课程设计：输油管道设计与管理.doc

东北石油大学本科生课程设计报告

东 北 石 油 大 学

课 程 设 计
课 程 输油管道设计与管理
题 目 等温及热油管道设计
院 系 石油工程学院
专业班级 油气储运工程11-2班

2015年3月 27 日

东北石油大学课程设计任务书
课程 输油管道设计与管理
题目 等温及热油管道设计

专业 油气储运工程 姓名 黄满初 学号 110202140214
一、主要内容
了解石油管道特点、石油管道发展概况、石油管道设计内容及方法，石油管道的一般设计步骤，了解等温输油管道设计和热油管道设计的基本参数，并能准确的进行计算。培养理论联系实际、分析问题、解决问题和充分利用计算机技术进行工程设计的能力。
二、基本要求
等温管道的设计要求，根据基本参数，按平均地温作以下计算和设计：
1.按米勒和伯拉休斯公式计算输送柴油的水力摩阻系数，并比较计算结果的相对差值。
2.若改输汽油，按列宾宗公式和伊萨也夫公式计算水力摩阻系数，并比较计算结果的相对差值。
3.输送柴油的工艺计算：
（1）用最小二乘法求泵特性方程，比较计算与实测值的相对误差。
（2）确定泵站泵机组的运行方式及台数（不计备用泵）。
（3）按列宾宗公式计算水力坡降，求所需泵站数并化整。
（4）用解析法求工作点。
（5）在管线纵断面图上布置泵站。
（6）根据站址计算全线各站进、出站压力，检查全线动静水压力。
（7）计算冬季地温3℃时，输送柴油的工作点及各站的进、出站压力，并与年平均地温时的进、出站压力比较。
（8）从起点到翻越点，计算站间距 Lf / n，起点至各站的平均站间距Lj / j，据此定性分析油品粘度变化时各站压力的变化趋势，对比⑥、⑦的计算结果是否符合这个规律，若不符合，请说明原因。
热油管道设计要求，根据基本参数，作如下计算：
1.按进出站油温在60-25℃之间，计算所需加热站数及站间距，首站进站油温为25℃。
2.按平均温度法计算站间摩阻，选泵及泵的组合方式，确定所需泵站数（进站油温为25℃）。
3.在管线纵断面图上布置加热站、泵站；并按泵站、加热站尽量合并的原则，调整站数或站址。
4.选择各站加热炉。
5.按任务输量，计算冬季全线月耗油量。
6.若管线投产初期的输量在三、四年内仅为100万吨/年，在设计中应考虑什么问题？（工艺计算、加热站数、泵站数、主要设备选择、站址选择等方面）。
7.若夏季地温为15℃，各加热站要求停运一台加热炉进行检修，你的设计能满足要求吗？
8.若最后一个泵站停运，该管线可能达到的输量应如何求解？（从两种运行方式考虑，即开式和闭式）。
三、参考资料
[1]杨筱蘅，张国忠.输油管道设计与管理[M].石油大学出版社.1996.8.
[2]吴宏译.管道设计与施工使用方法[M].石油工业出版社.2004.3.
[3]曲慎扬.原油管道工程[M].石油工业出版社.1991.4.
[4]唐智圆等.世界著名管道工程[M].石油工业出版社.2002.6.
[5]蒋华义.输油管道设计与管理[M].石油工业出版社.2010.8.

目 录
一课程设计的目的及意义 1
二、石油管道概述 2
（一）石油管道的特点 2
（二）石油管道的发展概况 2
（三）石油管道的设计内容及方法 3
（四）石油管道的一般设计步骤 3
三、等温输送管道设计 6
（一）基本参数 6
（二）计算（设计）内容及步骤 6
四、热油管路设计 15
（一）基本参数 15
（二）计算（设计）内容及步骤 16
结束语 21
参考文献 22

一、课程设计的目的及意义
管输工艺是油气储运专业的一门主要专业课程。主要内容包括：输油管道勘察设计；等温及热油输送管道、顺序输送管道的工艺计算；热油管道的运行管理等内容。其中，等温管道和热油管道的设计是该门课程的重点问题，但在课堂理论教学的过程中，学生参与实际设计计算的机会较少，为使学生真正掌握等温和热油管道的设计，在学生学习理论知识后，辅以实际问题的设计计算，是十分必要的。
通过课程设计环节的训练，使学生掌握油气储运领域中常规的工程设计的基本内容和方法。通过让学生根据管道实际里程高程，泵和加热炉等资料，综合运用所学的专业知识，进行等温管道和热油管道的设计，以培养学生理论联系实际、分析问题、解决问题和充分利用计算机技术进行工程设计的能力。

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二、 石油管道概述
（一）石油管道的特点
1.运量大。不同于车、船等其他运输方式，输油管道可以连续运行。一条管径为720毫米的管道就可以每年运送易凝高黏原油2000多万吨，一条管径1200毫米的原油管道年运输量可达1亿吨。
2.建设投资相对较小，占地面积少，受地理条件限制少。占用土地少。管道可以从河流、湖泊、铁路、公路下部穿过，也可以翻越高山，横穿沙漠，一般不受地形与坡度的限制，可以缩短运输里程。
3.由于埋于地下，基本不受气候影响，可以长期稳定运行。
4.管道输送设备运行比较简单，易于就地自动化和进行集中遥控。先进的管道增压站已完全做到无人值守。由于节能和高度自动化，用人较少，使运输费用大大降低。
5.沿线不产生噪声，有利于环境保护。
6.漏失污染少，据近10年西欧石油管道统计漏失污染仅为输送量的4%。
（二）石油管道的发展概况
现代的管道输油开始于19世纪中叶，1865年美国宾夕法尼亚建成了世界上第一条输油管道，管道直径50mm，长约10km，之后输油管道虽在世界范围内有所发展但也较为缓慢，直到第二次世界大战，当时的美国因战争需要开始大规模建设长距离输油管道。二战结束后，世界范围内兴建了多条大型跨国界输油管道，且一批海洋输油管道也得到建成，海底管道已经深达海底100多米。美国目前拥有约30万公里的输油管道，中国的输油管道起步于1950年代，目前已经拥有约3万公里的输油管道系统，俄罗斯和中东国家也拥有复杂的输油管道系统。
连接俄罗斯和东欧的“友谊”输油管道是截至目前世界上最长的输油管道，起自俄罗斯的阿尔麦季耶夫斯克至匈牙利、捷克、斯洛伐克、波兰和德国。为双线：一线长5500公里，管径1.05米，年输油能力5000万吨；二线长4412公里，管径1.22米，年输油能力7000万吨，该管道承担东欧国家的重要能源供给。美国的阿拉斯加原油管道是美国的一条重要输油管道，长度为1287km，曾经在2011年因为泄漏事故关闭数日导致世界原油价格大幅上涨。中缅油气管道是2013年投入使用的一个由缅甸向中国输送原油和天然气的油气管道，年设计输送能力为2000万吨，相当于约每日40万桶，管道全长793公里，起于缅甸皎漂市，从云南瑞丽进入中国境内，该条管道将有助于中国摆脱长期依赖马六甲海峡进口石油的困局。
美国能源信息署预测，到2020年之前，世界管道的长度将以每年7%的增长率增长，到2015年前后，全球将新建约3.6万公里长度的输油管道，其中中国从2014年至2020年每年将建设约8000公里的输油管道。
除了线路里程的成长外，未来输油管道的发展更多在于技术革新。在原油管道技术方面，针对现役管道输量逐年下降、稠油开采量的增加以及原油开采向深海发展的现状，世界各国尤其是盛产含蜡高粘原油的大国，都在大力进行高粘、易凝原油长距离管道常温输送工艺及流动保障技术的试验研究，以及如何使管线在更安全和自动化条件下也是今后研究发展的目标。成品油管道技术发展方向是大流量、多油源、多品种、多分支，以及采用紊流密闭输送及减阻工艺和采用远程自动化控制泵和阀门的启停，实现水击的超前保护等。此外在建造上，例如如何穿越碎石冻土之类复杂地质条件的技术难关目前也取得了一定突破，但也面临例如长年使用的管线老化等问题。
(三) 石油管道的设计内容及方法
设计工作包括编制设计文件、配合施工和参加验收、惊醒总结的全过程。大型输油管道建设的前期任务工作包括由上级主管部门或管道设计单位委托设计或咨询单位进行可行性研究、编制设计任务。根据批准的设计任务书，按初步设计和施工图设计两个阶段进行设计。
（四）石油管道的一般设计步骤
1. 可行性研究
《关十建设项目进行可行性研究的试行管理办法》指出:可行性研究的任务是根据国民经济长期规划和地区规划、行业规划的要求，对建设项目在技术、工程和经济上是否合理和可行，进行全面分析、论证，作多方案比较，提出财务评价与国民经济评价，为编制和审批设计任务书提供可靠依据。财务评价是从工程项目本身财务角度，根据国家现行财税制度和现行价格，分析测算项目的效益和费用，考察项目的获利能力、清偿能力，据以判别项目财务上的可行性。国民经济评价则从国家整体角度考察项目的效益和费用，用影子工资、影子汇率和社会折现率，计算和分析项目给国民经济带来的净效益，据以评价项目在经济上的合理性，从而确定投资行为的宏观可行性。
可行性研究是分析、评价各种建设方案和生产经营决策的一种科学方法。它要对新建、扩建项目的一些主要问题，如市场需要、资源条件，燃料、动力供应条件，建设规模，以及设备选型等，从工程的技术、经济、安全等方面进行调查研究，分析比较，并对项目建成后可能取得的技术经济效果进行预测。从而提出该项目可否建设和如何进行建设的意见，为项目决策提供可靠的依据。
可行性研究报告是项目决策的依据，应按规定做到一定的设计深度。可行性报告完成后要按规定进行审批，同时据可行性报告进行管道工程的安全预评价、环境保护评价、地震及地质灾害评价、劳动卫生评价等工作，安全预评价报告要通过评审。审批和评审中提出的改进意见和建议要在今后的设计和建设中落实。
(1)可行性研究报告内容
输油管道工程项目可行性研究报告一般应包括以下主要内容：
①　 总论、工程概况、依据与原则。
②　 论述建设该输油管道的必要性。
③　 油源、油品去向的近期、远期规划。
④　 线路情况，包括走向、线路长度、大型穿（跨）越方案、沿线气候、地水文及工程地质概况等。
⑤　 输油工艺方案，包括输送工艺、输量、管径、管材规格、管道防腐、输送温度、输送压力、输油站数、站址及规模、主要设备类型等。
⑥　 自动控制、通信、供水、供电、热工、机修等设施的论述，管理机构及人员编制等说明。
⑦　 环境保护与劳动保护
⑧　 经济分析(财务评价、国民经济评价、结论和建议)。最后确定推荐方案。
⑨　 可行性研究除以说明书阐明上述问题外，还应附上工艺流程图和概算表。
（2）设计任务书的内容
根据可行性研究报告及其审批意见编制设计任务书。设计任务书是编制设计文件的主要依据。一般包括以下主要内容:
①工程项目的依据。
②管道的起、终点，主要走向及中间进、出油点。
③所输油品品种，年输量（近期与远期）。
④对输油管道技术水平及某些技术指标的要求。
⑤建设进度与投资估算。
⑥各设计阶段的期限。
（3）初步设计
初步设计是在工程项目确立后，根据设计任务书的要求，结合实际条件所做的工程具体实施方案。它是安排建设项目和组织工程施工的主要依据。设计深度应满足工程项目投资包干、招标承包、材料与设备订货〕土地征购和施工准备等要求，并能据以编制施工图和总概算。
初步设计编制的总概算是控制工程项目总投资的主要依据。设计单位应严格保证设计质量，每项设计要作多方案比较，合理地确定设计文案;设计必须有充分和准确可靠的基础资料;设计所采用的设备、材料和要求的施工条件要切合实际;设计文件的尝试要符合建设和生产的要求。初步设计须按照国家规定的上级部门审批。安全专篇由安全生产监督局组织评审。输油管道初步设计通常包括以下文稿字材料与图纸:
①概述，包括设计依据，设计指导思想、原则与特点，工程概况与主要技术经济指标，基础资料与数据。
②工艺部分，泵站数及站址包括输送工艺，水力、热力、及强度计算结果，管材规格首、末站储油罐容量及数量。
③线路包括线路走向及沿线状况，线路工程及穿越工程，管道防腐与保温。
④泵站及加热站，包括首、末站及中间站工艺流程，泵机组和加热炉的型号、规格，供电与配电，仪表及自动控制，给水排水、消防、采暖通风，其他辅助设施，总图与主要建筑物。
⑤通信，包通信方式、通信组织、主要设备。
⑥安全专篇，说明工程项目采用的安全设施、安全措施。安全管理机构及
员配备情况，有关安全的专用投资概算等。
⑦管理，包括组织机构、人员编制。
⑧设备与材料清单。
⑨总概算。
2. 施工图设计
根据批准的初步设计和主要设备订货情况即可进行施工图设计。设计人员应根据初步设计及其审批意见所确定的方案，利用勘察及调研所搜集的资料，遵照有关标准、规范，绘出正确、详细并符合规定的图纸，满足施工、非标准设备制造的需要。本阶段主要工作内容为:
（1）组织施工图阶段的勘察工作，修改或补充原初步设计。
（2）按批准和修改后的初步设计进行线路设计和输油站设计。线路设计主要包括确定各区段管子的壁厚、防伪绝缘层和保温层的结构与厚度、线路变坡与转角结构、管沟挖深、各穿越工程的结构、线路阀室等。输油站设计主要包括站址和工艺流程的最后确定，平、立面布置，各单体（如泵房、罐区、加热炉等）的安装设计与计算。
（3）绘制施工图。施工图是发给施工单位组织施工的，必须详尽至全部工程目的每一个需要建筑安装的部分。泵站施工图主要包括总平面图、竖向面置图、站内工艺管网安装图、泵房和阀室的平面及立面安装图、油罐制千图及站内各配套工程设施的施工图。线路施工图主要包括线路平面图、纵断面图、各穿越工程的平、立面图和安装详图、线路阀室安装图、阴极保护及其他附属工程的施工图。
（4）材料、设备明细表与预算。
各施工单位共同编制的施工技术要求和施工组织设计。
三、 等温输送管道设计
（一）基本参数
某长输管线按“从泵到泵”方式输送柴油，输量为50万吨/年，管材Φ159×6，管壁粗糙度e=0.1mm,管线最高压力64×105Pa,沿线年平均地温to12℃,最低月平均地温to=3℃,年工作日按350天计算.泵站选用65Y-50×12型离心泵,允许进口压力为0-40m油柱,每个泵站的站内损失按20m油柱计算,首站进站压力取20m油柱。
表3-1 65Y-50×12型离心泵输水时参数
Q(m3/h)
H(m)
η(%)
N(kW)
15
672
43
63.8
25
600
52
78.5
30
552
53
85.5
表3-2 油品的物性参数

ρ20(kg/m3)
υ12(m2/s)
υ3(m2/s)
柴油
822
3.36×10-6
6.58×10-6
汽油
746
0.82×10-6

表3-3 管线长度及高程
距离(km)
0
50
100
125
150
162
183
235
255
268
高程(m)
300
120
470
1155
1330
1300
790
910
610
60
（二）计算（设计）内容及步骤
按平均地温试做以下计算：
1、按米勒和伯拉休斯公式计算输送柴油的水力摩阻系数，并比较计算结果的
相对差值。
2、若改输汽油，按列宾综公式和依萨也夫公式计算水力摩阻系数，并比较计
算结果的相对差值。
3、输送柴油的工艺计算。
（1）用最小二乘法求泵特性方程，比较计算与实测值的相对误差。
（2）确定泵站泵机组的运行方式及台数。
（3）按列宾宗公式计算水力坡降，求所需泵站并化整。
（4）用解析法求工作点。
（5）在管线纵断面图上布置泵站。
（6）根据站址计算全线各站进、出站压力，检查全线动静水压力。
（7）计算冬季地温3℃时，输送柴油的工作点及各站的进、出站压力，并与年平均地温时的进、出站压力比较。
按平均地温12℃进行以下计算：
1、按米勒和伯拉休斯公式计算输送柴油的水力摩阻系数，并比较计算结果的相对差值；
设在12℃下，柴油的密度为，有：
（3-1）
=1.8250.001315822
=0.7441 kg/(m3.℃)
（3-2）
=8220.7441(1220)
=827.9528 kg/m3
设柴油的体积流量为Q，有：
Q=G/ （3-3）
=50×107/827.9528
=0.02 m3/s
在12℃下柴油运动粘度为=3.3610-6 m2/s，管内径d==147mm，根据以上公式可计算雷诺数Re：
Re= （3-4）
=
=51556
根据管壁粗糙度e=0.1mm知，水力光滑区的上限雷诺数为：
Re1 = （3-5）
=
=112650
由于3000< Re< Re1 ,所以油流处于水力光滑区。
利用米勒公式计算输送柴油的水力摩阻系数λ，有：

解得：
λ=0.0207
利用伯拉休斯公式计算输送柴油的水力摩阻系数λ，有：
λ=0.3164Re-0.25=0.316451556-0.25 =0.0210
所求得的两个值的相对差值为：
（0.0210-0.0207）/0.0210×100%=1.43%
结果表明米勒公式和伯拉休斯公式计算的水力摩阻系数很接近。当层流边层厚度能够盖住管内壁全部粗糙凸起时，λ仅与Re有关，称为水力光滑区。我国现有加热输送含蜡原油的长输管道的流态大多为水力光滑区，一般在Re<50000范围内，多用该伯拉休斯公式。但近年来美国和日本的大直径原油管道设计中采用的是米勒公式。
2、若改输汽油，按列宾宗公式和伊萨也夫公式计算水力摩阻系数。
设在12℃下，汽油的密度为，有：

=1.825-0.001315746
=0.8440kg/(m3.℃)

=746-0.8440(12-20)
=752.7520kg/m3
汽油的体积流量为Q'，有：
Q'=G /
=50×107/（752.752035024）
=0.0220m3/s
在12℃下，汽油的运动粘度为=0.8210-6m2/s，管内径d=147mm，根据雷诺公式可求得雷诺数Re'如下：
Re'= ==232499
由公式（3-5）知Re'> Re1，油流不在水力光滑区，所以混合摩擦区的上限雷诺数：
Re2===2100410
由于Re1< Re'< Re2,所以管中油流处于混合摩擦区。
按列宾宗公式计算输送汽油的水力摩阻系数λ，有：
A=0.0935，m=0.123
λ===0.0205
其中A为混合摩擦区系数。
按伊萨也夫公式计算输送汽油的水力摩阻系数λ，有：
=-1.8lg=-1.8lg=7.195
解得：
λ=0.0193
比较以上计算结果知，列宾宗公式计算的水力摩阻系数λ稍大于伊萨也夫公式计算的水力摩阻系数λ，两者非常接近，只差0.0012，相对误差约为6%。
3、输送柴油的工艺计算。
（1）用最小二乘法求泵特性方程，比较计算与实测值的相对误差。
由于输送柴油时，油流处于水力光滑区，所以用最小二乘法回归到得到泵特性方程中m=0.25，则设=Hi，xi=-,H1m,H2m,H3m,Q1=15m3/s, Q2=25 m3/s,m3/s根据公式：

得：
=723.031，b=0.4433
应用VB最小二乘法拟合泵特性方程,程序与结果如下图：
Option Base 1
Private Sub Form_Click()
Dim i%, a!, b!
Dim Q As Variant, H As Variant, x(3) As Single, y(3) As Single, m As Single
ReDim t(2, 2) As Double
Q = Array(15, 25, 30)
H = Array(672, 600, 552)
For i = 1 To 3
x(i) = -Q(i) ^ 1.75
y(i) = H(i)
t(1, 1) = t(1, 1) + x(i)
t(1, 2) = t(1, 2) + y(i)
t(2, 1) = t(2, 1) + x(i) * y(i)
t(2, 2) = t(2, 2) + x(i) ^ 2
Print "Q("; i; ")"; "="; Q(i), , "H("; i; ")"; "="; H(i)
Next i
b = (t(1, 1) * t(1, 2) - 3 * t(2, 1)) / ((t(1, 1) ^ 2) - 3 * t(2, 2))
a = (t(1, 2) - b * t(1, 1)) / 3
Print "泵的特性方程："
Print "H ="; a; "-"; b; "Q^(2-m)"
End Sub

计算与实测值的相对误差，计算得相对误差见表3-4。
表3-4 相对误差
H计算值
H实测值
相对误差
672.3444
672
0.000513
599.1143
600
0.001476
552.5416
552
0.000981

由表3-4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。
（2）确定泵站泵机组的运行方式及台数。
长输管线的输量Q==71.8928m3/h
管线的最高工作压力p=64105 Pa=650 m水柱
每台65Y-5012型离心泵的流量15m3/h~30m3/h，扬程为552m~672m水柱，即（54.1~65.9）105Pa。
由以上参数对比可知，泵站机组的运行方式为三台泵并联，泵站特性方程为：
Hi ==723.031-0.065Q1.75
式中 Np————为泵机组的运行功率。
（3）按列兵综公式计算水力坡降，求所需泵站数并化整。