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1 第三章 长距离输油管道 2 第一节概述 3 一 输油管道的分类 企业内部输油管道长距离输油管道原油管道成品油管道常温输送管道加热输送管道 经营方式 油品种类 是否加热 4 二 长距离输油管道的组成 输油站线路 5 三 长距离输油管道的特点 与公路 铁路 水路运输相比 管道运输的优点为 1 运输量大 6 管道运输的优点为 2 运费低 能耗小 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 7 管道运输的优点为 3 埋地管道受气候环境因素影响小 安全可靠 4 投资小 占地面积小 8 管道运输的局限性 适用于大量 单向 定点运输 不如车船灵活 有一经济 合理的输送范围 有极限输量的限制 最大输量受泵和管道限制 最小输量受加热设备的限制 输量小 温降大 9 第二节等温输油管道的工艺设计 10 输油管道工艺计算的目的 什么叫等温输油管道 所谓等温输油管道 输送轻质成品油或低凝点原油的长输管道 沿线不需要加热即指那些在输送过程中油温保持不变的管道 油温 地温 常数 11 一 输油泵站的工作特性 输油泵站的任务就是不断向管道输入油品 并给油流提供一定的压力能 以便维持管内流动 泵站工作特性就是输出的流量Q与压头H之间变化关系 也就是泵机组的联合工作特性 单台泵机组的工作特性取决于泵的类型和规格 还与原动机的类型相关 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 12 长距离输油管道采用离心泵或螺杆泵 但多数情况使用离心泵 离心泵的操作方式有串联和并联两种 主要根据工艺计算的结果来选择 串联用离心泵具有排量大 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 1 长输管道用泵 13 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 14 一 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H a bq2表示 对于长输管道 为便于工艺计算 离心泵特性常采用H a bq2 m的形式 其中a b为常数 m与流态有关 q为单泵排量 泵的扬程与流量的变化关系称为泵的工作特性 H Q 15 图2 1离心泵特性曲线 1 工作特性 Q H 2 效率特性 最高量左右7 区域为高效区 3 功率特性 特性曲线 16 2 改变泵特性的方法 改变泵特性的方法主要有 1 切削叶轮 2 改变泵的转速 3 进口负压调节 4 多级泵拆级 5 改变油品的粘度 17 二 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 即 H A BQ2 m 离心泵的操作方式有串联和并联两种 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 18 设有n1台型号相同的泵并联 即 则 输油泵站的工作特性H A BQ2 m 19 20 注意 并联时防止电机过载 21 2 串联泵站的工作特性 特点 各泵流量相等 q Q 泵站扬程等于各泵扬程之和 Hc 设有n2台型号相同的泵串联 则 22 23 24 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 25 并联泵机组数的确定 显然不一定是整数 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 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 26 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 串联泵的额定排量根据管线任务输量确定 27 二 输油管道的压能损失 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 为沿程摩阻 为局部摩阻 为计算高程差 28 二 沿程摩阻损失与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 29 表不同流态的 值 30 不同流态下得A m 值 三 流量压降综合计算公式 列宾宗公式 31 四 管路的水力坡降 32 五 管路工作特性 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 33 34 分析 影响管路特性曲线的因素 1 起 终点高差的影响2 管径的影响3 管长度的影响4 运动粘度的影响5 输量的变化对管特性无影响 35 三 离心泵站与管路的联合工作 泵站与管路的工作点的方法有两种 即图解法和解析法 A H HA QA Q 管路特性曲线 泵站特性曲线 36 1 一个泵站的管道 由断面1 1到2 2列能量方程有 式中 HS 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 37 即 38 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 39 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 40 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 41 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 42 四 等温输油管道的工艺计算 工艺计算解决的问题 1 确定最优的设计参数 管径 出站压力 输油站数目 管道的壁厚2 确定输油站的位置3 输油工况的计算4 超压保护的计算5 提高输送能力的计算 43 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 2 油品密度 44 3 油品粘度 油品粘度一般用粘温指数公式计算 4 计算流量 设计时年输油时间按350天 8400小时 计算 45 5 经济流速长输管路 1 2米 秒我国目前对DN300 700mm的含蜡原油管道 设计时取1 5 2米 秒 成品油管道取2米 秒 6 管径的选择 D大 管材 安装费用大 管理费用降低 设备费小D小 管材 安装费低 泵站投资增加 日常管理费大 46 7 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 表示管路的实际长度 即管路的里程 常用比例为1 10000到1 100000 纵坐标 表示管路的海拔高度 即管路的高程 常用比例为1 500到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 47 i 48 纵断面图分析 由纵断面图知 为泵站的出站压力 为x段上的摩阻损失 为x段的高差 为a点液流的剩余压能 称动水压力 动水压力 它是管路沿线任一点水力坡降线与纵断面线之间的垂直距离 在e点 其动水压力为0 需要重新加压才能使液体继续向前输送 49 二 翻越点和计算长度 H Hf F Lf 50 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 51 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 52 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 略 图解法 管路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交点F相切 则F点即为翻越点 53 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 54 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 管段中压力为输送温度下油品的蒸气压 不满流的存在将使管路出现两相流动 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 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 55 4 计算长度 管路起点与翻越点之间的距离称为管路的计算长度 管路上存在翻越点时 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 56 三 泵站数的确定 原则是 该压头要充分利用管路的强度 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 首先选择泵的型号和串并联泵机组数 确定泵站特性 57 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 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 1 n化为较大整数2 n化为较小整数 58 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 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 59 泵站站址的确定方法 1 按纵横坐标比例画纵断面图 2 由泵站的出站扬程确定a 点 3 由a 点做水力坡降线交于地形图上b点 4 考虑泵的吸入和泵站出口超压 确定泵站的可能布置区 5 确定第二泵站的b 点 做水力坡降线 确定下一泵站的可能布置区 60 Hd1 Hc hc b 1 b e b1 d a a Hsmax Hsmin 61 第三节热油输送管道的工艺计算 一 热油管道的温降计算 一 加热输送的特点 热油管道沿线的油温不仅高于地温而且还高于原油的凝点 与等温管相比 热油管道的特点是 沿程的能量损失包括散热损失和摩阻损失两部分 散热损失和摩阻损失互相联系 且散热损失起主导作用 沿程油温不同 油流粘度不同 沿程水力坡降不是常数 I const 62 或 上式即为轴向温降基本公式 也就是著名的苏霍夫公式 根据进入加热站间距LR 可求得下一站的进站油温为 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 则L处的油温TL为 二 热油管道沿程温降计算 1 轴向温降基本公式 63 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2 3 因此为了减少热损失 出站油温不宜过高 64 2 温度参数的确定 加热站出站油温的选择 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 重油管道的加热温度常较高 管外常敷设保温层 含蜡原油加热温度不宜过高 65 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 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 设计热输管道时 T0一般取管道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 66 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 T0已定 按上述原则选定TR和TZ 则加热站间距为 设计的加热站间距为 因此还要反算TR 67 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 当及站间其它热力参数即T D K LR一定时 对应于TRmax Tzmin的输量即为该热力条件下允许的最小输量 68 二 热油管道的摩阻计算 一 热油管道摩阻计算的特点 热油管道的摩阻计算与等温管路不同的特点在于 1 沿程水力坡降不是常数 T i 水力坡降线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 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的变化才是连续的 69 二 计算热油管道摩阻方法 热油管道摩阻计算有两种方法 1 平均温度法 具体步骤 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 按管道起终点平均温度下的油流粘度 用等温输送的方法计算一个加热站间的摩阻 70 2 粘温关系法 根据粘温关系式 计入粘度随温度的变化 推导摩阻计算式 应用不方便 在工程设计中很少使用 主要用于热油管道摩阻影响因素的理论分析 71 三 确定和布置加热站 泵站 一 确定加热站数及其热负荷 确定了加热站的出 进口温度 即加热站的起 终点温度TR和TZ后 可按冬季月平均最低地温 及全线的近似K值估算加热站间距lR 加热站站数nR按下式计算并化整 式中 L 管路总长 m lR 初步计算的加热站间距 m 72 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计算如下 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为 式中 R 加热系统效率 E 燃料油热值 kJ kg 73 二 确定泵站数 布站 热油管路泵站数的确定不同于等温管的特点 泵站数不仅取决于管径和泵站的工作压力 还取决于热力条件 即必须在热力条件已定的基础上计算全线摩阻损失以确定泵站数 热油管道的泵站布置不同于等温管道 其特点是 1 加热站间管道的水力坡降是一条斜率不断增大的曲线 2 在加热站处 由于进 出站油温突变 水力坡降线的斜率也会突变 而在加热站之间 水力坡降线斜率逐渐变化 如下图所示 74 75 初步布站后 应调整加热站 泵站位置 尽可能合并布置 若管道初期的输量较低时 所需加热站数多 泵站数少 待后期任务输量增大时 所需加热站数减少 泵站数增多 76 四 热油管道经济运行方案 运行方案的经济性一般可用能耗费用S来衡量 对于热油管道 能耗费用包括动力费用Sp和燃料费用SR 77 式中 ey 燃料油价格 元 吨 ed 电力价格 元 Kwh BH 燃料油热值 kJ kg Cy 所输油品比热 kJ kg R 炉效率 pe 泵机组效率 H 加热站间管路所需压头 m LR 热站间距 km 78 对于一条已定管线 当输量Q一定时 TR上升热损失增大 燃料费用SR上升 但由于站间平均温度升高 摩阻减少 动力费用SP下降 SR和SP随TR的变化关系如图所示 总能耗费用存在一个最低点Smin 与Smin对应的出站油温即为该输量下的经济加热温度T Rj 此时管路所需的压头为H Rj 与H Rj最接近的开泵方案即为最优开泵方案 79 投产程序一般包括 各站单体及整体冷热水试运 冲洗清扫站间管路 预热管路 一般采用热水预热 通油投产 管线预热达到要求并全面检查合格后便可投油 五 热油管道的启动投产 热油管路的启动方法 1 冷管直接启动 3 加稀释剂或降粘剂启动 2 预热启动 80 六 热油管道的停输温降及再启动 1 事故停输 停输分类 2 计划停输 停输后 温度降低 粘度增大 管道的再启动压力增大 管道的允许停输时间与许多因素有关 可以根据经验和实验数据确定 81 一 热含蜡原油架空管道的停输温降 其降温过程可分为三个阶段 第一阶段 T TSL 第二阶段 TNG T TSL 一方面蜡不断结晶析出 随着凝油层的不断加厚 热阻增加 另一方面 油流粘度增大 也使自然对流减弱 而蜡的结晶析出又放出潜热 下降 温降缓慢 自然对流放热 放热强度大 故温降快 较大 没有大量的蜡晶析出 第三阶段 T TNG 管内存油全部变成凝油 传热方式变为纯导热 82 当油温处于第一阶段时 再启动是没问题第二阶段 管断面上已部分地形成网络结构但一般来说再启动也不会太困难第三阶段 由于整个断面上已全部形成网络结构 再启动会遇到困难 因此 第二阶段是再启动的关键阶段 83 二 埋地管道停输温降 埋地热油管的温降过程可分为二个阶段 管内油温较快地冷却到略高于管外壁土壤温度 管内存油与土壤作为一个整体而缓慢冷却 埋地管道停输后的温降不同于架空管道的特点 蜡晶析出放出潜热而使温降减慢的第二阶段不明显 84 停输再启动 管道中充满了冷油时 一般在管道允许的最大工作压力下 用低粘油品 水或热油作顶挤介质 把管内存油顶挤出去 大致分为两个阶段 顶挤开始至顶挤液到达管道终点 继续冲刷粘附在管壁的高粘原油 三 停输后再启动过程 85 第四节顺序输送 顺序输送 也称为交替输送 在同一条管道内 按一定批量和次序 连续地输送不同种类油品的输送方法 顺序输送的应用范围 1 输送性质相近的成品油 如汽 煤 柴及各种重油 农用柴油和燃料油等 2 输送性质不同的原油 86 一 顺序输送工艺的特点 1 产生混油 在两种油品的交界面处会产生混油 形成两种油品的混油段 为了减少混油 输油顺序的安排一般要考虑 使性质相近的两种油品相邻 如 汽 煤 柴 煤 汽 煤 柴 油品互相不产生有害影响 2 首 末站需要较大的油罐容量 87 3 需要较高的自控水平和可靠的检测仪表 4 批量和循环次数需要优化 批量 顺序输送管道 一次输送某种油品的量 循环周期 由不同的几种批量油品组成的一个循环 完成一个循环所需要的时间 循环次数 一年内完成的循环周期数 最优的循环次数 对于一条顺序输送的管道 对应综合费用最低的循环次数 88 5 混油段需要切割处理 混油分为混油头 混油尾和混油段 一般把混油头切入前行油品罐中 混油尾切入后行油品罐中 把中间的混油段切入专门的混油罐中 有时可以把混油分两段切割 分别切入两种纯油罐中 与两种纯净油品调和后出售 89 6 顺序输送时管道的水力特性不稳定 顺序输送管道 当两种油品在管道内交替时 随着两种油品在管内运行长度的变化 管道的运行状态处于缓慢的瞬变过程中 运行参数 输量 各站的进出站压力 随时间而缓慢变化 图中 A 输送A油时的泵站特性 B 输送B油时的泵站特性 输送A油时的管道特性 输送B油时的管道特性 A油为轻油 在两种油品相互交替的过程中 泵站 管道系统的工作点将经历由点1 点2 点3和由点3 点4 点1的跃变 渐变的过程 泵站排量和压力沿着1 2 3 4四条曲线段变化 90 二 顺序输送中的混油及检测方法 混油类型有两种 91 检测混油的方法 1 按密度变化确定混油浓度 92 93 2 以超声波测量混油浓度 声波在不同油品中的传播速度各不相同 超声波检测仪就是利用这一原理 连续测量并记录超声波通过输油管时的速度 来区分管内油流的品种和混油浓度 94 3 利用示踪原子检测混油浓度 在管路起点把含有放射性同位素的溶液加在两种油品的分界面处 放射性同位素随着油品的混合而扩散 在各检测点利用专门的仪表测量放射性同位素的放射强度 即可得知混油浓度的分布情况 95 4 光学法检测混油浓度 根据混合油品的透明度或折光率随浓度组成不同而变化的特性 可利用折光仪测定浓度 也可以在后一种油品开始进入管路时加一部分颜色 用比色法测定浓度 此种方法精确度较差 96 三 减少