某热油管道工艺设计计算与分析.doc

课程设计某热油管道工艺设计2010年12月31日目录1 总论41.1 设计依据及原则41.1.1 设计依据41.1.2 设计原则41.2 总体技术水平42工程概况63输油工艺72.1 主要工艺参数72.2 主要工艺技术74工艺计算84.1输油量换算84.1.1油品平均温度184.1.2油品密度计算184.1.3计算流量194.2 管径规格选择94.2.1 选择管径94.2.2 选择管道壁厚2104.3 热力计算（方案一）114.3.1管道中实际流速的计算114.3.2 总传热系数K的确定1114.3.3加热站间距的确定134.3.4计算出站温度1154.4 水力计算（方案一）164.4.1 计算输油平均温度下的原油运动粘度164.4.2流态判断174.4.3摩阻计算1184.5热力计算（方案二）194.5.1管道中实际流速的计算194.5.2 总传热系数K的确定194.5.3加热站间距的确定204.5.4计算出站温度1204.6 水力计算（方案二）214.6.1 计算输油平均温度下的原油运动粘度214.6.2流态判断214.6.3摩阻计算225 设备选型235.1 设备选型计算（方案一）235.1.1 泵的选型235.1.2 原动机的选型245.1.3 加热设备选型245.2 站场布置（方案一）245.2.1泵站数计算1：245.2.2管路的水力坡降1255.2.3泵站布置255.3 设备选型计算（方案二）275.3.1 泵的选型（同方案一）275.3.2 原动机的选型（同方案一）275.3.3 加热设备选型275.4 站场布置（方案二）275.4.1泵站数计算275.4.2管路的水力坡降285.4.3泵站布置286 泵站及管道参数校核296.1 动、静水压的校核（方案一）296.2 最小输量（方案一）296.3 动、静水压的校核（方案二）306.4最小输量（方案二）317 动态技术经济评价6328设计结果33参考文献341 总论1.1 设计依据及原则1.1.1 设计依据（1）国家的相关标准、行业的有关标准、规范；（2）相似管道的设计经验；（3）设计任务书。1.1.2 设计原则（1）严格执行现行国家、行业的有关标准、规范。（2） 采用先进、实用、可靠的新工艺、新技术、新设备、新材料，建立新的管理体制，保证工程项目的高水平、高效益，确保管道安全可靠，长期平稳运行。（3）节约用地，不占或少占良田，合理布站，站线结合。站场的布置要与油区内各区块发展紧密结合。（4） 在保证管线通信可靠的基础上，进一步优化通信网络结构，降低工程投资。提高自控水平，实现主要安全性保护设施远程操作。（5）以经济效益为中心，充分合理利用资金，减少风险投资，力争节约基建投资，提高经济效益。1.2 总体技术水平（1）采用高压长距离全密闭输送工艺。（2）采用原油变频调速工艺。 （3）输油管线采用先进的SCADA系统，使各站场主生产系统达到有人监护、自动控制的管理水平。既保证了正常工况时管道的平稳、高效运行，也保证了管道在异常工况时的超前保护，使故障损失降低到最小。（4）采用电路传输容量大的光纤通信。给全线实现SCADA数据传输带来可靠的传输通道，给以后实现视频传输、工业控制及多功能信息处理提供了可能。（5）在线路截断阀室设置电动紧急切断球阀，在SCADA中心控制室根据检漏分析的结果，确定管道泄漏位置，并可及时关闭相应泄漏段的电动紧急切断球阀。（6）站场配套自成系统。（7）采用黄夹克保温层，厚度40mm。2工程概况本设计为某油田计划铺设一条280公里、年输量为320万吨的热油管道，管线经过区域地势平坦。地温资料见下表 表一月份123456789101112地温345788.510118753.53输油工艺2.1 主要工艺参数（1）设计年输量为G = 320万吨；（2) 保温层(采用黄夹克)厚度40mm；（3）管道埋地深1.6m；土壤导热系数1.3 W/(m)；（4）管道埋深处的年平均地温： （5）年输送天数：350天；（6）最大运行压力8Mpa；（7）进站温度39；最高输送温度70；最低输送温度36；（8）末站剩余压头60m；局部摩阻按1.2%，20相对密度0.880；50粘度10.3m Pas；粘温指数0.039。2.2 主要工艺技术本设计输油干线拟采用密闭输油方式。即“从泵到泵”输送。在这种输油工艺中，中间输油站不设供缓冲用的旁接油罐，上站来油全部直接进泵。其特点是：整条管道构成一个密闭的水力系统，可充分利用上站余压，节省能量，还可基本消除中间站的轻质油蒸发损耗；但对自动化程度和全线集中监控要求较高；存在水击问题，需要全线的水击监测与保护。4工艺计算4.1输油量换算4.1.1油品平均温度1 （4-1） 式中 平均温度，加热站的起点、终点温度，。则由公式（4-1）得：4.1.2油品密度计算1油品在20时的密度为 （4-2）式中 温度为48时的油品密度，； 温度系数，； 温度为20时的油品密度，； t油品温度，。温度系数 （4-3）式中 温度系数，； 温度为20时的油品密度，由式（4-3）得：则油品在47时的密度为由式（4-2）得4.1.3计算流量1 或 （4-4）式中 年输量，；体积流量，；或 年平均地温下的油品密度，；由式（4-4）得：4.2 管径规格选择4.2.1 选择管径管道管径 3 （4-5）式中 d管道内径，m； Q体积流量，； V经济流速，。根据大量经济计算及运行实践结果，现假设本设计取经济流速为V=1.8m/s,由公式（4-5）得：4.2.2 选择管道壁厚2该管道选用X70钢，经查表得其最低屈服度，焊缝系数，钢管壁的导热系数为输油气管道直管段的钢管管壁厚度计算公式 （4-6）式中 壁厚，； P设计压力（取工作压力的1.15倍）MPa; D钢管外径，；钢管许用压力，MPa；许用应力 （4-7）许用应力，Mpa； K设计系数，（输油站一般地段取0.72）； 焊缝系数； 钢管的最低屈服度； t温度折减系数，当管内介质温度低于120时，t取1.0.则该管道直管段的许允应力由公式（4-7）得： 则设计管壁厚度由式（4-7）得： 得根据以上计算，根据SY/T5037-2000标准选取标准管道管径有两种方案：方案一为3255.0；方案二为3555.0。.4.3 热力计算（方案一）4.3.1管道中实际流速的计算由式（4-5）知管道中的实际流速为：4.3.2 总传热系数K的确定1对于有保温层的管路，不能忽略内外径的差异。此时一般用单位长度的总传热系数来代替 （4-8）式中 单位长度的总传热系数，； 油流至管内壁的放热系数，； 管最外层至周围介质的放热系数，； 第i层（结蜡层、钢管壁、防腐绝缘层等）导热系数， 管内径，； 第i层的外径，m； 第i层的内径，m； 最外层的管外径，m； 管径，m；若，取外径；若，D取算数平均值；若，D取内径。管道最外层至周围介质的放热系数为： （4-9）式中 土壤导热系数，； 管中心埋深，m； 最外层的管外径，m。由公式（4-9）得：在紊流情况下，对总传热系数影响很小，可忽略不计（经查表得保温层黄夹克导热系数为0.035）。由公式（4-8）得：管道总传热系数为1： （4-10）式中 K管道总传热系数，； 单位长度的总传热系数，； 管道内径，m。由式（4-10）得：4.3.3加热站间距的确定 时原油的密度为：由式（4-2）得：时原油的相对密度为(4水的密度为1000)：原油的比热容为1： （4-11）式中 原油15时的相对密度； c 比热容，； T原油温度，。由公式（4-11）得：质量流量为( 每年按350天计算) 1： (4-12)式中 原油质量流量，； 年输量，；由公式（5-14）得： 加热站间距为1： （4-13）式中 原油质量流量，；K管道总传热系数，；管道内径，m；加热站的出站温度，；管道周围的自然温度，；加热站的进站温度，；加热站间距，km。原油的比热容，由公式（4-13）得： 加热站数1： （4-14）式中 n加热站数，个； L输油管道总长，km； 加热站间距，km；由公式（4-14）得： 取2个加热站则加热站间距为 每个加热站热负荷1： （4-15）式中 Q加热站的热负荷，J/s；加热站的进、出站温度之差，；加热炉的效率； 原油质量流量，；比热容，由公式（4-15）得：4.3.4计算出站温度1计算出站温度令(b = 0),变为苏霍夫公式为： （4-16）式中 原油质量流量，；加热站的进站温度，；加热站的出站温度，。比热容，管道加热输送的距离，m；K管道总传热系数，；管道外径，m。管道周围的自然温度，；由公式（4-16）得：则热站的热负荷较大，超出最高输送温度，故需增加热站数，取n=3个加热站。则热站间距为：由公式（4-16）得：由公式（4-15）得加热站热负荷为：4.4 水力计算（方案一）4.4.1 计算输油平均温度下的原油运动粘度由公式（4-1）得输送油品平均温度为：由公式（4-2）得时原油的密度为：粘度的转换3： （4-17）v运动粘度， 动力粘度，Pas油品密度， 则该设计油品运动粘度由公式（4-17）得： 某一温度下的运动粘度为1： （4-18）式中 温度为t、时油品的运动黏度，；u黏温指数，。则平均温度下的油品运动粘度由公式（4-18）得：4.4.2流态判断雷诺数为： （4-19） （4-20） （4-21）式中 由光滑区向混合摩擦区过渡的临界雷诺数； 由混合摩擦区向粗糙区过渡的临界雷诺数； 黏温指数，；输送温度下原油的运动粘度，；Q管路中原油的体积流量，；e管壁的绝对粗糙度，m；(螺旋缝钢管DN250DN350：e取0.125mm)d管内径，m由公式（4-19）得：由公式（4-20）得：由以上计算知,故其管道中油品的流态是处于紊流水力光滑区，所以前面的假设是正确的。4.4.3摩阻计算1一个加热站间的摩阻为： （4-22） 全线所需总压头为： （4-23）式中 沿程总摩阻，m； 加热站间距的摩阻，m； H任务流量下所需要的总压头，m。 d管内径，m 输送温度下原油的运动粘度，；Q管路中原油的体积流量，；加热站间距，m；不同流态区的m、值 表二流态m/()层流14.15紊流区水力光滑区0.250.0246混合摩擦区0.1230.0802A粗糙区00.0826由公式（4-22）得：总摩阻为： 本设计中地势差;则任务流量下所需要的总压头由公式（4-23）得：4.5热力计算（方案二）4.5.1管道中实际流速的计算由式（4-5）知管道中的实际流速为：4.5.2 总传热系数K的确定管最外层至周围介质的放热系数由公式（4-9）得： 在紊流情况下，对总传热系数影响很小，可忽略不计（经查表得保温层黄夹克导热系数为0.035）。由公式（4-8）得：单位长度的总传热系数由公式（4-9）得：管道总传热系数由公式（4-10）得：4.5.3加热站间距的确定 时原油的密度由式（4-2）得：时原油的相对密度为(4水的密度为1000)：原油的比热容由公式（4-11）得：质量流量为( 每年按350天计算) 由公式（4-14）得： 加热站间距为由公式（4-13）得： 加热站数由公式（4-14）得： 取3个加热站则加热站间距为 每个加热站热负荷由公式（4-15）得：4.5.4计算出站温度1计算出站温度令(b = 0), 由公式（4-16）得：则热站的热负荷较大，超出最高输送温度，故需增加热站数，取n=4个加热站。则热站间距为：由公式（4-16）得：由公式（4-15）得加热站热负荷为：4.6 水力计算（方案二）4.6.1 计算输油平均温度下的原油运动粘度由公式（4-1）得输送油品平均温度为：由公式（4-2）得时原油的密度为： 该设计油品运动粘度由公式（4-17）得： 平均温度下的油品运动粘度由公式（4-17）得：4.6.2流态判断雷诺数由公式（4-19）得：由公式（4-20）得：由以上计算知,故其管道中油品的流态是处于紊流水力光滑区，所以前面的假设是正确的。4.6.3摩阻计算一个加热站间的摩阻由公式（4-22）得：总摩阻为： 本设计中地势差;则任务流量下所需要的总压头由公式（4-23）得：5 设备选型5.1 设备选型计算（方案一）5.1.1 泵的选型选泵原则:流量以任务输量为依据，最大输量、最小输量为参考；摩阻以任务输量下的摩阻为依据，最大输量、最小输量下的摩阻为参考。同时，考虑一定的富裕量。 若输送正常流量为Qp，则采用适当的安全系数估算泵的流量，一般取Q =（1.051.10）Qp。估算泵扬程时，考虑泵在最困难条件下，计算流动损失，确定所需扬程Hp，根据需要再留出些裕量，最后估算选泵扬程，一般取H=（1.101.15）Hp。根据油田输量变化情况，为发挥泵的经济效益，选泵原则为：最小输量期，运行1台小泵；任务输量期，运行1台大泵；最大输量期，1台大泵与1台小泵并联运行。同时，大泵考虑1台备用。5选用泵型号为DY450-609，其流量为450，扬程为540m,转速为1480转/分，汽蚀余量5m,泵效率79%，轴功率838kw, 泵重量3250kg,配带电机功率1000kw。每个泵站选用两台，其中一台为备用。由公式（4-2）得时原油的密度为：泵所产生的压力为： (5-1)式中 P泵所能够提供的压力，Pa； 油品的密度，； H泵所提供的扬程，m；由公式（5-1）得：P故所选择的泵符合要求。5.1.2 原动机的选型 电动机选择JB异步电动机，电机型号JB0800，功率1000kw,效率为,95%，电机额定转速1490转/分，电机重量8000kg,电机电压6kv。5.1.3 加热设备选型首站选用换热器，其他加热站选用加热炉，其热负荷为6054226J/s，效率为80%。5.2 站场布置（方案一）5.2.1泵站数计算1： (5-2)式中 n泵站数，个； H任务流量下管道所需的总压头，m； 任务流量下泵站所提供的扬程，m。 任务流量下泵站所提供的扬程，m。由公式（5-2）得：n(个)向上取整，取n=5（个）； 采用平均法布站，其站间距为： （5-3）式中 泵站站间距，km； L管线总长，km；由公式（5-3）得：取泵站内压头损失为，除第一站外，后面的泵站进口压力控制在2080m范围内。5.2.2管路的水力坡降1 （5-4） d管内径，m 输送温度下原油的运动粘度，；Q管路中原油的体积流量，； 由公式（5-4）得： 5.2.3泵站布置根据压力供需平衡原则，压力平衡关系式 （5-5）式中 泵站进口的剩余压头，m； H泵站所提供的扬程，m； i水力坡降； L两泵站的站间距，m； 两泵站间的高程差（高程差），m； 泵站内压头损失，m。（1）取首站与第二站的站间距为56km由公式（5-5）得进口压力为：剩余压头太小，不符合要求，故缩小站间距，取首站与第三站站间距50km。则进口压力符合要求，故第二站布置在距离首站50km处。（3）取首站与第三站的站间距为106km，由公式（5-5）得进口压力为：符合要求，故第三站布置在距离首站106km处。（4）取首站与第四站的站间距为162km，由公式（5-5）得进口压力为：符合要求，故第四站布置在距离首站162km处。（5）取首站与第五站的站间距为218km，由公式（5-5）得进口压力为：符合要求，故第五站布置在距离首站218km处。则到达末站剩余压头由公式（5-5）得：由于，不能达到要求，且所需扬程由(5-5)得：故第五站需要重新选泵，泵型号为DY450-6010，其流量为450，扬程为600m,转速为1480转/分，汽蚀余量5m,泵效率79%，轴功率931kw,配带电机功率1250kw。泵站选用两台，其中一台为备用。电机型号JB0900，功率1250kw,效率为,96%，电机额定转速1490转/分，电机电压6kv。由公式（5-1）得：P故所选择的泵符合要求。则换泵后到达末站剩余压头由公式（5-5）得：所以，上述设计及计算符合要求，故全线泵站布置完毕。5.3 设备选型计算（方案二）5.3.1 泵的选型（同方案一）泵型号为DY450-6010，其流量为450，扬程为600m,转速为1480转/分，汽蚀余量5m,泵效率79%，轴功率931kw,配带电机功率1250kw。泵站选用两台，其中一台为备用。由公式（5-1）得：P故所选择的泵符合要求。5.3.2 原动机的选型（同方案一）电机型号JB0900，功率1250kw,效率为,96%，电机额定转速1490转/分，电机电压6kv。5.3.3 加热设备选型首站选用换热器，其他加热站选用加热炉，其热负荷为5527772J/s，效率为80%。5.4 站场布置（方案二）5.4.1泵站数计算由公式（5-2）得：n(个)向上取整，取n=3（个）； 采用平均法布站，其站间距由公式（5-3）得：取泵站内压头损失为，除第一站外，后面的泵站进口压力控制在2080m范围内。5.4.2管路的水力坡降由公式（5-4）得： 5.4.3泵站布置（1）取首站与第二站的站间距为56km由公式（5-5）得进口压力为：符合要求，故第二站布置在距离首站93.3km处。（3）取首站与第三站的站间距为186.6km，由公式（5-5）得进口压力为：符合要求，故第三站布置在距离首站186.6km处。则到达末站剩余压头由公式（5-5）得：所以，上述设计及计算符合要求，故全线泵站布置完毕。6 泵站及管道参数校核6.1 动、静水压的校核（方案一）动水压力的校核：就是检查管道的剩余压力是否在管道操作压力允许范围内。 校核动水压力应根据管道可能承受压力的最不利条件进行。由以上泵站布置情况看，只需对第五号泵站进行动水压力校核。静水压力指油流停止流动后，由于地形高差产生的静液柱压力。本设计中管线经过区域地势平坦，所以不需要进行静水压力校核。 (6-1)最大动水压力为： (6-2)式中 高程为i点处的动水压头，m； H泵站输出的压头，m； X泵站与低点处的距离，m； ，Z低点处、泵站的高程，m； P动水压力，Pa。则第五号泵站的动水压头由公式（6-1）得：则五号泵站的动水压力由公式（6-2）得：故动水压力校核符合要求。6.2 最小输量（方案一）管道的最小输量1为： （6-3）式中 管道最小输量，kg/s；K总传热系数，；D管道外径，m；L加热站间距，m；c原油比热容，；加热站的最高出站温度，； 管道周围的自然温度，；加热站的最低进站温度，。故该设计的最小输量由公式（6-3）得：6.3 动、静水压的校核（方案二）动水压力的校核：就是检查管道的剩余压力是否在管道操作压力允许范围内。 校核动水压力应根据管道可能承受压力的最不利条件进行。由以上泵站布置情况看，只需对第三号泵站进行动水压力校核。静水压力指油流停止流动后，由于地形高差产生的静液柱压力。本设计中管线经过区域地势平坦，所以不需要进行静水压力校核。则第三号泵站的动水压头由公式（6-1）得：则第三号泵站的动水压力由公式（6-2）得：故动水压力校核符合要求。6.4最小输量（方案二）该设计的最小输量由公式（6-3）得：7 动态技术经济评价6动态经济评价方法是在考虑资金时间价值的基础上，根据技术方案经济寿命期内各年现金流量对经济效益进行分析、计算、评价的一种方法。现对本设计方案进行经济比较，选择最优方案。采用净现值（NPV）6法评价。当NPV 0,表示项目除保证实现规定的收益率外，尚可获得额外的收益；NPV =0，表示项目正好达到所规定的收益率标准；NPV 0，表示项目未能达到所规定收益标准。自动化程度为泵站集中检测、现场就地操作的输油站。根据相关规定5查得生产人员编制如下：首站38人，中间热泵站与中间泵站26人，中间加热站14人，末站38人。据查每台DY450-6010现价5万（配带相关电动机），每台DY450-609现价4.5万（佩带相关电动机）。方案一项目投资1000万元，以后连续5年每年有相同的净收益350万元，其基准收益率为15%，其净现值： 方案二项目投资1500万元，以后连续5年每年有相同的净收益350万元，其基准收益率为20%，其净现值： 由于方案二的净现值小于零，因此采用方案一作为施工方案。8设计结果本设计输油干线拟采用加热密闭输油方式。其设计结果如下：管道设计结果 表三 管材管外径（mm）壁厚（mm）最小屈服度（Mpa）方案一X703255.0482方案二X703555.0482热站设计及布置结果 表四站间距(km)出站温度()进站温度()效率%热负荷(J/s)热站数（个）方案一93.362398060542263方案二7060398055277724泵的设计结果 表五型号台数(台)流量()扬程（m）转速(转/分)效率(%)功率（KW）方案一方案二DY450-609420450540148079838DY450-60101232450600148079931原动机设计结果 表六泵型号台数(台)转速(转/分)效率(%)功率（KW）方案一方案二JB0800DY450-6094201490951000JB0900DY450-601012321490961250泵站设计结果 表五方案一方案二泵站12312345里程（km）093.3186.6050106162218参考文献1张其敏.孟江.油气管道输送技术.M.中国石化出版社.2010.10.12.黄春芳.油气管道设计与施工.M.中国石化出版社.2007.07.第一版3蒋洪.刘武.原油集输工程.M.石油工业出版社.2006.01.第一版4中国石油天然气总公司.输油管道工程设计规范GB50253-94.国家技术监督局、中华人名共和国建设部.1994.11.15郑竹村.石油地面工程设计手册（第四册）.原油长输管道工程设计.管道勘察设计院6刘清志.石油技术经济学. M.中国石油大学出版社.1998.11.第一版34