输油管道设计与管理(2010级第6次课)-3学时

第二章等温输油管道的工艺计算 上次课总结复习动 静水压头校核与大落差管道设计等温输油管道的工况分析中间站停运工况 水力越站工况 漏油工况 泵站数的化整 Q2 Q1 Q 2 6 3输油管道的调节改变泵的工作特性 改变能量供应 改变运行的泵站数和泵机组数改变泵机组转速改变离心泵的叶轮直径离心泵撤级 改变泵的转速通过调整泵机组转速 调整泵的工作特性 适用于输量改变小的场合 对于串连泵机组全线可仅对一台泵实行调速 对并联泵机组 只需对部分泵机组进行调速 调速通过调整原动机转速或者调速器来实现 改变运行的泵站数或泵机组数调整范围大 适合于输量波动较大的场合 对串连泵机组 可以调整全线各站运行的泵机组数及大 小泵的组合 或改变全线运行的泵站数 对并联机组可以改变站内运行的泵机组数和全线运行的泵站数 换用 切削 叶轮直径适用于输量调整可持续时间较长的情况 切削叶轮有一定范围 多级泵撤级输量减少 需要扬程减少刚好接近一级或多级的情况 第二章等温输油管道的工艺计算 改变管道的工作特性调节出口管路阀门 节流调节 管道投产后 改变管道工作特性只能通过关小干线阀门的开度 人为增加阀门的局部阻力 从而改变管道总的能量消耗 故称为节流调节 简单易行 但能耗大 第二章等温输油管道的工艺计算 输油管道的调节原则保证完成任务输量的前提下 全线能耗费用最低 对密闭输送管道 全线综合考虑 优先改变泵站的能量供应 使节流损失最小 对旁接油罐方式 管道调节主要是各站间的协调 原则同上 当流量波动大时 应优先改变运行的泵站数或泵机组数 然后在小范围调整各站参数 各站自行调节过程中 尽量减少旁接油罐液位的变化 第二章等温输油管道的工艺计算 2 7等温输油管道的技术经济比较和工艺计算步骤2 7 1技术经济比较方法可行性研究阶段 对工程的各项技术要求 经济条件做出详细论证 提交可行性研究报告 初步设计阶段 从技术上和经济上对设计方案进行选择 最终选定方案 描述输油管道的参数包括 D P H N 这四个参数互有联系 可以组成不同的方案 对这些方案进行比较 选择经济上最优的方案 可以采用方案比较法进行评价 以年折合费用作为评价指标 第二章等温输油管道的工艺计算 2 7 2经济流速和经济管径最佳方案中的管径即是设计条件下 该设计输量所对应的最佳管径 换句话说 该设计输量就是所选管径对应的经济输量 此时管内的流速即为对应的经济流速 长输管道经济流速的变化范围 一般为1 0 2 0m s 表2 4 2 7 3输油管道的管材 P64 第二章等温输油管道的工艺计算 2 7 4输油管道工艺计算步骤原始资料1 输送量 包括沿线分油或加油量 2 管道起 终点 分油或加油点 及管道纵断面图 3 可供选用的管材规格 4 可供选用的泵 原动机型号及性能 5 所输油品的物性 6 沿线气象及地温资料 第二章等温输油管道的工艺计算 计算步骤1 计算年平均地温 2 计算年平均地温下的密度 3 计算年平均地温下的粘度 4 换算流量G Q 5 根据表 2 4 初定管径D0和工作压力 6 根据管道规格 选出与D0相近的三种管径D1 D2 D3 第二章等温输油管道的工艺计算 7 按任务输量和初定工作压力选泵 确定工作泵的台数以及组合情况 8 作一个泵站的特性曲线 确定任务输量下泵站提供的扬程HC 然后据此压头确定计算压力9 求壁厚 并进行强度校核 求出管道的内径 10 计算流速 11 计算雷诺数 判定流态 12 计算水力摩阻系数 计算水力坡降 第二章等温输油管道的工艺计算 13 纵断面图上判断翻越点 确定计算长度LP 14 计算输油管道计算长度全线的摩阻损失 15 确定全线需要的总压头 摩阻 高程差 16 求泵站数 并化整 17 采用方案比较法进行比较 确定最优方案 18 按最优方案的参数作全线泵站总特性曲线和管路总特性曲线 以此求得全线的工作点 第二章等温输油管道的工艺计算 19 按工作点流量求水力坡降ip 20 按水力坡降和工作点的压头在纵断面图上布站 确定泵站的位置 21 检查动 静水压头 校核各泵站的进出口压力 第二章等温输油管道的工艺计算 作业 一 泵站的布置二 分析漏油点后各站漏油前后进出站压力变化情况 并在纵断面图上作出变化趋势图三 某等温输油管道的工艺计算 大作业 拟建一条输油管道 全长690公里 输送某油田轻质原油到炼油厂 年输量为600万吨 输油管道设计与管理 第三章加热输送管道的工艺计算 第一部分 3 1加热输送的特点3 1 1易凝高粘原油的输送方式常温输送加降凝减阻剂 热处理 稀释 与表面活性物质水溶液混输 液环输送 热分解等方法 加热输送热油管道 其也可以分为加热站加热和伴随加热 蒸汽伴热 电伴热 主要用于油田内部集输管道和短管道 第三章热油输送管道的工艺计算 3 1 2加热输送的特点高粘原油和重质成品油 含蜡不多 宜在层流或混合流态下输送 此时加热对摩阻下降的影响明显 高含蜡原油或成品油 在紊流状态下输送 此时流速高 不容易结蜡 加热输送时仍然用雷诺数来判定流态 高粘油高凝原油 第三章热油输送管道的工艺计算 3 1 2加热输送的特点 1 两方面的能量损失 压力能与热能 2 对应两方面的工艺计算 水力计算与热力计算 而两者之间相互联系 相互影响 3 热油管道内介质的流态可能变化可层流 可紊流 也可以在混合流态下输送 第三章热油输送管道的工艺计算 3 2热油管道的热力计算热力计算的任务3 2 1热力计算基本公式轴向温降公式的推导令 图3 1热油管的温降曲线 忽略摩擦生热 Tx x T0 TR T 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