输油管道工艺设计

管道输送工艺设计
目录
1 总论2
1.1 设计依据与原则2
1.1.1 设计依据2
1.1.2 设计原则2
1.2 总体技术水平2
2 输油工艺3
2.1 主要工艺参数3
2.1.1 设计输量3
2.1.2 其它有关基础数据3
2.2 主要工艺技术3
3 工程概况3
4 设计参数4
4.1 管道设计参数4
4.2 原油物性4
4.3 其它参数4
5 工艺计算4
5.1 输量换算4
5.2 管径规格选择5
5.2.1 选择管径5
5.2.2 选择管道壁厚5
5.3 热力计算6
5.3.1 计算K值6
5.3.2 计算站间距9
5.4 水力计算13
5.4.1 计算输油平均温度下的原油运动粘度13
5.4.2 判断流态13
5.4.3 计算摩阻14
6 设备选型15
6.1 设备选型计算15
6.1.1 泵的选型15
6.1.2 原动机的选型16
6.1.3 加热设备选型16
6.2 站场布置16
7 最小输量19
8 设计结果20
9 动态技术经济比较〔净现值法〕21
参考文献21
1 总论
1.1 设计依据与原则
1.1.1 设计依据
〔1〕国家的相关标准、行业的有关标准、规X；
〔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X.
〔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、工业控制与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,并可与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〕采用固化时间短、防腐性能优异的环氧粉末作为管道外防腐层.
2 输油工艺
2.1 主要工艺参数
2.1.1 设计输量 年输量为3000万吨 2.1.2 其它有关基础数据
〔1> 保温层<泡沫塑料>40mm ； 〔2〕管道埋地深1.6m ； 〔3〕管道埋深处平均地温：
0T =
912
7
8101213121198765=+++++++++++C
〔4〕原油含水< 0.5%； 〔5〕年输送天数：350天.
2.2 主要工艺技术
输油干线拟采用密闭输油方式.输油管道首站设置出站超高压保护装置,中间站设变频器控制各进干线的压力,确保输油干线长期安全、平稳运行.
3 工程概况
某油田计划铺设一条180公里、年输量为300万吨的热油管道,管线经过区域地势平坦.
表3-1地温资料：
4 设计参数
4.1 管道设计参数
最大运行压力7.5MPa,末站剩余压头60m ,局部摩阻按1.2%,进站温度控制在39C ,最高输送温度70C ,最低输送温度35C .
4.2 原油物性
20C 相对密度0.867,50C 粘度9.6mPa.s ,粘温指数0.038.
4.3 其它参数
保温层采用黄夹克,厚度40mm ,土壤导热系数1.2W/<m.C >.
5 工艺计算
5.1 输量换算
管道周围的自然温度；
0T =
912
7
8101213121198765=+++++++++++C ；
平均温度为：
Z R pj T T T 3
2
31+= 〔5-1〕
式中 pj T ——平均温度,C
Z R T T ,——加热站的起点、终点温度,C .
由公式〔5-1〕得：
温度系数为：
20001315.0825.1ρξ-= 〔5-2〕
式中 ξ——温度系数,)/(3C m kg ⋅；
20ρ——温度为20C 时的油品密度,3/m kg . 由公式〔5-2〕得： 46.7C 时原油的密度为：
)20(207.46--=t ξρρ 〔5-3〕
式中 7.46ρ——温度为46.7C 时的油品密度,3/m kg ；
ξ——温度系数,)/(3C m kg ⋅；
20ρ——温度为20C 时的油品密度,3/m kg ； T ——油品温度,C . 由公式〔5-3〕得：
7.857)207.46(685.08767.46=-⨯-=ρ〔3/m kg 〕
体积流量为：
t
G
Q ρ=
〔5-4〕 式中Q ——体积流量,s m /3或h m /3；
G ——年输量,kg ；
T ——年输油时间,按350天算. 由公式〔5-4〕得：
5.2 管径规格选择
5.2.1 选择管径
取经济流速为V=2.0m/s,则管径为：
v
Q
D π4=
〔5-5〕 式中D ——管道直径,m ； Q ——体积流量,s m /3； V ——经济流速,s m /. 由公式〔5-5〕得： 5.2.2 选择管道壁厚
查规X,选规格为X60的管材,其最小屈服强度为415MPa,故其壁厚为：
s
K PD
PD φδσδ2][2==
〔5-6〕 式中 δ——壁厚,m ；
P ——设计压力〔取工作压力的1.15倍〕MPa; D ——管道外径,m ；δ2+=d D ；
][σ——许用压力,MPa ；][σ=S K φδ2；
K ——设计系数,取0.72；
φ——焊缝系数,取1
s δ——钢管的最低屈服强度,X60钢取413MPa . 由公式〔5-6〕得：
查规X,选4273⨯φ为方案一和4325⨯φ为方案二的标准管道.
5.3 热力计算
5.3.1 计算K 值 ①方案一：
4273⨯φ的标准管道
管道中的实际流速为：
s m d
Q
v /098.2100026514.311566.0442
2
1=⎪
⎭
⎫ ⎝⎛⨯⨯==
π
〔5-7〕 式中d ——管道内径,m ；
Q ——体积流量,s m /3；
1v ——实际流速,s m /.
选取泡沫塑料作为保温材料,查规X 可知,第一层钢管壁的导热系数为
)/(5.45C m W ⋅,第二层保温层的导热系数为)/(04.0C m W ⋅.查阅相关手册可知,
保温材料厚度为40mm.而：
w i i i L D d D d K παπλπα211
ln 21
1
1
+∑+=
〔5-8〕
2
221111ln 21
ln 21ln
21d D d D d D i i πλπλπλ+=∑
〔5-9〕 式中L K ——单位长度的总传热系数,)/(2C m W ⋅；
1α——油流至管内壁的放热系数,)/(2C m W ⋅；
2α——管最外层至周围介质的放热系数,)/(2C m W ⋅； i δ——第i 层的厚度,m ；
i λ——第i 层〔结蜡层、钢管壁、防腐绝缘层等〕导热系数,)/(C m W ⋅
d ——管内径,m ；
i D ——第i 层的外径,m ； i d ——第i 层的内径,m ； w D ——最外层的管外径,m ；
D ——管径,m ；若21αα>>,D 取外径；若21αα≈,D 取算数平均值；若21αα<,D
取内径.
由公式〔5-9〕得：
管道最外层至周围介质的放热系数为：
]1)2(2ln[
222-+=
w
t w t w t
D h
D h D λα 〔5-10〕
式中t λ——土壤导热系数,)/(C m W ⋅；
t h ——管中心埋深,m ； w D ——最外层的管外径,m.
由公式〔5-10〕得：
在紊流情况下,1α对总传热系数影响很小,可忽略不计. 由公式〔5-8〕得：
管道总传热系数为：
D K K L π⨯= 〔5-11〕
式中K ——管道总传热系数,)/(C m W ⋅；
L K ——单位长度的总传热系数,)/(2C m W ⋅；
D ——管道内径,m . 由公式〔5-11〕得： ②方案二：
4325⨯φ的标准管道
管道中的实际流速为： 式中d ——管道内径,m ；
Q ——体积流量,s m /3；
2v ——实际流速,s m /.
选取泡沫塑料作为保温材料,查规X 可知,第一层钢管壁的导热系数为
)/(5.45C m W ⋅,第二层保温层的导热系数为)/(04.0C m W ⋅.查阅相关手册可知,
保温材料厚度为40mm.而：
w i i i L D d D d K παπλπα211
ln 21
1
1
+∑+=
〔5-8〕
2
221111ln 21
ln 21ln
21d D d D d D i i πλπλπλ+=∑
〔5-9〕 式中L K ——单位长度的总传热系数,)/(2C m W ⋅；
1α——油流至管内壁的放热系数,)/(2C m W ⋅；
2α——管最外层至周围介质的放热系数,)/(2C m W ⋅； i δ——第i 层的厚度,m ；
i λ——第i 层〔结蜡层、钢管壁、防腐绝缘层等〕导热系数,)/(C m W ⋅ d ——管内径,m ；
i D ——第i 层的外径,m ； i d ——第i 层的内径,m ； w D ——最外层的管外径,m ；
D ——管径,m ；若21αα>>,D 取外径；若21αα≈,D 取算数平均值；若21αα<,D
取内径.
由公式〔5-9〕得：
管道最外层至周围介质的放热系数为：
]1)2(2ln[
222-+=
w
t w t w t
D h
D h D λα 〔5-10〕
式中t λ——土壤导热系数,)/(C m W ⋅；
t h ——管中心埋深,m ； w D ——最外层的管外径,m.
由公式〔5-10〕得：
在紊流情况下,1α对总传热系数影响很小,可忽略不计.
由公式〔5-8〕得：
管道总传热系数为：
D K K L π⨯= 〔5-11〕
式中K ——管道总传热系数,)/(C m W ⋅；
L K ——单位长度的总传热系数,)/(2C m W ⋅；
D ——管道内径,m . 由公式〔5-11〕得： 5.3.2 计算站间距
C 15时原油的相对密度为：
1000
)
20(20154--=
t d ξρ 〔5-12〕
式中15
4d ——15C 时原油的相对密度；
ξ——温度系数,)/(3C m kg ⋅；
20ρ——温度为20C 时的油品密度,3/m kg . 由公式〔5-12〕得：
原油的比热容为：
)1039.3687.1(1
315
4
T d C -⨯+=
〔5-13〕
式中15
4d ——15C 时原油的相对密度；
C ——比热容,)/(C kg kJ ⋅； T ——原油温度,C . 由公式〔5-13〕得： C )]/([99.1)7.461039.3687.1(8636
.013C kg kJ ⋅=⨯⨯+⨯=
-
质量流量为：
t
G
G =
1 <5-14> 式中1G ——原油质量流量,s kg /；
G ——年输量,kg ；
t ——年输油时间,按350天算. 由公式〔5-14〕得：
加热站间距为：
1ln
T T T T DK C G L z R R --=
π 〔5-15〕 式中1G ——原油质量流量,s kg /；
K ——管道总传热系数,)/(C m W ⋅；
D ——管道内径,m ；
R T ——加热站的出站温度,C ； 0T ——管道周围的自然温度,C ；
Z T ——加热站的进站温度,C ； R L ——加热站间距,
①方案一：
4273⨯φ的标准管道 由公式〔5-15〕得：
加热站数：
R
L L
n =
〔5-16〕 式中 n ——加热站数,个；
L ——输油管道总长,m ；
R L ——加热站间距,m ；
由公式〔5-16〕得：
热负荷：
η
)
(q 1Z R T T C G -=
〔5-17〕
式中q ——加热站的热负荷,kJ/s ；
η——加热站的效率；
1G ——原油质量流量,s kg /；
Z T ——加热站的进站温度,C ； R T ——加热站的出站温度,C .
C ——比热容,)/(C kg kJ ⋅ 由公式〔5-17〕得：
由于热站的热负荷较大,故需增加热站数,取n=2个.则热站间距为：
n
L
L R =
〔5-18〕 式中n ——加热站数,个；
L ——输油管道总长,m ；
R L ——加热站间距,m ；
由公式〔5-18〕得： 计算出站温度
出站温度为：
C
G DL K Z R e
T T T T 1)(00π-+= 〔5-19〕
式中1G ——原油质量流量,s kg /；
Z T ——加热站的进站温度,C ； R T ——加热站的出站温度,C .
C ——比热容,)/(C kg kJ ⋅
L ——加热站间距,m ；
K ——管道总传热系数,)/(C m W ⋅；
D ——管道内径,m.
0T ——管道周围的自然温度,C ；
由公式〔5-19〕得： 由公式〔5-17〕得热负荷为： ②方案二：
4325⨯φ的标准管道: 由公式〔5-15〕得：
加热站数：
R
L L
n =
〔5-16〕 式中 n ——加热站数,个；
L ——输油管道总长,m ；
R L ——加热站间距,m ；
由公式〔5-16〕得：
热负荷：
η
)
(q 1Z R T T C G -=
〔5-17〕
式中q ——加热站的热负荷,kJ/s ；
η——加热站的效率；
1G ——原油质量流量,s kg /；
Z T ——加热站的进站温度,C ； R T ——加热站的出站温度,C .
C ——比热容,)/(C kg kJ ⋅ 由公式〔5-17〕得：
由于热站的热负荷较大,故需增加热站数,取n=2个.则热站间距为：
n
L
L R =
〔5-18〕 式中n ——加热站数,个；
L ——输油管道总长,m ；
R L ——加热站间距,m ；
由公式〔5-18〕得： 计算出站温度
出站温度为：
C
G DL K Z R e
T T T T 1)(00π-+= 〔5-19〕
式中1G ——原油质量流量,s kg /；
Z T ——加热站的进站温度,C ； R T ——加热站的出站温度,C .
C ——比热容,)/(C kg kJ ⋅
L ——加热站间距,m ；
K ——管道总传热系数,)/(C m W ⋅；
D ——管道内径,m.
0T ——管道周围的自然温度,C ；
由公式〔5-19〕得：
由公式〔5-17〕得热负荷为：
5.4 水力计算
5.4.1 计算输油平均温度下的原油运动粘度 ①方案一：
4273⨯φ的标准管道
由公式〔5-1〕得平均温度为：
由公式〔5-3〕得C 50时原油的密度为：
()3.812)2050(001315.0825.18672050=-⨯--=ρρ〔3/m kg 〕 故平均温度下的运动粘度为：
)(00
t t u pj e --=υυ 〔5-20〕
式中0,υυpj ——温度为平均温度、0t 时油品的运动黏度,s m /2；
u ——黏温指数,C /1. 由公式〔5-20〕得： ②方案二：
4325⨯φ的标准管道
由公式〔5-1〕得平均温度为：
由公式〔5-3〕得C 50时原油的密度为：
()3.812)2050(001315.0825.18672050=-⨯--=ρρ〔3/m kg 〕 故平均温度下的运动粘度为：
)(00
t t u pj e --=υυ 〔5-20〕
式中0,υυpj ——温度为平均温度、0t 时油品的运动黏度,s m /2；
u ——黏温指数,C /1. 由公式〔5-20〕得： 5.4.2 判断流态 ①方案一：
4273⨯φ的标准管道
雷诺数为： υπd Q
4Re =
〔5-21〕78
1)2(9
.57Re d
e =
〔5-22〕
式中u ——黏温指数,C /1.
υ——输送温度下原油的运动黏度,s m /2； Q ——管路中原油的体积流量,s m /3； e ——管壁的绝对粗糙度,m . 由公式〔5-21〕得： 由公式〔5-22〕得：
由于1Re Re 3000<<,所以其是处于水力光滑区,故前面的假设是正确的. ②方案二：
4325⨯φ的标准管道
雷诺数为： υπd Q
4Re =
〔5-21〕7
81)2(
9.57Re d
e =
〔5-22〕
式中u ——黏温指数,C /1.
υ——输送温度下原油的运动黏度,s m /2； Q ——管路中原油的体积流量,s m /3； e ——管壁的绝对粗糙度,m . 由公式〔5-21〕得： 由公式〔5-22〕得：
由于1Re Re 3000<<,所以其是处于水力光滑区,故前面的假设是正确的. 5.4.3 计算摩阻 ①方案一：
4273⨯φ的标准管道
一个加热站间的摩阻为：
R m
m
pj
m R L d
Q h --=521υβ
〔5-23〕
总摩阻为： 1R R nh h = 〔5-24〕 全线所需总压头为：
Z h h h H m R R ∆+++=%2.1 〔5-25〕
式中R h ——沿线总摩阻,m ；
1R h ——加热站间距的摩阻,m ；
H ——全线所需要的总压头,m .
由公式〔5-23〕得： 由公式〔5-24〕得： 由公式〔5-25〕得： ②方案二：
4325⨯φ的标准管道
一个加热站间的摩阻为：
R m
m
pj
m R L d
Q h --=521υβ
〔5-23〕
总摩阻为： 1R R nh h = 〔5-24〕 全线所需总压头为：
Z h h h H m R R ∆+++=%2.1 〔5-25〕
式中R h ——沿线总摩阻,m ；
1R h ——加热站间距的摩阻,m ；
H ——全线所需要的总压头,m . 由公式〔5-23〕得： 由公式〔5-24〕得： 由公式〔5-25〕得：
6 设备选型
6.1 设备选型计算
6.1.1 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.
选用泵型号为KDY500-130×5,其流量为500h m /3,扬程为650m,转速为
2980转/分,效率为83%.每个泵站选用两台,其中一台为备用泵. ①方案一：
由公式〔5-3〕得平均温度下的密度为：
()1.798)208.57(001315.0825.18672073.43=-⨯--=ρρ〔3/m kg 〕 泵所产生的压力为：
gH P ρ= <6-1>
式中P ——泵所能够提供的压力,Pa ；
ρ——油品的密度,3/m kg ；
H ——泵所提供的扬程,m ；
由公式〔6-1〕得：P MPa MPa 5.7)(1.5106508.91.7986<=⨯⨯⨯=- 故所选择的泵符合要求.
②方案二：
由公式〔5-3〕得平均温度下的密度为：
()823)201.44(001315.0825.18672073.43=-⨯--=ρρ〔3/m kg 〕 泵所产生的压力为：
gH P ρ= <6-1>
式中P ——泵所能够提供的压力,Pa ；
ρ——油品的密度,3/m kg ；
H ——泵所提供的扬程,m ；
由公式〔6-1〕得：P MPa MPa 5.7)(2.5106508.98236<=⨯⨯⨯=- 故所选择的泵符合要求. 6.1.2 原动机的选型
JKZ 异步电动机,型号为JKZ-2000,额定功率2000kw,额定电压6000V ,额定电流234A,转速2985转/分,效率95.5%. 6.1.3 加热设备选型
首站选用换热器,其他加热站选用直接管式加热炉,型号：GW4400-Y/6 4-Y ,其额定功率为4400KW,效率为87%.
6.2 站场布置
①方案一：
4273⨯φ的标准管道
泵站数为：
c
H H
n =
<6-2> 式中n ——泵站数,个； H ——全线所需的总压头,m ；
c H ——泵所提供的扬程,m.
由公式〔6-2〕得：
n 5.2650
34
.1606==
<个> 向上取整,取n =3〔个〕；为了保证任务输量不变,可对泵站中的泵机组采取减小级数等措施.
采用平均法布站,其站间距为：
n
L
L R =
〔6-3〕 式中R L ——泵站站间距,m ； L ——管线总长,m ； 由公式〔6-3〕得：
泵站内压头损失不计,后面的泵站进口压力控制在30～80m X 围内.
〔1〕当首站与第二站站间距取90km ,其进口压力为：
m ti h Z iL H h -∆--= 〔6-4〕
式中ti h ——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 ；
Z ∆——两泵站间的高程差,m ；
m h ——泵站内压头损失,m .
取首站与第二站的站间距为65km ,进口压力为： 水力坡降：0089.0180000
34.1606===
l H i 符合要求,故第二站布置在距离首站65km 处.
〔2〕取首站与第三站的站间距为135km ,进口压力为： 符合要求,故第三站布置在距离首站135km 处.
故全线泵站布置完毕. ②方案二：
4325⨯φ的标准管道: 水力坡降：0115.0180000
2071===
l H i c
H H
n =
<6-2> 式中n ——泵站数,个； H ——全线所需的总压头,m ；
c H ——泵所提供的扬程,m.
由公式〔6-2〕得：
n 2.3650
22071
==
<个> 向上取整,取n =4〔个〕；为了保证任务输量不变,可对泵站中的泵机组采取减小级数等措施.
采用平均法布站,其站间距为：
n
L
L R =
〔6-3〕 式中R L ——泵站站间距,m ； L ——管线总长,m ； 由公式〔6-3〕得：
泵站内压头损失不计,后面的泵站进口压力控制在30～80m X 围内. 〔1〕
m ti h Z iL H h -∆--= 〔6-4〕
式中ti h ——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 ；
Z ∆——两泵站间的高程差,m ；
m h ——泵站内压头损失,m .
取首站与第二站的站间距为50km ,进口压力为： 符合要求,故第二站布置在距离首站50km 处.
〔2〕取首站与第三站的站间距为102km ,进口压力为： 符合要求,故第三站布置在距离首站120km 处.
〔3〕取首站与第四站的站间距为175km ,进口压力为： 符合要求,故第四站布置在距离首站175km 处. 故全线泵站布置完毕.
7 最小输量
①方案一：
管道的最小输量为：
min 0
max min ln
T T T T C DL
K G Z R --=
π 〔7-6〕
式中min G ——管道最小输量,kg/s ；
K ——总传热系数,)/(C m W ⋅； D ——管道外径,m ； L ——加热站间距,m ；
C ——原油比热容,)/(C kg kJ ⋅；
m ax R T ——加热站的最高出站温度,C ； 0T ——管道周围的自然温度,C ；
min Z T ——加热站的最低进站温度,C .
由公式〔7-6〕得：
②方案二：
管道的最小输量为：
min 0
max min ln
T T T T C DL
K G Z R --=
π 〔7-6〕
式中min G ——管道最小输量,kg/s ；
K ——总传热系数,)/(C m W ⋅； D ——管道外径,m ； L ——加热站间距,m ；
C ——原油比热容,)/(C kg kJ ⋅；
m ax R T ——加热站的最高出站温度,C ； 0T ——管道周围的自然温度,C ；
T——加热站的最低进站温度,C .
min
Z
由公式〔7-6〕得：
8 设计结果
本次设计采用加热密闭输送方式,各个参数设计结果列入下表：
表8-1 管道设计结果
表8-2 泵设计结果
表
8-3 热站设计结果
.
表8-4 热站布置设计结果
表8-5 泵站布置设计结果
9 动态技术经济比较〔净现值法〕
①方案一：
项目投资35万元,以后连续每年有相同的净收益10万元,其基准收益率为10%,其净现值：
②方案二：
项目投资30万元,以后连续每年有相同的净收益10万元,其基准收益率为15%,其净现值：
由于方案二的净现值大于方案一,因此采用方案二作为施工方案.
参考文献
[1] X其敏,孟江.油气管道输送技术..##.20##7月.第一版
[2] 严大凡.输油管道设计与管理..石油工业.
[3] 姬忠礼,邓志安,赵会军.泵与压缩机.：石油工业
[4] X德姜,王怀义,X绍叶.石油化工装置工艺管道安装设计手册.##
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