输油管道设计与管理二.ppt

第二章等温输油管道的工艺计算 作业 拟建一条长690公里 年输量为600万吨的轻质油管线 已知原始资料 1 管路埋深1 5米处的月平均地温 2 油品密度 20 867 5kg m3 3 油品的粘温特性 4 可选用的离心泵型号规格 P24 或按照最新的泵机组样本进行选择 网上搜索或图书馆查阅相关手册 5 首站进口压头取 H1 45m 站内摩阻取15m 6 管材选用见P64和附录一 附录二 7 线路高程 第二章等温输油管道的工艺计算 作业 设计要求 提示 先采用手算 步骤熟悉后再采用电算 作业本中要体现手算过程 1 合理选择泵型号和泵站的组合方式 并查有关资料作所选型号的泵在输此油品时特性数据的换算 2 选取合适的管径 计算壁厚并取整 然后计算管道的承压能力和对应的允许最大出站压头 3 取管道的当量绝对粗糙度e 0 03mm 计算所需的泵站数 4 将计算的泵站数取大化整 然后提出三项经济可行的措施使输量保持不变 并对每种措施作相应的计算 双号学生选作 5 将计算的泵站数取小化整 分别计算所需副管的长度 管径与主管相同 大一个等级的变径管长度 大两个等级的变径管长度 并进行管材耗量的比较 单号学生选作 6 校核 夏季高温时和冬季低温时各站的进 出站压力 并调整站址 7 设副管敷设在首站出口位置 求第一站间动水压头Hx的表达式 并检查全线动水压头和静水压头 8 求管道系统的最大和最小输量及相应的电机的总输出功率 输油管道设计与管理 第一部分 上次课总结复习加热输送的特点热油管道热力计算基本公式 第三章热油输送管道的工艺计算 温降规律及影响因素1 如何考虑水力坡降 2 加热站间管路各处温度梯度是不同的 出口段温降快 进口段温降慢 3 管道埋深处土壤温度T0不同 温降情况也不同 夏季T0高 温降慢 冬季温降快 温降规律及影响因素4 对温降影响最大的是总传热系数K和流量G K值增大 温降将显著加快 大流量下沿线的温度分布要比小流量时平缓得多 流量减少 终点油温急剧下降 第三章热油输送管道的工艺计算 摩擦生热对温度的影响 P79 1 2 Q 粘度越大 b越大 K越小 b越大 说明摩擦生热的影响越大 3 分三种情况 公式的应用求沿线温度分布已知终点温度TZ 求起点温度TR求最小安全输量 P82 在允许的最高出站温度和最低进站温度下保证管道安全运行的最小输量 第三章热油输送管道的工艺计算 运行时反算总传热系数确定站间距和加热站数计算加热站热负荷和燃料消耗 蜡结晶的影响1 按输油平均温度下的比热容计算 2 实测含蜡原油比热容随温度变化的数值 整理成原油比热容一温度 c T 关系曲线关系式 管道分段计算温降时代入相应温度下的c值计算 3 实测含蜡原油单位温降的析蜡率及其结晶潜热 将它的影响计入原油比热容的变化 油流过泵温升 第三章热油输送管道的工艺计算 流态的转换流态的转变由雷诺数确定 设临界雷诺数为Rekp 对于高粘高凝原油 Rekp 1000 2000计算临界粘度 并由此确定临界温度Tkp 利用温度计算公式 可以求出发生流态变化时的输送距离 第三章热油输送管道的工艺计算 温度参数的确定 P80 1 地温T0 对架空管道 T0取最低月平均气温 对热油管道来说 地温T0取最低月平均地温 对最高月平均温度的温降和热负荷进行校核 该温度与管道埋设深度有关 从工艺的角度来看 埋设深度越大 T0越高 运行时 按实测温度核算 第三章热油输送管道的工艺计算 第三章热油输送管道的工艺计算 2 加热站出站温度 从热油管道温降规律来看 加热温度不宜太高 从粘温特性和其它物理性质考虑 原油可达80 100 对重油 可达到100 120 左右 如含水 则不应超过100 为防止气化 原油的加热温度最好不超过其初馏点 对高含蜡原油 温度不宜过高 一般不超过70 对高粘原油 温度可高一些 可达到120 从防腐绝缘层来考虑如采用沥青绝缘防腐层 油温高 易老化和流淌 对其它防腐层 也应该考虑其高温性能 温度应力的考虑在确定加热温度时 还必需考虑由于运行和安装温度的温差 而使管道遭受的温度应力是否在强度允许范围内 3 加热站进站温度加热站进站油温主要取决于经济比较 对凝点较高的含蜡原油 由于在凝点附近时粘温曲线很陡 故其经济进站温度常略高于凝点 习惯上取高于凝点3 5 对高粘原油 无限制 但要考虑对摩阻的影响 第三章热油输送管道的工艺计算 3 2 2热力计算原始资料 P84 1 原油物性参数密度和相对密度比热容液态原油和成品油的比热容cy在输送温度范围内的变化趋势相同 比热容随温度的升高而缓慢上升 可按下式确定 第三章热油输送管道的工艺计算 含蜡原油当油温低于析蜡温度时 由于蜡晶析出放出结晶潜热 比热容中包含了固相的cy及蜡晶潜热 不同的原油 或同种原油在不同的温度范围 变化情况有所不同 第三章热油输送管道的工艺计算 图3 4四种含蜡原油的比热容 温度曲线 导热系数原油和成品油在管输条件下的导热系数约在0 1 0 16W m 之间 大致计算可取0 14W m 油品呈半固态时导热系数比液态时要大 石蜡的平均导热系数可取2 5W m 粘度美国材料协会推荐方程 粘温指数关系 第三章热油输送管道的工艺计算 2 土壤的热物性参数土壤的导热系数土壤的导热系数取决于土壤的种类及土壤的孔隙度 温度 含水量等 其中含水量的影响最大 土壤的导热系数是一种统计特性 一般通过实验资料进行统计处理 应在不同季节 在管道沿线每隔一定距离 20km左右 测定土壤导热系数 也可以取土样在实验室测定或在现场用探针法测量 在设计管道时应根据线路具体条件确定土壤导热系数 第三章热油输送管道的工艺计算 土壤的导温系数 3 钢管 保温层 防腐绝缘层的导热系数 4 空气的密度 导热系数 粘度3 2 3热油管道的总传热系数 P91 管道总传热系数K系指油流与周围介质温差为l 时 单位时间内通过管道单位传热表面所传递的热量 它表示油流至周围介质散热的强弱 在计算热油管道沿程温降时 K值是关键参数 第三章热油输送管道的工艺计算 第三章热油输送管道的工艺计算 1 热油管道的散热过程 传热学中常采用每米管长的传热系数KL 它等于单位管长热阻RL的倒数 表示油流与周围介质温差为l 时 单位时间内每米管长所传递的热量 但工程上习惯采用总传热系数K 它们之间的关系如下 第三章热油输送管道的工艺计算 2 油流至管内壁的放热系数 1放热强度决定于油的物理性质及流动状态 可用 1与放热准数Nu 自然对流准数Gr和流体物理性质准数Pr间的数学关系式来表示 1 在层流时 且时2 紊流情况下 时 第三章热油输送管道的工艺计算 3 过渡区由上述一系列计算式可见 紊流状态下的 1要比层流时大得多 通常情况下都大于100W m2 二者可能相差数十倍 因此 紊流时的 1对传热系数的影响很小 可以忽略不计 而层流时 1必须计入 3 管壁的导热管壁的导热包括钢管 或非金属管 防腐绝缘层 保温层等的导热 钢管壁导热热阻很小 可以忽略 绝缘层 其热阻约占埋地管道总热阻的10 15 保温管道上 保温层的热阻是起决定影响的 特别是架空或水下敷设的管道 保温层热阻是最主要的 第三章热油输送管道的工艺计算 4 管外壁至大气的放热系数 2a 5 管外壁至土壤的放热系数 2埋地管道管外壁至土壤的传热是管道散热的主要环节 管外壁的放热系数是管道散热强度的主要指标 传热学中将埋地管道的稳定传热过程简化为半无限大均匀介质中连续作用的线热源的热传导问题 在相关假设条件下得计算公式 第三章热油输送管道的工艺计算 假设条件与实际不相符 石方段的导热系数计算 地表上覆盖层的影响 6 埋地管道总传热系数的选用 P99 100 埋地不保温管道的K值主要取决于管道至土壤的放热系数 2 土壤导热系数受到多种因素影响 土壤的含水量 温度场 大气温度等的变化都影响到 2的大小 故难以得到准确的计算结果 设计时 我国均采用经验方法确定K值 常采用反算法计算已正常运行的热油管道的K值 作为同类地区新设计管道的参考值 根据运行中热油管道较稳定工况的运行参数 带入温降公式 计算K值 从大量计算值中总结出K值的变化范围 设计时参照稳定的K值适当加大 作为新设计管道的总传热系数 这样既照顾了投产时对加热能力较大的需求 又不致使加热炉热容量过大 第三章热油输送管道的工艺计算 3 3热油管道的水力计算 P100 3 3 1热油管道水力计算的特点1 热油管道沿线单位长度上的摩阻损失 水力坡降 不是定值 水力坡降线是一条斜率逐渐增大的曲线 计算热油管道的摩阻损失时 必须考虑管道沿线的温降情况及油品的粘温特性 即先热力计算 后水力计算 2 水力计算以加热站间距为一个计算单元 全线摩阻损失为各加热站间摩阻的总和 第三章热油输送管道的工艺计算 3 3 2热油管道摩阻计算方法 1 理论计算方法 P102 103 利用温降公式 粘温关系式以及摩阻计算公式得到热油管道摩阻计算的理论公式 由 得 其中lR为加热站间距 在一个加热站间积分得 第三章热油输送管道的工艺计算 hT0 由则 简记为 l为热油管道轴向温降的摩阻修正系数若以不同的粘温方程来推导摩阻计算公式 可以导出不同的 l计算式 第三章热油输送管道的工艺计算 2 平均温度计算方法 P101 思路 按管道起终点的平均温度下的油流粘度 用等温输送的方式计算一个加热站的摩阻 具体步骤如下 1 计算加热站间油流的平均温度Tpj 2 由粘温关系确定温度为Tpj时的油流粘度 3 计算一个加热站间的摩阻hR 理论平均温度也可加权取值或 第三章热油输送管道的工艺计算 3 分段计算法思路 将整个站间管道分为若干段 每段内按平均温度计算法计算其摩阻损失 各段摩阻损失之和即为整个站间管道总的摩阻损失 计算步骤 1 作粘温曲线2 作站间温降曲线 3 根据临界雷诺数计算临界粘度 从而判断沿线流态的变化 4 将加热站间管段分成若干小段 每一小段温降不超过3 5 5 计算平均温度 第三章热油输送管道的工艺计算 6 由确定 7 计算第i小段的摩阻hi 8 9 计算总压头 若有Nq个加热站 且各站进出站温度相同 则10 泵站数 第三章热油输送管道的工艺计算 4 径向温降对摩阻的影响 P103 油流径向存在一定的温度场分布 径向温差会引起油流在径向的对流运动 由于径向温降引起的扰动及管壁附近油流粘度的增大 会引起附加的压头损失 在层流时影响大 用径向温降摩阻修正系数来修正计算摩阻 在紊流时 径向温降对摩阻损失的影响很小 对某些流态为层流的重油管道 r约在1 1 1 4之间 第三章热油输送管道的工艺计算 3 4加热站和泵站的布置3 4 1加热站的布置1 如果每个加热站的站间沿线K值大致一样 则各进出口温度也大致相同 则可按等距离布置加热站 与高差无关 2 若沿线K值相差较大 则按实际计算的加热站间距分别布置热站 3 4 2泵站的布置1 按平均温度法进行水力计算时的布站2 按分段计算法进行水力计算时的布站 第三章热油输送管道的工艺计算 1 作两加热站间管路水力坡降线 2 起点站 作水力坡降线 3 如果两泵站间有加热站 则水力坡降线发生转折 4 调整站址 尽可能使相距较近的热站和泵站合并在一起 热油管道的泵站及加热站的布置 第三章热油输送管道的工艺计算 3 4 3各参数的校核在加热站和泵站确定以后 应该按已定的站址计算各站的操作参数和各季度的操作参数 各加热站进出站温度 热负荷 燃料消耗 确定各季度的加热站数 各泵站 热站的进出站压力 最大出站温度和最低终点温度下的最小安全输量 热力越站时各站的操作参数 水力越站时各站的操作参数 第三章热油输送管道的工艺计算 2 如何作管路特性曲线和工作点从温降公式可以看出 不同的流量Q 温度变化情况不同 管路中油流的平均温度不一样 因此粘度不一样 摩阻也不一样 因此 在布置泵站时 只能利用近似地作出管路特性曲线来求得工作点 注意事项 1 如何判断翻越点按任务输量和平均温度下的粘度计算水力坡降线 在纵断面图上初步判断翻越点 也可以通过计算 以后再根据工作点流量进行校核 第三章热油输送管道的工艺计算 3 5热油管路的特性曲线 P199 120 对等温管道 对热油管道 即 Q的变化引起流速和粘度的变化 而且二者的变化趋势是相反的 其关键是流量变化会引起温度的变化 3 5 1流量的变化对温度影响的变化趋势分析TR保持不变时 流量Q变化TZ的影响 第三章热油输送管道的工艺计算 1 在小流量范围内 流量增加 TZ的变化不大 流量的增加对温度增加的影响不大 对粘度产生的影响小 2 当流量继续增加 TZ的增加很快 平均油温增加也快 流量的增加 油流的粘度下降很明显 3 如果流量再继续增加进入大流量区 此时TZ的增加变缓 在大流量区 流量的增加 对粘度产生的影响小 进站温度随流量的变化关系曲线 第三章热油输送管道的工艺计算 3 5 2热油管路的特性曲线小流量区 中流量区 大流量区 热油管道管路特性曲线 第三章热油输送管道的工艺计算 分析 III区是工作区 I区是非工作区 II区为不稳定区 因为如果在II区工作 如果某些原因引起流量下降 则摩阻反而增大 从而迫使泵的排量进一步减少 直到进入I区 因此操作中应该避免工作点出现在II区 热油管道管路特性曲线 第三章热油输送管道的工艺计算 对高含蜡原油 一般不会出现 区 因为对高含蜡原油 热站进站温度TZ 凝固点 在TZ到TR的温度变化范围内 粘度的变化比较平稳 而且对含蜡原油一般在紊流区工作 此时 对高粘原油 出现 区的可能性较大 主要是高粘原油的粘温曲线比较陡 而且高粘原油一般在层流区工作 综合分析 出现 区主要是在层流区 其根本原因是油的粘温曲线 在某个温度范围内 温度的微小变化 会引起粘度的急剧变化 从而使粘度成了影响摩阻的主导因素 第三章热油输送管道的工艺计算 3 6热油管道的日常运行管理3 6 1热油管道的经济运行方案 P210 目标函数 P211 当输送任务一定时 可用能耗费S作为衡量方案经济性的指标 其中包括泵机组的动力费SP和加热站的燃料费SR 第三章热油输送管道的工艺计算 约束条件包括 能量平衡约束 进出站压力约束 进出站温度约束 求解方法混合离散变量优化方法 第三章热油输送管道的工艺计算 3 6 2热油管道的启动与停输 P213 启动热油管道的启动的热力 水力工况属于不稳定工况 土壤稳定温度场的建立需要很长的时间 启动分为冷启动和热启动 大多数情况下都要预热 一般采用热水或轻质油 需要确定热油管道的启动时间 或者说管道的预热时间 预热时间采用理论或者经验公式 第三章热油输送管道的工艺计算 停输为防止热油管道在停输时发生 冻结 就必须知道热油管道的安全停输时间 在此时间内 对高凝原油 在停输的管道中不发生凝结 对高粘原油 其粘度不致会增加到压力损失超过泵站的最大允许压力 再启动a 顶挤 用低粘油品顶挤冷油b 管中心为液相的再启动c 胶凝原油管道的再启动 第三章热油输送管道的工艺计算 秦京线宝坻 大兴站出站温度TR与K值的关系 3 7影响热油管道能耗的主要因素 1 出站温度变化对热能消耗的影响提高加热站出站温度会使管道散热量增加 而且会使管道的总传热系数增大 因此过多的提高出站温度对进站油温的影响不大 在保证安全生产的前提下 根据所输原油的有关物理性质 凝点及粘温特性选择终点油温略高于原油凝固点进行输送是一项十分有效的节能措施 第三章热油输送管道的工艺计算 2 输油量变化对热能消耗的影响规定进站油温为一定值 假设其他参数不变 如果输油量增加 出站油温变小 管路的热损失就减少了 加热炉的燃料消耗量也会下降 第三章热油输送管道的工艺计算 3 管线总传热系数与结蜡厚度的变化对热能消耗的影响随着凝油层和结蜡层厚度的增加 管壁的热阻变大 值将会降低 管路的热损失就会减少 相应的管输能耗就会下降 但当蜡层厚度超过一定值时 管道总的综合能耗反而呈上升趋势 因此要根据管道的实际输量和不同的季节进行清蜡 使管道保持合理的蜡层厚度 这样可以有效地降低管道能耗 第三章热油输送管道的工艺计算 4 季节变化热能消耗的影响随着季节的变化 管道埋深处的自然地温将发生变化 使管线的总传热系数也发生变化 最终导致管输能耗发生变化 在 值下降的月份里 管道的散热损失减少 管输能耗下降 当 值上升时 情况正好相反 因此 在摸清管线的总传热系数随时间变化规律的基础上 根据不同的季节合理地调整加热炉的运行台数和负荷 在保证安全输油的前提下 力争使管线的热力能耗降到最低 第三章热油输送管道的工艺计算 5 电能消耗的影响因素和采取的措施输油电耗在总的能量消耗中占有相当大的比例 以东黄输油管道为例 其输油耗电费用占输油成本的4 左右 因此 节约电费开支是提高输油企业经济效益的重要环节 对于在役管线 由于输量逐年递减 使得输油泵 大马拉小车 的现象日趋明显 管线节流损失严重 能源浪费较大 要针对影响输油电能消耗的主要因素制定输油泵机组的运行方案和用电系统的节电管理措施 输油泵的耗电量与运行压力 出站压力 成正比 因此 在生产运行中以出站压力作为控制参数时 应根据出站压力的变化 选择不同型号的泵 做到大中小合理搭配 第三章热油输送管道的工艺计算 输油泵所消耗的功率与流量成正比 因此 要根据月 季下达的输油排量计划制订出正常排量 大排量及低排量输送工况下泵的优化运行方案 使输量与输油泵的额定输量尽可能一致 减少节流损失 输油泵所消耗的功率与泵效成反比 由于输油泵在长期的运行过程中工作效率会逐渐降低 致使电能消耗增大 因此 应从提高泵效入手来降低电耗 提高泵效一般从两方面进行 一方面是对泵机组本身进行技术改造 可采用车削叶轮 拆级 加装调速装置或调速电机等方法 另一方面是加强机组的检修 提高检修质量和设备完好率 注意杜绝跑 冒 滴 漏现象的发生 采取这些措施会收到明显的节电效果 第三章热油输送管道的工艺计算 3 8液化气的管道输送 P110 3 8 1分类LPG和LNG3 8 2输送工艺 1 特点天然气的管道输送 常以气态的形式进行 对于天然气的液化输送 目前多用于远洋贸易中 以油轮输送为主 LNG的管道输送多见于城市调峰装置和油轮装卸设施上 目前尚无采用低温管线长距离输送LNG的实例 理论研究表明 随着低温材料和设备技术的发展 建设长距离LNG输送管道在技术上是可行的 在经济上也是合理的 第三章热油输送管道的工艺计算 由于LNG的密度是天然气的600倍 与输气管道比较 输送相同体积的天然气 LNG输送管的直径要小得