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1、输油管道设计与管理,第二章等温输油管道的工艺计算,第一部分,2023/1/25,2,输油管道内存在一个能量的供应和消耗的平衡问题。输油站提供能量，油品在管道内流动消耗能量。输油管道的工艺计算就是要妥善解决沿线管内流体的能量消耗和能量供应之间的平衡。具体说来，在设计过程中要通过工艺计算，确定管径、选泵、确定泵机组数、确定泵站和加热站数及其沿线站场位置的最优组合方案，并为管道采用的控制和保护措施提供设计参数。在运行过程中，要根据输送条件的变化，合理确定各站的温度、压力等运行参数。为了达到上述目的，必须了解输油站的工作特性和管道中压力能和热能的损失规律。长距离输油管道的工艺计算包括四大部分：水力计算
2、、强度计算、热力计算以及技术经济计算。,2023/1/25,3,等温输送 是指相对于加热输送的一种输油方式。等温输送管道工艺计算要解决的问题：（1）确定经济上最为合理的设计参数（最优参数），包括：d、（壁厚）、PH（泵站出口压力）和泵站数。就是进行水力计算、强度计算、技术经济计算；（2）布置泵站、确定站址；（3）计算输油管道投产后在不同工况下的操作参数。,2023/1/25,4,2.1 工艺计算所需原始资料（p45）（1）输油量 设计任务书给定的最大任务输量为额定流量。计算时将年输量qm(104t/a)换算成计算密度下的体积流量qv(m3/h、m3/s)。输油管道的年工作天数一般按350天或8
3、400小时计算。,2023/1/25,5,（2）年平均温度tOCP tOCP是为了确定平均密度和平均粘度所需要的，也就是计算温度。由勘测选线资料提供的管路埋深处的土壤温度t0是每月的平均地温，因此年平均地温为：,2023/1/25,6,（3）油品密度 根据20时油品密度按下式换算城计算温度下的密度。式中 温度为t及20时的油品密度，kg/m3；温度系数，,kg/（m3）,2023/1/25,7,（4）油品的粘度（动力粘度，运动粘度）油品的粘度，一是可以通过粘温关系曲线来查找所需温度下的粘度，也可根据经验公式计算。运动粘度是动力粘度与同温度下该流体密度的比值。动力粘度的单位为Pas 运动粘度的单
4、位为m2/s,2023/1/25,8,美国材料试验学会（ASTM）推荐的粘温关系式：式中 运动粘度，m2/s；T绝对温度，K；a，b随原油而异的系数，可采用最小二乘法，由上式求得。,2023/1/25,9,粘度指数关系式：式中 1，2温度为t1,t2时的原油运动粘度，m2/s；t1,t2原油的温度，；粘度指数，可根据两个不同温度下的粘度计算。,2023/1/25,10,（5）管材的机械性质 指所选管材钢号的强度极限和屈服极限，以进行强度计算，从而确定和校核管子的壁厚。钢号或钢级以及最低屈服强度见GB50253-2003 输油管道工程设计规范表5.2.1 管径系列及壁厚见GB/T8163-199
5、9输送流体用无缝钢管，GB/T9711.1-1997石油天然气工业输送钢管交货技术条件第1部分：A级钢管，GB/T9711.2-1997石油天然气工业输送钢管交货技术条件第2部分：B级钢管,2023/1/25,11,（6）技术经济指标 输油管道的费用主要包括投资K和运行管理费用E，投资包括线路部分的投资（管道造价、施工、安装费用等，万元/公里）和泵站的投资（万元/个）。运行管理费用决定了输油的成本：,元/（吨.公里）,2023/1/25,12,1.静态比较用于初期方案比较。A.静态差额投资回收期法式中 I1，I2分别为两个方案的投资；C1，C2分别为两个方案的输油成本B.总费用法式中 I，C分
6、别为方案的投资及年输油成本；f投资效果系数，目前一般取0.14。,2023/1/25,13,.动态比较用于正式方案比选。费用现值比较法式中 I方案投资；C年经营总成本；f计算期末回收固定资产余值；计算期末回收流动资金；折现系数；i基准收益率或社会折现率；n计算期。,2023/1/25,14,（7）线路纵断面图 所谓线路纵断面图是表示已选定的，经过实际测定的输油管路长度与沿线高程按一定比例画在直角坐标系上的图形。其纵坐标表示输油管线的海拔高程，比例为1：500到1：1000，其横坐标为管路的实际长度，常用比例为1：10000到1：100000。纵断面图的起伏情况和管道的实际地形并不相同。沿线任意
7、两点的直线的长度并不由纵断面图上这两点的连线来决定，而是连接这两点的直线的长度在横坐标上的投影来决定。,2023/1/25,15,2023/1/25,16,2.2 输油泵站的工作特性（P23）泵站的工作特性 就是指泵站所输出的流量Q和压头H间的变化关系。可用H=f（Q）的数学关系式或曲线表示。2.2.1 离心输油泵的工作特性 单台泵机组的工作特性不仅取决于泵的类型和规格，还和驱动泵的原动机的类型密切相关。（1）固定转速离心泵的工作特性 在恒定转速下，泵的扬程与排量（HQ）的变化关系称为泵的工作特性。另外，泵的工作特性还应包括功率与排量（NQ）特性和效率与排量（Q）特性。,2023/1/25,1
8、7,2023/1/25,18,对固定转速的离心泵机组，可以由实测的几组扬程、排量数据，用最小二乘法回归泵机组的特性方程H=f（Q），为便于长输管道的应用，可近似表示为(2)调速泵的工作特性 根据离心泵的相似原理，转速变化后的泵特性可用下式描述,2023/1/25,19,(3)叶轮直径变化后的泵特性 在一定转速下，采用不同直径的叶轮，可以得到不同的泵特性。根据离心泵的切割定律，叶轮直径变化后的泵特性可用下式表示 叶轮切割量不能太大。否则切割定律失效，切割效率明显下降。(表21，允许切割量),2023/1/25,20,(4)流体粘度对离心泵工作特性的影响 泵样本上给出的离心泵特性是输送20清水的特
9、性。离心泵输送粘度比水大的液体时，由于泵内液体粘度的增加和流动状况的改变，使液体流经泵时的流动摩擦阻力损失增大。与输送清水时的额定工况相比，输送粘液时泵的扬程和排量都要减小，泵的效率要降低，泵的轴功率将增大。此外，液体粘度的增大，还会使泵的允许汽蚀余量增大，吸入特性变坏。液体粘度越大，这种变化越明显。,2023/1/25,21,当运动粘度在20106m2/s以内时，不需要换算；当运动粘度大于20106m2/s时，泵的效率需要换算；当运动粘度大于60106m2/s时，各项特性均需换算。输水时额定效率较高的泵，输送粘液时额定效率也相对较高。,2023/1/25,22,2023/1/25,23,(5
10、)离心泵的允许汽蚀余量（NPSHR）1）汽蚀余量与吸上高度泵入口处的绝对压力与汽蚀余量的关系为 允许汽蚀余量与吸上真空度的关系2）油品蒸汽压的影响 试验表明，离心泵所要求的允许汽蚀余量，不仅决定于泵的结构特征，还和所输液体的组成及热力学性质密切相关。对同一结构的泵，所输液体的蒸气压愈高，泵所要求的允许汽蚀余量愈低。（P29图23）,2023/1/25,24,2.2.2 泵站的工作特性泵站的工作特性是指泵站的排量Q与扬程HC之间的关系。由多台泵机组共同工作的泵站，其工作特性根据机组的组合情况，由各台泵机组的工作特性曲线并联或串联相加而得。并联机组：由并联泵机组特性并联相加，即同一扬程下，流量相加
11、而得出泵站的特性曲线。串联机组：同一流量下各串联机组扬程相加得到泵站特性。既串联又并联：同样根据上述的串并联的方法组合相加而得到泵站的特性曲线。,2023/1/25,25,既串联又并联如图所示四台泵机组（a）先串联，后并联（b）先并联，后串联最终得到同样的泵站特性曲线。,2023/1/25,26,泵站的工作特性方程 其可以用泵的特性方程根据串联特性组合而得到串联：如果Ns台相同型号的泵串联:并联：如果NP台相同型号的泵并联,2023/1/25,27,2.3 输油管道的摩阻计算 a.理想流体的伯诺利方程 动能原理：作用在物体上的各外力所作的功之和等于该物体动能的变化量。b.实际流体的伯诺利方程,
12、2023/1/25,28,管道输油过程中压力能的消耗主要包括两部分，一是用于克服地形高差所需的位能，对某一管道，它是不随输量变化的固定值；二是克服油品沿管路流动过程中的摩擦及撞击产生的能量损失转换成的液柱高度，通常称为摩阻损失，单位为（m液柱）。这部分能量损失是随流速及油品的物理性质等因素而变化的。2.3.1 摩阻损失 长输管道的摩阻损失包括两部分，一是油流通过直管段所产生的摩阻损失hl，简称沿程摩阻；二是油流通过各种阀件、管件所产生的摩阻损失，简称局部摩阻。,2023/1/25,29,2.3.1.1 流态划分 1.输油状态下的雷诺数 式中 输油温度下的油品运动粘度，m2/s；qv输油温度下的
13、油品体积流量，m3/s；d输油管道的内直径，m；v平均流速，m/s。2.临界雷诺数 紊流光滑区向混合摩擦区过渡的临界雷诺数Re1,2023/1/25,30,式中 管内壁相对粗糙度；e 管内壁绝对（当量）粗糙度,m。紊流混合摩擦区向粗糙区过渡的临界雷诺数Re2 3.流态的划分标准 层流：ReRe2,2023/1/25,31,2023/1/25,32,2.3.1.2 沿程摩阻 沿程摩阻损失用达西公式计算 水力摩阻系数是根据流体在管路中的流态来划分的，流态分为层流、紊流。,2023/1/25,33,（2）不同流态区水力摩阻系数的计算,2023/1/25,34,几点说明：管内壁绝对（当量）粗糙度e 无
14、缝钢管 e=0.06mm；螺旋缝钢管 DN250DN350：e=0.125mm，DN400以上：e=0.10mm。直缝钢管 e=0.054mm,2023/1/25,35,（3）沿程摩阻公式分析 1）列宾宗公式 将各流态区水力摩阻系数综合成:代入达西公式得到列宾宗公式 其中,2023/1/25,36,不同流态的A、m、（临界雷诺数近期计算公式）,2023/1/25,37,表中所列各流态区的摩阻计算式，反映了沿程摩阻与流量Q、粘度、管内径d、管长L间的相互关系。它们的共同点是：随着流量、粘度和管长的增大或管径的减小，沿程摩阻随之增大。但在各流态区，各参数的影响程度是不相同的。随着Re的增大，从层流
15、到紊流光滑区、混合摩擦区以至粗糙区，式中的m值由1、0.25、0.123变至0，随着Re的增大，输量、管径对摩阻的影响愈来愈大，而粘度对摩阻的影响由大变小直到没有影响。只有管道长度对摩阻的影响在各种流态时都相同。,2023/1/25,38,从表中可以看出，在不同流态下，除管道长度外，其它参数对沿程摩阻的影响程度各不相同，在各参数中，管径对摩阻的影响最大。因此，如要改变摩阻损失，变化管径效果最为明显。,2023/1/25,39,热原油管道上最常见的流态是水力光滑区；轻油管道也多在水力光滑区；输送低粘油品的较小直径管道可能进入混合摩擦区；热重油管道则以层流的情况居多。达西公式用来计算比较方便，而列
16、宾宗公式既便于计算，更便于分析。,2023/1/25,40,2.3.1.3 局部摩阻（1）泵站间的干线管道中局部摩阻损失的比例很小，在一般计算中，代之以增加附加长度。泵站间的干线管道的计算长度按下式计算：式中 L 干线管道的计算长度，m；Lr干线管道的实际长度，m;Ln附加长度,m。平原地区Ln=0.01Lr；山区Ln=0.02Lr。,2023/1/25,41,（2）泵站内的管道与众多的阀门、管件、设备相连，特别是在泵的吸入管道和调节阀的计算选择时，需要比较精确地计算管道的摩阻损失。管道局部摩阻损失为：或式中管件或阀件的局部阻力系数；v原油的计算流速，m/s。一般取阀件下游管内的平均流速。Ld
17、局部阻力当量长度，m。一般取阀件下游管径作为当量长度管径。,2023/1/25,42,管件或阀件的阻力系数由实验测定。紊流状态下各种管件或阀件的值近似为常数。实验数据是在0=0.022的紊流状态下测得，局部摩阻系数应按下式换算：层流时，局部阻力系数随雷诺数而变化。计算层流状态下的局部阻力系数需按下式修正:与雷诺数有关的修正系数。,2023/1/25,43,阀门的阻力系数与阀门的开度有关。一般阀门的阻力系数（调节阀除外）是指全开条件下的测定值。及各种管件、阀件的值，可查阅油库设计与管理或有关手册。管路系统中某些设备（如流量计、加热炉、换热器等）可视为局都阻力源。其摩阻损失可查阅产品说明书，或直接
18、向生产厂家查询。长输管道的场站可看为局部阻力元件。在设计时取定值。,2023/1/25,44,2.3.1.3 管道的压降计算 对管内径d和管长L一定的某管道，当输送一定量的某油品时，由起点至终点的总压降H可计算如下：式中 ZZ-ZQ表示管道终点与起点的高程差。2.3.2 管道的工作特性 定义：管道的工作特性系指管径、管长一定的某管道，输送性质一定的某种油品时，管道压降H随流量Q变化的关系。,2023/1/25,45,其数学关系式为,2023/1/25,46,管道的工作特性曲线 忽略局部阻力的影响，将上式用图形表示得到管道的工作特性曲线。一条管道（d、L、Z 一定），输送一种油品（一定）时，有一条一定的特性曲线。当d、L、和中有一参数发生变化时，就有另一条特性曲线。摩阻损失越大，曲线越陡。,图2-8 管道特性曲线,2023/1/25,47,
