） 2 = 1)D2h(D2h22wtwt wtD （ 1-7） 当（ wt Dh ） 2 时 ： 2 =wtD4h2wtD （ 1-8） 式中 Di， Di+1 钢管、沥青防腐层的内径和外径， m； i 导热系数， w/（ m）； Dw 管道最外围的直径， m； 1 油流至管内壁的放热系数， w/（ m2）； 2 管壁至土壤放热系数， w/（ m2）； t 土壤导热系数， w/（ m）； ht 管中心埋深， 1.5m。 1.5 热力计算 对于高含蜡及易凝易粘油品的管道输送，如果直接在环境温度下输送，则油品粘 度大，阻力大，管道沿途摩阻损失大，导致了管道压降大，动力费用高，运行不经济，且在冬季极易凝管，发生事故，所以为了安全输送，在油品进入管道前必须采取降凝降粘措施。目前国内外很多采用加入降凝剂或nts第 1章 工艺说明书 - 7 - 给油品加热的办法，使油品温度升高，粘度降低，从而达到降凝目的。 本设计采用加热的办法，提高油品温度以降低其粘度，减少摩阻损失，降低管输压力，使输油总能耗小雨不加热输送，并使管内最低油温维持在凝点以上，保证安全输送。 热油管道不同于等温输送的特点在于在输送过程中存在摩阻损失和散热损失两种能量损失，因此我们必须从两方面给油流 供应能量，由加热站供应热能，由泵站供应压力能。此外这两种损失相互影响，摩阻损失的大小决定于油品的粘度，而粘度大小又取决于输送温度的高低，通常管子的散热损失往往占能量损失的主导地位。当热油沿管路流动时，温度不断降低，粘度不断增大，水力坡降也不断变化。计算热油管道的摩阻时，必须考虑管路沿线的温降情况及油品的粘温特性。因此设计管路时，必须先进行热力计算，然后进行水力计算。此外，热油管的摩阻损失应按一个加热站间距来计算，全线摩阻为各站间摩阻之和。 1.5.1 热力计算说明 埋地不保温管线的散热传递过程是由三部分组成 的，即油流至管壁的放热，沥青绝缘层的热传导和管外壁至周围土壤的传热，由于本设计中所输介质的要求不高，而且管径和输量较大，油流到管壁的温降比较小，故管壁到油流的散热可以忽略不记。而总传热系数主要取决于管外壁至土壤的放热系数 2 1 值在紊流状态下对传热系数 k 值的影响可忽略。由于本设计中所输介质为高粘原油，故而在热力计算中考虑了摩擦生热对温升的影响。计算中周围介质的温度 0T 取最冷月土壤的平均温度，以加权平均温度作为油品的物性计算温度。由于设计流量较大，据经验，将进站温度取为 33zT ，出站温度取为 65RT 。然后由苏霍夫公式计算站间距 RL ，从而进一步求得加热站数 N 。 1.5.2 流态判断 nts第 1章 工艺说明书 - 8 - Re =dvQ4（ 1-9） 临界雷诺数 Re1 =787.59（ 1-10） =de2e=0.1 (1-11) 式中 d 内径 ， m； e 管内壁绝对粗糙度 ， m。 经计算 3000 Remin Remax Re1， 所 以各流量下流态均处于水力光滑区。 1.5.3 加热站数确定 由最小输量进行热力计算确定加热站数 。 加热站间距 LR 的确定 ： LR=a1bTTbTTZR 00加热站数 NR=Rll （ 1-12） i=mmmdQ 52 （ 1-13） 式中 a =GCDKb=CaGi（ 1-14） T0 管道埋深处年最低月平均地温 ， 取 1 ； G 原油的质量流量 ， /s； C 油品比热 kJ/(kg )， 取 2.1 kJ/(kg )； i 水力坡降 ； ,m 由流态确 定，因为处于水力光滑区 ， m=0.25, =0.0246； Q 体积流量 ， m3/s。 由式（ 1-13）（ 1-14） 0 0 5 1 4 8.03906.0 )10275.45(1 3 3 1 3.00246.0 75.4 25.0675.1 i nts第 1章 工艺说明书 - 9 - 53m i n10218.1101.274.115 4204.014.32432.2 CG Dka w b 972.14204.02432.28.9005148.074.115m i n wDKigG 则得站间距 56.599 7 2.1133 9 7 2.1165ln102 1 8.1 1 6 RLkm 加热站数 39.756.594 4 0 RLLN化整取 8N ，即初定八个加热站。所以 加热站间距 Rl 8440 55km 1.6 水力计算 当管路的流态在紊流光滑区时，摩阻仅与粘度的 0.25 次方成正比，可按平均温度下的油流粘度，用等温输送的方法计算加热站间摩阻； 先根据流量和管径判断流态。在大于 35时一直处于紊流水力光滑区，由平均温度求出平均粘度，再由列宾宗公式计算站间摩阻； 最大输量下求泵站数，首先反算出站油温，经过计算，确定出站油温为62.87。由粘温关系得出粘度等 数据，为以后计算打好基础。为了便于计算和校核，本设计中将局部摩阻归入一个加热站的站内摩阻，而忽略了站外管道的局部摩阻损失。 1.6.1 确定出站油温 不能忽略摩擦热的影响，用迭代法计算最大输量下的出站油温 TR： TR=T0+b+(TZ-T0-b)eal （ 1-15） i=mmmdQ 52 （ 1-16） 式中 、 m 由流态确定，水力光滑区： m=0.25， =0.0246； Q 体积流量， m3/s。 1.6.2 沿程摩阻 确定 H =1.01iL+ Z （ 1-17） 式中 Z 起终点高差， m，QZ ZZZ 。 nts第 1章 工艺说明书 - 10 - 1.6.3 翻越点 判断 根据管道纵断面图找到可能存在翻越点的点。 由公式：QZffQZZZiLHZZiLH111比较 H 与1fH的大小， 若 HHf 1则全程不存在翻越点；反之则存在。 1.6.4 泵的选型及泵站数的确定 因为流量较小，沿线地势较平坦，且从经济角度考虑并联效率高，便于自动控制优化运行，所以选用并联方式泵。 选型并根据设计任务书中的已知条件：选 200D-65 10 泵 。 泵的特性方程： H=795-0.006415Q1.75 （ 1-18） 额定流量 280m3 /h， %1.74 。 计算管道全线摩阻确定站内泵的个数： H=1.01iL+ Z 式中 Z 起终点高差， m。 确定泵站数 Np=mhHH总（ 1-19） 经计算，需要设 7 个泵站 1.7 站址确定及热力、水力校核 1.7.1 站址确定 根据地形的实际情况，本着热泵 站合一的原则，进行站址的调整。确定站址，除根据工艺设计要求外，还需按照地形、地址、文化、气象、给水、排水、供电和交通运输等条件，并结合施工、生产、环境保护，以及职工生活等方面综合考虑，当热站数和泵站数合一后，既要考虑满足最大输量下压能的要求，又要考虑最小输量下的热能要求，应满足： nts第 1章 工艺说明书 - 11 - （ 1）进站油温为 33； （ 2）根据进站油温反算出的出站油温应低于管道允许的最高出站油温； （ 3）进站压力应满足泵的吸入性能； （ 4）出站压力 不超过管线承压能力。 所以确定设 8个热泵站且平均布置无须进行调整站址如下表 1-4： 表 1-4 布站情况表 站号 站类型 里程（ km） 高程 (m) 1 热泵站 0 18 2 热泵站 55 33 3 热泵站 110 23 4 热泵站 165 33 5 热泵站 220 24 6 热泵站 275 32 7 热泵站 330 46 8 热泵站 385 40 1.7.2 热力、水力校核 由于对站址的综合考虑，使热站、泵站的站址均有所改变，因此必须进行热力、水力校核。求得站址改变后的 进出站温度、压力，以确保管线的安全运行。 各站进站压力均满足泵的吸入性能要求，出站压力均不超过最大承压，出站温度低于最高出站温度，校核合格。 （ 1） 进出站温度校核 为了满足工艺和热力要求，对以其输量校核时，应固定进站油温为33ZT ，根据初算时的 b 值和 a 值反算得出站温度 RT ，此时的 a 值和 b 值nts第 1章 工艺说明书 - 12 - 都是估算值，需进一步校准，由于对 b 值影响较大的是油品粘度 ，因而根据之前所得数据计算出平均温度下的油品粘度，进而得到水力坡降 i ，并由水力坡降 i 计算出 b 值和 a 值，再取进站温度为 34，根据所得的 a 和 b 重复以上步骤，得到准确的出站温度，校核其是否低于最高出站温度 60。 经过以上校核，又因是平均布站，故各站进出站压力一样。 (2)动水压力校核 动水压力是指油流沿管道流动过程中各点的剩余压力，即管道纵断面线与水力坡降线之间的垂直高度，动水压力的变化不仅取决于地形的变化，而且与管道的水力坡降和泵站的运行情况有关，经计算各站进站压力均满足泵的吸入性能要求，出站压力均不超过最大承压，校核合格。 表 1-5 最大输量下各站进出站压力 首站 2# 3# 4# 5# 6# 7# 8# 末站 进P m 50 25.195 25.39 76.55 75.75 57.945 34.14 30.335 42.53 出P m 617.72 592.915 664.05 644.275 643.47 625.665 601.86 598.055 表 1-6 最小输量下各站进出站压力 首站 2# 3# 4# 5# 6# 7# 8# 末站
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