本科毕业设计论文--顺序输送成品油管道设计计算.doc

课程设计成果说明书

题 目： 顺序输送成品油管道设计计算
学生姓名：
学 号：
学 院： 石化与能源工程学院
班 级：
指导教师：

浙江海洋大学教务处
2016年12月24日

浙江海洋大学课程设计成绩评定表
2016—2017学年 第 一 学期
学院：石化与能源工程学院 班级 专业：油气储运工程
学生姓名(学 号)

课程设计名 称
顺序输送成品油管道设计计算
题 目
顺序输送成品油管道设计计算
指导教师评语

指导教师签名：
年 月 日
答辩评语及成绩

答辩小组教师签名：
年 月 日

摘要
经过设计，计算，完成的毕业设计达到以下的效果：在查阅相关资料的基础上并结合所输油品的性质，制定了一个相对合理的经济流速，以此经济流速为切入点，进而依据相关规范公式计算出了一个有依据的管径，然后根据该管径值结合相关管道规格，选出了1个标准管径值。选泵并组站，并依据所选泵站的扬程，对初步制定的管径压力组合作出相应的修改并作为进行经济性比较的方案。通过方案比较法最终确定出最经济合理的成品油顺序输送管道参数（管径、压力、泵型号、泵站数等）；在此基础上再进行顺序输送的相关计算：计算一年中每种油品的输送天数。计算出顺序输送的最优循环次数；首、末站所需建的油罐容积等。
本文根据设计任务书所给出的原始数据，通过相关的工艺计算，得出了下列几方面的结论: 
（1）通过各方案的经济性比较，最终确定出经济型最优的设计方案；
（2）根据该管道的计算参数，以试算的方式得到了在设计输量下的最优年输送批次；
（3）在此最优输送批次下，结合该管道首末站原有油库的库容，给出了需要新建的油罐容量；
本设计得到的管道参数、最优输送批次与实际输油运行情况基本一致，从而证明了本文提出的计算方法对于进行成品油管道顺序输送的批次优化及罐容设计是可行的，其结果也是比较可靠的。
关键词：顺序输送 长距离 泵站布置 混油计算

abstract
After graduation design, calculation and completion, the following results are achieved: On the basis of consulting relevant data and combining with the nature of oil products, a relatively reasonable economic flow rate is established, and then the economic flow rate is taken as the breakthrough point. The standard formula to calculate a basis for the diameter, and then the diameter of the pipe with the relevant specifications, selected a standard pipe diameter. Choose the pump and the group station, and according to the selected pump head, the initial development of the diameter of the pressure combination to make the appropriate changes and as the economic comparison program. (Diameter, pressure, pump type, number of pumping stations, etc.) on the basis of the program comparison method to determine the most economically rational product oil pipeline; on the basis of the relevant calculation of the sequence of transportation: Number of delivery days of oil. Calculate the optimal cycle number of sequential transportation; the first and the end of the station to build the tank volume and so on.
According to the original data given in the design task book, and through the relevant process calculation, this paper draws the following conclusions:
(1) through the economic comparison of various programs, and ultimately determine the best economic design;
(2) According to the calculation parameters of the pipeline, the optimal annual transportation batch is obtained by trial calculation.
(3) In this optimal delivery batch, combined with the original terminal at the end of the original oil depot capacity, given the need for new tank capacity;
The pipeline parameters, the optimum delivery batch and the actual oil transportation are basically the same, which proves that the method proposed in this paper is feasible for batch optimization and tank capacity design of the product oil pipeline. Is more reliable.
Keywords: Sequential transportation; long distance; Pumping station layout;Mixed oil calculation

目 录
摘要 I
abstract II
1.绪论 1
1.1输油管道工艺设计的目的的及意义 1
1.2国内外研究现状分析 1
1.3研究目标和研究内容 2
2.油品物性参数及相关计算 4
2.1 计算温度 4
2.2油品粘度计算 5
2.3油品密度计算 6
2.4流量计算 7
3. 输油管道的水力计算 8
3.1 预选最优管径 8
3.2 泵的选型 9
3.3 管道壁厚校核 12
3.4 不同管径下油品的流态判断 13
3.5不同管径下泵站数的确定 16
3.6综合选择最优管径 22
4. 泵站的布置 29
4.1布站计算 29
4.2 泵站布置 30
4.3 泵站动静水压力校核 30
5 .混油管段设计计算 33
5.1各种油品循环输送天数 33
5.2油品的输送量 33
5.3管道中每天的输送量 34
5.4罐容设置： 34
5.5终点混油罐的体积 35
6 .绘制中间站流程图 36
6.1 中间站工艺流程概述 36
6.2中间站工艺流程图 37
7. 结论 38
8. 心得体会 38
参考文献 39

IV

1.绪论
1.1输油管道工艺设计的目的的及意义
近年来，尤其是随着我国西气东输一线、二线管道的铺设，管道运输特别是长距离输油管道已经成为原油和成品油最主要的运输方式。长距离大口径油气管道运输，具有输送能力大、能源消耗低、损耗少、成本低、可连续均衡运输、不受气象季节影响、永久性占用土地少和运输安全性高等特点，是公路、铁路、水路、航空运输方式无法替代的第五大运输方式。在五大运输方式中，对于油品及天然气的运输，采用水路运输当前逐渐被认为是最为经济方式，但它要受到地理条件等自然环境的制约及各种人为因素的干扰；公路运输虽然较为灵活，但因其运输量小且运费高，一般用于少量且短途的区域运输；铁路运输成本较高，对于大量的油气运输是不经济的，而且铁路总的运力的有限也使油气的运输量受到限制；航空运输虽然快捷，但因其高昂的运输价格使其只在特殊的情况下偶尔被采用。管道建设的规模大，投资多，对国民经济发展有重大的影响。我国输油管道建设、运营管理已取得不小的成但也面临着不少的问题和挑战绩，。我国东部油区不少已进入了产量递减阶段，需对东部油品管网进行技术改造，确保成品油管道在低输量下安全运行，节能降耗；我国石油开发的重点正向西部转移，随着新疆、陕甘宁地区大型油气田的开发，建设西部外输管道的任务已摆在面前。这就给我们提出了更高的要求，因此很有必要对输油管道的设计做比较详尽的了解。此次设计在遵守国家有关规定，通过技术对比选择最优工艺方案，设计中在保证安全运行条件下，尽量节约投资，便于生产操作，并考虑环境保护的要求。

1.2国内外研究现状分析
石油是目前世界上最重要的战略能源。1865年美国在宾夕法尼亚州建成世界上第一条原油管道起，油气管道的发展已有近130年的历史了。到目前为止，估计世界各种管道的总长度超过200万公里，其中油气干线的总长度超过150万公里。世界石油管道工业历经400多年的风风雨雨，现已成为民经济的支柱产业，管道技术已经发展成为一门独立的学科和行业。1963年印度建成的纳霍卡蒂亚—高哈蒂—伯劳尼输油管线, 加热输送工艺第一次在原油管输系统中实施,迄今已发展到包括:加热输送、热处理输送、添加化学剂输送、掺水保温输送及稀释输送等多种输送工艺技术。我国的输油管道始建于20世纪50年代。1958年建成克拉玛依—独山子输油管道，这是我国的第一条原油管道。到21世纪初，我国的油气管道已超过2万公里，其中干线原油管道超过1万公里，已形成东北、华北、华东输油管网，西部的西气东输工程正在建设之中，“西油东输”也正在拟议中，在原油运输量中，管道输送的比重近几年骤然上升，已达到80%以上。目前，管道运输已与铁路、公路、水运、航空一起，成为我国的五大运输行业。能耗指标已成为代表当前各生产企业有无竞争力乃至企业生死存亡的最重要的表征之一。低耗、节能、提高管道输送的经济社会效益，是管道运输行业科研攻关的大目标。
1.3研究目标和研究内容
1.3.1研究的目标
通过进行输油管道的课程设计，学生掌握综合运用《输油管道设计与管理》等课程的知识进行输油管道工艺设计，从而为毕业后从事长距离油气管道规划、可行性研究及工艺设计工作打下基础。

1.3.2研究内容
1.根据管道长度、任务输量、设计压力等已知条件确定最优管径、管壁厚度（选至少三种管径进行比选）；
2.按设计流量等对管道进行水力计算，在此基础上对输油管道进 行泵站布置，即确定这些站的数量和位置；
3.对输油泵机组提出参数要求，确定输油泵机组的配置方案；
4.对于你选择的设计方案，校核进出站的压力是否超过设计压力；
5.混油计算；
6.计算输送成本（动力）、建设成本；
7.绘制中间站流程图；
8.整理输油管道工艺初步设计方案，编写工艺初步设计报告。
1.3.3基础数据
管道基础数据
（1）设计输量
某成品油管道是一条连续顺序输送多种成品油的管道，设计输送能力592万t/a，输送介质包括0#柴油、90#汽油、97#汽油三种油品，均按照每年25批次输送。设计年输送天数350天，采取起点连续进油，设计压8.6MPa。
（2）各站场进站最低压力0.2MPa，最高压力4MPa。
（3）地温取16摄氏度。
站场进、出站压力通过节流阀控制。

表 管线里程及高程

起止桩号
高差
（m）
水平长度（km）
备注
1
AYZ009-AYZ038-1
50
6.562

2
AFH042-AFH044
250
6.67

3
AFH143-2-AFH148
240
7.055

4
AFH152-AFH153
320
7.498

5
ANH047-ANH048
380
7.883

6
ANH109-ANH0110
400
7.986

7
ANH155G-ANH156G
410
8.056

8
ANH169G-ANH169-2G
430
8.406

9
ANH175-ANH176
450
8.564

10
ANH284-ANH285-1
460
8.785

11
ASM020-ASM024
490
9.227

12
ASM025-3-ASM027
480
9.59

13
ASM31G-ASM033
530
10.289

14
ASM036-1-ASM037
570
10.837

15
ASM039G-1-ASM042
620
11.124

16
ASM045-2-ASM047G
660
11.532

17
ASM049G-2-ASM058
670
13.016

18
ALH038G-1-ALH040
690
13.37

19
ALH046-ALH048
670
13.652

20
ALH064G-3-ALH066
690
14.37

21
ALH078-ALH079
760
14.482

22
ALH083-ALH085
820
15.253

23
ALH095-ALH96
840
15.895

24
ALH100-ALH101
858
16.526

25
ALH106-ALH108
878
17.201

26
ALH111-ALH112
898
17.483

27
AHY034-AHY037
918
18.39

28
AHY079-AHY083
938
18.85

29
AYQ022-AYQ025-1
998
18.998

30
AYQ031-AYQ034
988
20.207

31
AYQ051-AYQ056
1028
20.678

32
AYQ062A10-AYQ062A12
1128
20.758

33
AYQ062A15-AYQ062A18
1148
20.968

34
AYQ079-AYQ079-1
1168
21.137

35
AYQ088-1-AYQ088-5
1188
21.523

36
AYQ095-AYQ097-1
1208
22.008

37
AYQ107-AYQ110-1
1228
22.784

38
AYQ112-3-AYQ113-1
1238
23.082

39
AYQ118-1-AYQ119-1
1258
23.972

40
AYQ125-1-AYQ125-3
1278
24.108

41
BYQ020-BLW001
1308
27.183

42
BLW053-1-BLW055-1
1338
27.885

43
BLW057-BLW058-1
1358
28.637

44
BRA012-2-DRA009
1408
36.331

表 油品物性
品种
密度（）
粘度（）

15.6℃
37.8℃
15.6℃
37.8℃
汽油
90#
0.7339
0.7139
0.5941
0.4890
97#
0.7544
0.7135
0.5932
0.4884
柴油
0#
0.8421
0.8267
6.080
3.452

2.油品物性参数及相关计算
2.1 计算温度
由于输油管道在运行的过程中，受周围环境的影响较大，因此管道受扰动使得其沿线温度分布不均。在等温输送条件下[1]，管道中油品的温度基本上接近管道埋深处的土壤温度，这就需要先确定管道埋深。
管道埋深确定后，就要向有关气象部门或从已有的气象资料中收集和查找管道埋深土壤的各月温度,应该沿线相隔一定距离定点取得所需地温资料。
进行水力计算时,GB 50253—2014《输油管道工程设计规范》规定对于不加热成品油管道取管中心埋深出最冷月的月平均地温作为计算温度[2]，据此计算油品的密度和粘度。
根据任务书可知设计输油的平均地温为16℃，因此
℃
2.2油品粘度计算
1）输送油品物性
本次设计的管道所输送的油品及油品的相关物性见表1-1。
表1-1 油品物性
品种
密度（）
粘度（）

15.6℃
37.8℃
15.6℃
37.8℃
汽油
90#
0.7339
0.7139
0.5941
0.4890
97#
0.7544
0.7135
0.5932
0.4884
柴油
0#
0.8421
0.8267
6.080
3.452

2）油品粘度计算
根据粘温指数方程：
（1-1）
式中 、 ——、温度下的油品运动粘度， ；
——粘温指数，与油品有关，℃-1。
由式1-1得：
（1-2）
以0#柴油为例：
由表1-1可得：

代入式1-2得：

所以，在计算温度下，即当℃时，0#柴油的粘度为：

同理可得：

油品型号

90#
0.5920
97#
0.5911
0#
6.0183
平均粘度
2.4

2.3油品密度计算
规定油品在20℃时的密度为，其他温度下的密度可按式1-3计算。
（1-3）
式中 、 ——温度为 及20℃时的油品密度， ；
——温度系数，，。
已知90#汽油20摄氏度时的密度为730kg/m3，97#汽油20摄氏度时的密度为746kg/m3，0#柴油20摄氏度时的密度为839 kg/m3。
以0#柴油20℃时的密度为：

因此，0#柴油的温度系数为：

代入式1-3得，在计算温度下，即当℃时，油品的密度为：

同理可得：
油品型号
16℃
90#汽油
733.460
97#汽油
749.376
0#柴油
841.887
平均密度
774.9077

2.4流量计算
1）计算输量
管道输量是设计输油管道的最基本依据[1]，它通常由设计任务书规定。因此，查设计任务书可得，本次设计的成品油管道，其设计输送能力为，输送介质包括0#柴油、90#汽油、97#汽油三种油品，并采取起点连续进油的输送方式 ，管道设计压力为8.6MPa。
考虑到管道的维修和事故停输及输量的不均衡等因素，为了使设计的管道具有一定的输送裕量，规范规定输油管道工程设计计算输油量时，年工作天数应按350天计算，每天按24h计算，即管道全年工作小时数为8400h[2]。
2) 油品流量
设计任务中给出的输量是管道全年完成的任务，进行工艺计算时常用体积流量。
（1-4）
式中 ——油品体积流量，；
——油品设计输送能力，；
——油品密度，本设计中指计算温度下油品密度，。
以柴油为例：
将数据代入式1-3得：

同理可得：
油品型号

90#汽油
733.460
0.5920
0.267
97#汽油
749.376
0.5911
0.261
0#柴油
841.887
6.0183
0.233
平均
774.908
2.4
0.2526
3. 输油管道的水力计算
3.1 预选最优管径
1）我国常用输油管管径及推荐流速
对于成品油管道而言，给定一个输量，必存在相应的最优管径，换句话说，一条具体的管道必存在对应的经济流量或经济流速。《输油管道工程设计规范》规定一般成品油管道的经济流速范围1.0m/s~2.7m/s。事实上，同一地区，经济流速的取值取决油品的粘度和所选管径。一般来说，油品的粘度增大，经济流速降低；管径增大，经济流速提高。由管径大量计算结果及运行时间，可总结出不同输油管道的经济流速。我国长距离输油管道中原油和成品油管道的推荐流速见表1-2[1]。
表2-1 我国长距离输油管道中原油和成品油管道的推荐流速
管径，mm
219
273
325
377
426
530
流速，m/s
1
1
1.1
1.1
1.2
1.3
管径，mm
630
720
820
920
1020
1220
流速，m/s
1.4
1.6
1.9
2.1
2.3
2.7

2）输油管管径计算
根据管径经济流速初选管径，如式2-1所示：
（2-1）
式中 ——经济管径，m；
——油品体积流量，由上计算得；
——经济流速，。
因此，取经济流速时，
取经济流速时，
取经济流速时，
根据国产部分钢管规格，初选外径为426mm、529mm和630mm的管子，管材选用按照API标准生产的X60螺旋电阻焊钢管。
3.2 泵的选型
输油管道的工艺计算要妥善解决沿线管内流体的能量消耗和能量供应这对矛盾，已到达安全、经济地完成输送任务的目的。对于等温输油管道，不考虑热能损失，只需考虑提供一定的压力能以克服地形高差和沿管路的摩阻损失。
管道树洞所需的压力能由泵站提供，泵站的压力能供应任务是由站上所装备的输油泵机组来完成的，因此，本次设计依据泵站所提供的压力能与消耗在摩阻和高差上的能量相平衡的原则进行工艺计算与泵型号的选择。
1）确定工作泵的工作流量与压力
在进行泵的设计计算时，需要设定任务流量和初定工作压力，进而才能确定泵的工作方式和泵的台数。根据设计任务书，管线设计压力为8.6MPa，即：
初定泵的工作压力：
泵的任务流量：
泵的扬程取管道的设计压力:
2）选择输油离心泵型号
① 初选离心泵型号
根据泵的计算流量选择DKS450-550型输油泵，根据其输油特性曲线[5]，确定输油泵的各项性能参数列于表2-2。
表2-2 DKS750-550型输油泵性能参数
泵型号
排量Q(m3/h)
扬程H（m）
转速
DKS
450-550
460
548
2980
500
525
540
500
② 用最小二乘法回归泵特性方程
对于电动离心泵机组，目前原动机普遍采用异步电动机，转速为常数，因此扬程是流量的单值函数。故单台离心泵的特性方程一般可用二次抛物线近似的表示为：
（2-2）
式中 ——离心泵扬程，m液柱；
——离心泵排量，m3/h；
——常数；
——流态参数，对于水力光滑区， ；
即当取时，式2-2可化为：
（2-3）
根据表2-2中的数据，用最小二乘法求解参数和 ，即求解泵的特性方程。
（2-4）
（2-5）
（2-6）
（2-7）
式中 ——第i 组的计算参数，等同于,m3/h；
——第i 组的计算参数，等同于,m；
——参数组数， ；
则，，，，，，，的计算值见表2-3。
表2-3 离心泵相关参数计算值

-45690.53101
2087624624
548
-25038411
-52868.56317
2795084972
525
-27755995.67
-60490.76539
3659132698
500
-30245382.7

将表2-3中的数据代入式2-3、2-4得：

（2-8）
（2-9）
因此单台离心泵的特性方程为：
（2-10）

③ 检查回归的结果是否符合要求
对于泵特性方程，检查回归是否满意有两种方法，本次设计中选用求各个点的相对偏差的方法来检查回归结果是否在允许误差范围内，即若max ，则说明结果满意[6]；反之，要选用其他方程。相对偏差的计算公式为：
（2-11）
利用公式，求H计算值与实测值的相对误差，计算结果见表2-4。
表2-4 相对误差计算值
H计算值
H实测值
相对误差
547.21
548
0.00868
525.01
525
0.00144
500.70
500
0.01086

由表中数据可知，计算与实测值的相对误差小于2%，说明回归结果很好，符合误差要求。
当多台泵串联在一起的时候，各泵流量相等，泵站的扬程等于各泵扬程之和
故可选用2台泵工作。
所以泵站特性方程为 （2-12）
3.3 管道壁厚校核
1）计算流量下的泵站与管路承受压力
由上述计算可得，本次设计管道的计算流量，将Q代入泵站特性方程得：

由输送油品密度为， ，
2）校核输油管的管壁厚度
由设计任务书可知，本次设计管道的工作压力为8.6MPa，这就要求输油管路需要具备的一定的承压能力，否则管路会承受不住油品的压力导致事故发生，因此，输油管的管壁必须有适当的厚度。
（2-13）[5]
式中 ——管壁，mm；
——管路工作压力；
——管线的内直径，mm；
——焊缝系数，由表2-5可取0.85； ；
——考虑钢管公差和腐蚀余量，据管路工作条件取，此处取 ；
——许用应力，由表2-6可取224MPa；
表2-5 焊缝系数φ值
无缝钢管
有缝（含螺纹）钢管
双面焊
单面焊
A3F
16Mn
1.00
0.85
0.75
0.65

表2-6 钢管许用压力
钢管种类
无缝或有缝钢管
螺旋钢管
材质
优质碳素钢
碳素钢
低合金钢
10
20
40
A3F
16Mn
/MPa
146
174
208
146
224

① 当管径为426mm时，

② 当管径为529mm时，

③ 当管径为630mm时，

壁厚计算结果
① 管径为
② 管径为
③ 管径为
3.4 不同管径下油品的流态判断
在长输管道的设计计算中，流体流态的不同使得管线有摩阻损失也不同，进而影响泵站的设置。而流体的流态又受温度、油品性质、油品粘度、输油管管径等因素的影响，本次设计中所输送的油品种类、温度、粘度均已确定，因此只需判断不同管径下油品的流态即可。
1） 确定DN426输油管在计算温度下的流态
① 管内径的确定
由2.3节可知，选取规格为的螺旋焊缝钢管，因此管内径为：
（2-15）
我国《输油管道工程设计规范》中规定,绝对粗糙度取0.1mm。
因此该管径下管壁的绝对粗糙度为：
（2-16）

② 雷诺数的确定
（2-17）
式中 Re——流态判别参数，雷诺数；
将式2-14、2-15代入式2-17可得：
（2-18）

② 流态的判别
我国GB 50253—2014 《输油管道工程设计规范》规定的流态划分标准[2]如7下：
Ⅰ.层流：；
Ⅱ.过渡流：；
Ⅲ.紊流水力光滑区(简称光滑区)：；
Ⅳ.紊流混合摩擦区(简称摩擦区)：；
Ⅴ.紊流完全粗糙区（简称粗糙区）：；e
其中，紊流区临界雷诺数和分别用下式计算：
（2-19）
（2-20）
式中 ——管壁的相对粗糙度，其计算方法如式2-21。
（2-21）
将式2-15、2-16代入式2-21得：
（2-22）
将式2-22代入式2-19、2-20得：
（2-23）
（2-24）
由上述计算结果，将式2-18与式2-23、2-24比较可得：

所以，此管径下油品处于水利光滑区。
2） 确定DN529输油管在计算温度下的流态
① 管内径的确定
由2.3节可知，选取规格为的16Mn螺旋焊缝钢管，因此管内径为：
（2-25）
我国《输油管道工程设计规范》中规定绝对粗糙度取0.1mm。
因此该管径下管壁的绝对粗糙度为：
（2-26）
② 雷诺数的确定
将式2-14、2-25代入式2-16可得：
（2-27）
② 流态的判别
将式2-25、2-26代入式2-21得：
（2-28）
将式2-28代入式2-19、2-20得：
（2-29）
（2-30）
由上述计算结果，将式2-27与式2-29、2-30比较，并参照我国GB 50253—2014 《输油管道工程设计规范》规定的流态划分标准可得：

所以，此管径下油品处于水利光滑区。
3） 确定DN630输油管在计算温度下的流态
① 管内径的确定
由2.3节可知，选取规格为的螺旋焊缝钢管，因此管内径为：
（2-31）
我国《输油管道工程设计规范》中规定绝对粗糙度取0.1mm。
因此该管径下管壁的绝对粗糙度为：
（2-32）
② 雷诺数的确定
将式2-14、2-31代入式2-16可得：
（2-33）
② 流态的判别
将式2-31、2-32代入式2-21得：
（2-34）
将式2-34代入式2-19、2-20得：
（2-35）
（2-36）
由上述计算结果，将式2-33与式2-35、2-36比较，并参照我国GB 50253—2014 《输油管道工程设计规范》规定的流态划分标准可得：

所以，此管径下油品处于水力光滑区。
3.5不同管径下泵站数的确定
根据设计任务书，本次设计的长距离成品油管道输送的油品为90#汽油、97#汽油、0#柴油。在计算温度下，油品不需要加热输送。
线路沿线地形起伏较大，管线高程变化大，因此在某些地段会出现翻越点，为了解决翻越点的问题，就必须要在沿线建设一些泵站，提高压力能，使得油品有足够的能量到达管线终点。因此，翻越点的位置