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文档简介
研究生入学考试考题油气储运专业综合考试(含答案)一、选择题(每题2分,共20分)1.以下哪种管材常用于长输天然气管道?()A.铸铁管B.无缝钢管C.塑料管D.钢筋混凝土管答案:B。无缝钢管具有强度高、密封性好等优点,适合长距离输送天然气等高压流体,而铸铁管多用于供水等低压系统;塑料管一般用于室内小口径管道;钢筋混凝土管常用于排水等领域。2.油品在管道中流动时,其雷诺数Re主要与以下哪些因素有关?()A.管径、流速、油品密度、油品动力粘度B.管径、流量、油品密度、油品运动粘度C.管径、流速、油品密度、油品运动粘度D.管径、流量、油品质量、油品动力粘度答案:C。雷诺数的计算公式为$Re=\frac{vd}{\nu}$,其中$v$是流速,$d$是管径,$\nu$是运动粘度,运动粘度$\nu=\frac{\mu}{\rho}$($\mu$是动力粘度,$\rho$是密度),所以雷诺数与管径、流速、油品密度、油品运动粘度有关。3.输油管道的摩阻损失与以下哪个因素的平方成正比?()A.管径B.流量C.油品密度D.管道长度答案:B。根据达西-威斯巴赫公式$h_f=\lambda\frac{l}{d}\frac{v^{2}}{2g}$,流量$Q=vA$($A$为管道横截面积),在其他条件不变时,摩阻损失与流速的平方成正比,也就与流量的平方成正比。4.天然气的压缩因子Z反映了天然气的()。A.压缩性B.流动性C.可燃性D.溶解性答案:A。压缩因子$Z=\frac{pV}{nRT}$,它是实际气体状态方程与理想气体状态方程的比值,反映了天然气偏离理想气体的程度,即天然气的压缩性。5.原油的凝固点主要取决于()。A.原油中的蜡含量B.原油中的胶质含量C.原油中的沥青质含量D.原油中的水分含量答案:A。原油中的蜡在温度降低时会逐渐结晶析出,形成网状结构,使原油失去流动性而凝固,所以原油的凝固点主要取决于蜡含量。6.油气集输系统中,常用的分离设备是()。A.过滤器B.换热器C.分离器D.泵答案:C。分离器的作用是将油气水等多相混合物进行分离,是油气集输系统中常用的关键设备;过滤器主要用于去除流体中的杂质;换热器用于热量交换;泵用于输送流体。7.对于埋地输油管道,为了防止土壤腐蚀,通常采用的措施是()。A.涂覆防腐涂层B.阴极保护C.两者结合使用D.增加管道壁厚答案:C。涂覆防腐涂层可以隔离管道与土壤的接触,减少腐蚀的发生;阴极保护则是通过外加电流或牺牲阳极的方式,使管道成为阴极而得到保护。两者结合使用能更有效地防止土壤腐蚀,单纯增加管道壁厚不是主要的防腐措施。8.长输管道的水力坡降线是指()。A.管道沿线各点的压力水头连线B.管道沿线各点的位置水头连线C.管道沿线各点的总水头连线D.管道沿线各点的流速水头连线答案:A。水力坡降线表示管道沿线各点的压力水头变化情况,反映了流体在管道中流动时压力的损失。9.油气储存中,浮顶油罐与拱顶油罐相比,其主要优点是()。A.造价低B.安全性高C.减少油品蒸发损耗D.占地面积小答案:C。浮顶油罐的浮顶随着油面的升降而升降,能减少油品与空气的接触面积,从而大大减少油品的蒸发损耗;一般来说浮顶油罐造价相对较高;安全性方面两者各有特点;占地面积与油罐的规格有关,并非浮顶油罐的主要优势。10.天然气脱水的主要目的是()。A.提高天然气的热值B.防止天然气在输送过程中形成水合物C.降低天然气的含水量以满足环保要求D.便于天然气的储存答案:B。天然气中的水分在一定条件下会形成水合物,堵塞管道和设备,脱水的主要目的就是防止水合物的形成;脱水对提高热值影响不大;环保要求不是脱水的主要目的;虽然脱水对储存有一定好处,但防止水合物形成是更关键的因素。二、填空题(每题3分,共30分)1.油气储运系统主要由油气生产集输、长距离输送和储存与销售三大部分组成。解析:油气从开采出来到最终到达用户手中,需要经过集输、长距离运输以及储存和销售等环节,这是油气储运系统的基本架构。2.牛顿流体的特点是切应力与速度梯度成正比,其比例系数为动力粘度。解析:根据牛顿内摩擦定律$\tau=\mu\frac{du}{dy}$,其中$\tau$是切应力,$\frac{du}{dy}$是速度梯度,$\mu$是动力粘度,符合该定律的流体为牛顿流体。3.原油的粘温特性是指原油的粘度随温度变化的特性,一般来说,温度升高,原油粘度降低。解析:原油中分子间的作用力随温度变化,温度升高,分子热运动加剧,分子间的束缚力减弱,导致粘度降低。4.天然气的主要成分是甲烷,其爆炸极限为5%-15%(体积分数)。解析:甲烷是天然气的主要成分,当天然气在空气中的含量处于爆炸极限范围内时,遇火源会发生爆炸。5.输油管道的水力计算主要包括沿程摩阻损失计算和局部摩阻损失计算。解析:流体在管道中流动时,会产生沿程的摩擦阻力损失和局部的阻力损失,准确计算这两种损失对于管道的设计和运行至关重要。6.油气集输流程按其密闭程度可分为开式流程和密闭流程。解析:开式流程中油气与大气有接触,而密闭流程能避免油气与大气接触,减少油品蒸发损耗和环境污染。7.油罐的附件主要有呼吸阀、安全阀、量油孔、人孔等。解析:呼吸阀用于调节油罐内的压力,保证油罐的安全;安全阀在油罐压力过高时起跳泄压;量油孔用于测量油罐内油品的液位等参数;人孔方便人员进入油罐进行检修等操作。8.管道的清管作业是为了清除管道内的杂质、积液和腐蚀产物,保证管道的输送效率和运行安全。解析:管道在运行过程中会积累杂质、积液和腐蚀产物,这些会增加管道的摩阻,降低输送效率,甚至影响管道的安全运行,清管作业可以有效解决这些问题。9.天然气水合物是由天然气中的烃类气体和水在一定的温度和压力条件下形成的笼形结晶化合物。解析:在低温高压条件下,天然气中的烃类气体(如甲烷等)分子会被水分子形成的笼形结构所包裹,形成水合物。10.管道的防腐涂层应具有良好的附着力、耐腐蚀性和绝缘性等性能。解析:良好的附着力能保证涂层牢固地附着在管道表面;耐腐蚀性可以防止涂层被周围介质腐蚀;绝缘性可以阻止电流通过,减少电化学腐蚀的发生。三、简答题(每题10分,共40分)1.简述原油加热输送的原理和优缺点。答:原理:原油的粘度随温度升高而降低,通过加热提高原油的温度,降低其粘度,从而减小原油在管道中流动的摩阻,提高管道的输送能力。优点:-可以输送高粘度、高凝固点的原油,扩大了可输送原油的范围。-降低了管道的摩阻损失,减少了输送所需的动力消耗,提高了管道的输送效率。缺点:-需要消耗大量的能源用于加热原油,运行成本较高。-加热设备和保温设施的投资较大,增加了管道建设的初期成本。-加热会使原油中的轻质组分挥发,造成一定的油品损失,同时也可能对环境造成一定的污染。2.分析天然气管道内形成水合物的危害及防止措施。答:危害:-堵塞管道和设备:水合物会在管道和设备中形成固体结晶,导致管道流通面积减小,甚至完全堵塞,影响天然气的正常输送。-损坏管道和设备:水合物的形成和分解过程可能会引起压力波动,对管道和设备造成机械损伤,缩短其使用寿命。-影响计量精度:水合物的存在会影响天然气的流量和压力测量,导致计量误差增大。防止措施:-脱水:通过脱水设备将天然气中的水分脱除到一定程度,使其在输送过程中不会形成水合物。常用的脱水方法有吸附法、吸收法等。-加热:提高天然气的温度,使其高于水合物形成的温度范围。可以采用加热炉等设备对天然气进行加热。-降压:降低天然气的压力,使水合物形成的条件不满足。但降压可能会影响管道的输送能力,需要综合考虑。-添加抑制剂:向天然气中添加水合物抑制剂,如甲醇、乙二醇等,改变水合物的形成条件,抑制水合物的生成。3.说明油气集输系统中多相流分离的基本原理和常用设备。答:基本原理:多相流分离主要是利用油气水等各相之间的密度差异、表面张力等物理性质的不同,在一定的设备和条件下,使各相实现分离。例如,在重力作用下,密度大的液体(水)会下沉,密度小的气体和油会上浮;利用离心力可以加速各相的分离。常用设备:-卧式分离器:结构简单,处理能力大,适用于气液分离。它利用重力使液体在底部沉降,气体从顶部排出。-立式分离器:占地面积小,适用于处理含液量较高的多相流。气体从底部进入,在上升过程中与液体分离,液体从底部排出。-三相分离器:可以同时实现油气水三相的分离。通过内部的分离元件和结构设计,使油气水在不同的区域实现分离。-旋流分离器:利用离心力进行分离,具有分离效率高、体积小等优点。多相流以切线方向进入旋流分离器,在离心力作用下,密度大的相被甩向外侧,密度小的相在内侧,从而实现分离。4.阐述输油管道泄漏检测的常用方法及其优缺点。答:常用方法及优缺点如下:-直接检测法:-人工巡检:通过工作人员定期在管道沿线进行巡查,直接观察管道是否有泄漏现象。优点是直观可靠,能及时发现明显的泄漏点;缺点是劳动强度大,检测范围有限,不能实时监测,对于微小泄漏难以发现。-光纤检漏:利用光纤传感器检测管道周围的温度、应变等物理量的变化来判断是否泄漏。优点是灵敏度高,可实现分布式监测,能准确定位泄漏点;缺点是成本较高,安装和维护难度较大。-间接检测法:-压力梯度法:通过监测管道沿线的压力变化,根据压力梯度的异常来判断是否泄漏。优点是简单易行,成本较低;缺点是对微小泄漏不敏感,容易受到管道运行工况变化的影响。-流量平衡法:比较管道进出口的流量,当两者差值超过一定范围时判断为泄漏。优点是原理简单;缺点是对于长距离管道,由于测量误差等因素,难以准确判断泄漏情况,且无法准确定位泄漏点。-声波检测法:利用泄漏产生的声波信号进行检测。优点是响应速度快,能快速发现泄漏;缺点是声波在管道中的传播受多种因素影响,定位精度有限,且容易受到外界噪音干扰。四、计算题(每题30分,共60分)1.某输油管道内径为500mm,油品的运动粘度为$1.5\times10^{-4}m^{2}/s$,流量为$0.5m^{3}/s$。试判断油品在管道中的流态,并计算每公里管道的沿程摩阻损失(取管壁绝对粗糙度$\Delta=0.2mm$,重力加速度$g=9.8m/s^{2}$)。解:(1)首先计算流速$v$:管道横截面积$A=\frac{\pi}{4}d^{2}=\frac{\pi}{4}\times(0.5)^{2}=0.1963m^{2}$流速$v=\frac{Q}{A}=\frac{0.5}{0.1963}=2.55m/s$(2)然后计算雷诺数$Re$:$Re=\frac{vd}{\nu}=\frac{2.55\times0.5}{1.5\times10^{-4}}=8500$因为$Re>4000$,所以油品在管道中的流态为紊流。(3)接下来计算沿程阻力系数$\lambda$:相对粗糙度$\frac{\Delta}{d}=\frac{0.2}{500}=0.0004$对于紊流,可采用莫迪图或柯列勃洛克公式计算$\lambda$,这里采用柯列勃洛克公式$\frac{1}{\sqrt{\lambda}}=-2\lg(\frac{\Delta}{3.7d}+\frac{2.51}{Re\sqrt{\lambda}})$采用试算法,先假设$\lambda=0.02$,代入公式右边:$-2\lg(\frac{0.2}{3.7\times500}+\frac{2.51}{8500\times\sqrt{0.02}})=-2\lg(0.000108+0.0053)=-2\lg(0.005408)\approx5.14$$\frac{1}{\sqrt{0.02}}\approx7.07$,假设值不准确。再假设$\lambda=0.022$,代入公式右边:$-2\lg(\frac{0.2}{3.7\times500}+\frac{2.51}{8500\times\sqrt{0.022}})=-2\lg(0.000108+0.0051)\approx5.23$$\frac{1}{\sqrt{0.022}}\approx6.74$,继续调整。假设$\lambda=0.023$,代入公式右边:$-2\lg(\frac{0.2}{3.7\times500}+\frac{2.51}{8500\times\sqrt{0.023}})=-2\lg(0.000108+0.0050)\approx5.26$$\frac{1}{\sqrt{0.023}}\approx6.6$,假设$\lambda=0.023$较为接近。(4)最后计算每公里管道的沿程摩阻损失$h_f$:根据达西-威斯巴赫公式$h_f=\lambda\frac{l}{d}\frac{v^{2}}{2g}$,$l=1000m$$h_f=0.023\times\frac{1000}{0.5}\times\frac{2.55^{2}}{2\times9.8}=0.023\times2000\times\frac{6.5025}{19.6}\approx15.17m$答:油品在管道中的流态为紊流,每公里管道的沿程摩阻损失约为15.17m。2.某天然气管道,管径为300mm,长度为50km,入口压力为5MPa,出口压力为3MPa,天然气的平均温度为20℃,压缩因子$Z=0.9$,天然气的相对密度为0.6(空气相对密度为1)。试计算天然气的流量(标准状态下,$p_0=0.1013MPa$,$T_0=293K$)。解:(1)首先计算天然气的密度$\rho$:根据理想气体状态方程$pV=nRT$,$n=\frac{m}{M}$($m$为质量,$M$为摩尔质量),则$\rho=\frac{m}{V}=\frac{pM}{RT}$空气的摩尔质量$M_{air}=29g/mol$,天然气的相对密度为0.6,则天然气的摩尔质量$M=0.6\times29=17.4g/mol=0.0174kg/mol$平均压力$p_{avg}=\frac{p_1+p_2}{2}=\frac{5+3}{2}=4MPa=4\times10^{6}Pa$温度$T=20+273=293K$实际气体状态方程$pV=ZnRT$,则$\rho=\frac{pM}{ZRT}=\frac{4\times10^{6}\times0.0174}{0.9\times8.314\times293}\approx31.4kg/m^{3}$(2)然后根据范宁公式$p_1^{2}-p_2^{2}=\frac{16\lambdaG^{2}LRTZ}{\pi^{2}d^{5}\rho}$($G$为质量流量)对于天然气管道,假设流动为紊流,可采用常用的经验公式计算$\lambda$,这里暂不详细计算$\lambda$,采用简化的输气管道流量公式$Q=\frac{\pi}{4}d^{2}\sqrt{\frac{(p_1^{2}-p_2^{2})d^{5}}{16\lambdaLRTZ}}$先不考虑$\lambda$,根据公式$Q_{sc}=\frac{QpT_0}{p_0T}$($Q_{sc}$为标准状态下的体积流量,$Q$为实际状态下的体积流量)根据能量方程$p_1^{2}-p_2^{2}=\frac{16\lambdaG^{2}LRTZ}{\pi^{2}d^{5}\rho}$,变形可得$G=\sqrt{\frac{\pi^{2}d^{5}(p_1^{2}-p_2^{2})}{16\lambdaLRTZ\rho}}$体积流量$Q=\frac{G}{\rho}=\sqrt{\frac{\pi^{2}d^{5}(p_1^{2}-p_2^{2})}{16\lambdaLRTZ\rho^{2}}}$假设$\lamb
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