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 4
1.1 设计依据及原则 4
1.1.1 设计依据 4
1.1.2 设计原则 4
1.2 总体技术水平 4
2工程概况 6
3输油工艺 7
2.1 主要工艺参数 7
2.2 主要工艺技术 7
4工艺计算 8
4.1输油量换算 8
4.1.1油品平均温度[1] 8
4.1.2油品密度计算[1] 8
4.1.3计算流量[1] 9
4.2 管径规格选择 9
4.2.1 选择管径 9
4.2.2 选择管道壁厚[2] 10
4.3 热力计算（方案一） 11
4.3.1管道中实际流速的计算 11
4.3.2 总传热系数K的确定[1] 11
4.3.3加热站间距的确定 13
4.3.4计算出站温度[1] 15
4.4 水力计算（方案一） 16
4.4.1 计算输油平均温度下的原油运动粘度 16
4.4.2流态判断 17
4.4.3摩阻计算[1] 18
4.5热力计算（方案二） 19
4.5.1管道中实际流速的计算 19
4.5.2 总传热系数K的确定 19
4.5.3加热站间距的确定 20
4.5.4计算出站温度[1] 20
4.6 水力计算（方案二） 21
4.6.1 计算输油平均温度下的原油运动粘度 21
4.6.2流态判断 21
4.6.3摩阻计算 22
5 设备选型 23
5.1 设备选型计算（方案一） 23
5.1.1 泵的选型 23
5.1.2 原动机的选型 24
5.1.3 加热设备选型 24
5.2 站场布置（方案一） 24
5.2.1泵站数计算[1]： 24
5.2.2管路的水力坡降[1] 25
5.2.3泵站布置 25
5.3 设备选型计算（方案二） 27
5.3.1 泵的选型（同方案一） 27
5.3.2 原动机的选型（同方案一） 27
5.3.3 加热设备选型 27
5.4 站场布置（方案二） 27
5.4.1泵站数计算 27
5.4.2管路的水力坡降 28
5.4.3泵站布置 28
6 泵站及管道参数校核 29
6.1 动、静水压的校核（方案一） 29
6.2 最小输量（方案一） 29
6.3 动、静水压的校核（方案二） 30
6.4最小输量（方案二） 31
7 动态技术经济评价[6] 32
8设计结果 33
参考文献 34
1 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
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
地温℃
3
4
5
7
8
8.5
10
11
8
7
5
3.5
3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 Pa·s；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Ф325×5.0；方案二为Ф355×5.0。.
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，Pa·s
——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DN250~DN350：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
1
4.15
紊流区
水力光滑区
0.25
0.0246
混合摩擦区
0.123
0.0802A
粗糙区
0
0.0826
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 =（1.05～1.10）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=（1.10～1.15）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20～80m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20～80m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
X70
325
5.0
482
方案二
X70
355
5.0
482
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
93.3
62
39
80
6054226
3
方案二
70
60
39
80
5527772
4

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

DY450-609
42

0

450

540

1480

79

838

DY450-6010
12

32

450

600

1480

79

931

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
JB0800

DY450-609
42

0

1490

95

1000
JB0900

DY450-6010
12

32

1490

96

1250

泵站设计结果 表五

方案一
方案二
泵站
1
2
3
1
2
3
4
5
里程（km）
0
93.3
186.6
0
50
106
162
218
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.2010.10.1
[2].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.1994.11.1
[5]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

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