流体力学 管道计算

输油站的工艺流程，是指油品在站内的流动过程，实际上就是
站内管道、管件、阀门所组成的，并与其它输油设备（包括泵机 组、加热炉和油罐）相连的输油管道系统。该系统决定了油品在 站内可能流动的方向，输油站的性质和所承担的任务。 1.工艺流程设计原则 ①工艺流程要满足各输油生产环节的需要。输油管建成后， 存在三个生产过程：试运投产、正常输油和停输再启动。 ②中间输油泵站的工艺流程要和采用的输送方式（开式、闭 式）相适应。 ③便于事故处理和检修 ④经济、节约 ⑤能促使采用最新科学技术成就，不断提高输油水平。
粘度[mPas] 11.73 13.16 12.68 12.69 14.97 13.94 15.06 17.71 17.25 18.95 30.62 25.72 25.83 41.94 40.2 36.48 49.65 53.5 53.65 62.93
温度（℃） 27 26 25.2 24.3 23.3 22.3 21.3 20.4 19.5 18.6 17.6 16.6 15.7 14.7 13.7 13 11.9 11.1 10.1 9
热输含蜡原油管道经济运行方案的确定
运行方案的经济性一般可用能耗费用来衡量。对于热油管道，能 耗费用包括动力费用和燃料费用:
C y (TR TZ ) e y LR
S = S p + SR
SR =
η R BH
2.723 × 10 3 Hed SP = η Pe LR
S－总能耗费用，元/吨.公里
S P — 动力费用，元/吨.公里
hR =
hT0 AR
{Ei[ mu (TR T0 )] Ei[ mu (TZ
5 D0 m
T0 )]}
hT0 = β
m Q 2 mυ T0
LR , AR =
KπDL R GC
出现不稳定区的条件
1.粘度小时不存在不稳定区 粘度小时不存在不稳定区 2.在紊流情况下，不会出现不稳定区 在紊流情况下， 在紊流情况下 3.在层流情况下，会出现不稳定区，在实际中是可以经常遇 在层流情况下，会出现不稳定区， 在层流情况下 到的
N
J=n?
Y
J+1=J
end
习题
庆咸管线里程—高程数据收集如表1所示:
表1 庆咸管线里程—高程数据 里程(km) 高程(m) 0 1367 14 1360 40 1140 85 1150 92 1193 102 1167 120 1167 132 1153
管径采用Φ377×5.5规格，2006年年输量为122.2×104t/a，原油密度850kg/m3， 平均比热2000J/kg.℃，现场提供总传热系数为0.78 W/(m2.℃) ，年最低地温 为3 ℃，出站温度为50 ℃，出站压力为0.8MPa，所输送原油的粘温关系如表 2所示。 试计算该管线最冷工况下的压力和温度分布。
都应设计为“先炉后泵”流程，但进站压力一定要满足加热 都应设计为“先炉后泵”
炉的工作压力的需要。
对原油的加热主要有两种方式：直接加热和间接加热 1、直接加热：即原油直接在罐式加热炉内加热，炉膛四周并 列排有炉管，原油从管内流过，被火焰和烟气直接加热 。 加热炉直接加热油品，设备简单，投资省，占地少，但 热效率低且不安全。 方箱式加热炉，炉膛大热惯性大，升温降温都需要较长的 时间
缺点： ①设备多，占地面极大，投资大 ②自控水平高，要求操作水平高 ③热媒为一种低毒有机化合物，当热媒温度高于60℃时， 热媒与大气接触发生氧化，所以必须用氮气密封。
§3.6热油管道的日常运行管理 热油管道的日常运行管理
热油管路的特性曲线
Q2mν m h = f (Q) = β l 5m D
Q ↑ → V ↑ → h↑ 对等温管道：
3.确定最优管径方案。方法与等温管相同，只是能耗费用包括 动力费用和热能费用两部分 。 4.站址的确定 ①按最小设计输量布置热站，最大输量布置泵站，兼顾最 大最小输量要求，尽量使热站和泵站合并。 ②给出若干输量下的热站和泵站的允许组合。 5.校核 ① TR、TZ ②△HS, △Hd ③动静水压力 ④原动机功率及加热炉热负荷 ⑤ Gmin
③正输流程： 先泵后炉流程： 罐→阀组→泵→炉→阀组→下站（首战） 上站来油→阀组→泵→炉→阀组→下站（中间站） 若采用先炉后泵流程则为： 罐→给油泵→阀组→炉→泵→阀组→下站（首战） 上站来油→阀组→炉→泵→阀组→下站（中间站） 用于管线的正常输油。 ④反输流程 下站来油→阀组→泵→炉→阀组→上站 下站来油→阀组→炉→泵→阀组→上站 应用范围： a.因各种原因使停输时间过长，需反输活动管线。 b.管道输量太低，必须正反输交替运行。 c.清管器在进站管段受阻需进行反冲。 d.投产前管子预热。
3.分段计算法 分段计算法
当站间起终点粘度变化较大时， 当站间起终点粘度变化较大时，用站间平均温度法计算 摩阻损失误差较大。 将站间ห้องสมุดไป่ตู้成若干小段， 摩阻损失误差较大。此时可将站间分成若干小段，分段计算
管路的摩阻，然后各段摩阻相加。 管路的摩阻，
⑴将站间管路按管长或温度区间分成n段。 将站间管路按管长或温度区间分成n ⑵从加热站出口开始，由温降公式逐段计算每一小段li的起终 从加热站出口开始，由温降公式逐段计算每一小段l 点温度并计算其算术平均温度Tpj。 点温度并计算其算术平均温度T 及该小段摩阻h ⑶根据Tpj计算对应的油品粘度υpj，及该小段摩阻hRi 根据T 计算对应的油品粘度υ
2.输油站主要流程及其应用范围 ①来油与计算流量： 来油→流量计→阀组→罐 该流程仅存在于首、末站，用于与外系统的油品交换计量。 ②站内循环流程 罐→泵→炉→阀组→罐 应用范围： a.管道投产时作站内联合试运 b.输油干管发生故障或检修，防止站内系统的管道或设备凝油 c.下站罐位超高或发生冒罐事故 d.本站罐位超低或发生抽空现象 e.本站出站压力紧急超压 f.作为流程切换时的过渡流程
七.热油管道的设计计算的基本步骤 热油管道的设计计算的基本步骤
1.热力计算： ①确定热力计算所需要的参数：TR、TZ、T0、K ②计算加热站间距LR ③计算加热站数 nR并化整，确定加热站间距和出站油温TR ④计算加热站热负荷，选加热炉 2.水力计算 ①翻越点的确定 ②计算各加热站的摩阻hR（包括流态的判别） ③计算全线所需总压头 ④选择泵型号及其组合方式，计算泵站扬程 ⑤确定泵站数并化整
计算该段的终点温度T 计算该段的终点温度 j+1 计算该段原油的平均温度： 计算该段原油的平均温度：TPJ = 1Tj + 2 Tj+1
j
3
3
计算油流的雷诺数， 计算油流的雷诺数，并判别流态 计算沿程阻力系数、水力摩阻损失、 计算沿程阻力系数、水力摩阻损失、水力坡降
N
I 在给定的误差范围 内? Y 由伯努利方程求得该管段末端的压力P 由伯努利方程求得该管段末端的压力 2
⑦热力越战流程： 上站来油→阀组→泵→阀组→下站 应用范围： a.停炉检修 b.地温高，输量大，热损失小，可不加热 c.加热炉系统发生故障，但可以断油源 ⑧收发清管器流程： 发送清管器： 罐（或上站）→阀组→泵→炉→阀组→发送筒→下站 罐（或上站）→阀组→炉→泵→阀组→发送筒→下站 接收清管器： 上站→接收筒→阀组→泵→炉→阀组→下站 上站→接收筒→阀组→炉→泵→阀组→下站 该流程只有在清管时才使用。
粘度[mPas] 4.868 3.13 2.797 4.691 2.539 2.462 2.894 2.758 1.594 3.664 3.591 2.555 3.517 4.23 2.958 3.707 4.999 3.591 3.62 5.014
温度（℃） 59.1 58.3 57.3 56.3 55.5 54.4 53.5 52.5 51.6 50.7 49.8 48.8 47.9 46.8 45.9 44.9 44 43.1 42.2 41.2
使其回到等温区（大流量区）的措施有： 使其回到等温区（大流量区）的措施有：
①在管线允许和可能的情况下，尽量提高出站油温。 在管线允许和可能的情况下，尽量提高出站油温。 ②尽快提高输量（开启备用泵或未开的泵站） 尽快提高输量（开启备用泵或未开的泵站） ③在上述两种措施都不行的情况下，输入轻质油品，用轻 在上述两种措施都不行的情况下，输入轻质油品， 油将重油从管道中置换出来。 油将重油从管道中置换出来。
可能出现的流型和流体的组合是：
牛顿紊流→牛顿层流→非牛顿紊流→非牛顿层流 由于原油物性和管路条件不同，管线不一定都存在以上全 部流态，而是其中的几种组合。 目前的热输含蜡原油管道，管内可能出现的流型与流态的组 合是： a.牛顿紊流→非牛顿紊流→非牛顿层流 b.牛顿紊流→非牛顿紊流 c.牛顿紊流→牛顿层流→非牛顿层流
⑤压力越战流程： 上站来油→阀组→炉→阀组→下站 应用范围： a.输量较小 b.输油机组发生故障不能加压 c.供电系统发生故障或计划检修 d.站内低压系统的管道或设备检修 e.作为流程切换时的过渡流程 f.冷却水系统中断，使输油泵机组润滑得不到保证 ⑥全越战流程：上站来油→阀组→下站 应用范围： a.加热炉管破裂着火，无法切断油源 b.加热炉间着火，无法进入处理 c.非全越战不能进行站内管道、设备施工检修或事故处理
热泵站上先泵后炉流程的缺点
1.进泵油温低，泵效低 2.站内油温低，管内结蜡严重，站内阻力大 3.加热炉承受高压，投资大，危险性大 我国过去建设的管道采用“先泵后炉”的流程，是与旁接 罐流程分不开的。在旁接罐流程下，若采用先炉后泵，则进 站压力较低，加热炉受上一站的控制。目前我国有些管线已 经将“先泵后炉”的流程改为“先炉后泵”流程。新设计的 管线，不论是采用“泵到泵”输送还是采用“旁接罐”输送，
粘度[mPas] 4.593 5.13 6.683 5.551 4.868 3.13 2.797 4.691 2.539 2.462 5.812 7.133 7.133 6.77 8.729 7.873 7.075 11.23 11.6 10.12
温度（℃） 40.3 39.2 38.3 37.4 59.1 58.3 57.3 56.3 55.5 54.4 36.5 35.6 34.5 33.6 32.8 31.8 30.9 29.9 28.9 28
2、间接加热 以某种中间热载体为热媒，燃料直接加热热媒，在换热器 中热媒加热原油。 间接加热的优点： ①运行安全可靠。一方面加热蒸汽压低，加热炉可在低压下运 行 ；另一方面加热炉直接加热热媒，一般没有结焦问题。 ②原油在热媒原油换热器中走全程压力损失可减少1/2以上。 ③热效率高且效率基本上不随热负荷变化，因而对输量和热负 荷的适应性强。 ④体积小，重量轻，便于实现加热炉系统的轻型化和预制化。
，H是Q的单值函数
↓
对热油管道：Q → ｛
↓
V →h v →h
↑
↓
↑
Q↑ →｛
V ↑ → h↑ v↓ → h↓
Q的变化引起流速和粘度的变化，而起二者的变化趋势相反的，其 关键是流量变化会引起温度的变化。 H是Q和T的二元函数，即：
H = f1 (Q, T ) = f 2 (Q, TR ) = f 3 (Q, TZ )
m Q 2 mυ Pji hRi = β li 5 m D0
(4)整个加热站间的摩阻为: (4)整个加热站间的摩阻为: 整个加热站间的摩阻为
h = ∑h
R i =1
n
Ri
考虑摩阻热时的轴向温降公式： 考虑摩阻热时的轴向温降公式：
TL = (T 0 + b) + [TR (T0 + b )]e aL
其中： 其中：
KDπ Gig gi a= ,b = = GC KDπ Ca
hL Q 2 m v m i= =β 5 m L D
两个方程通过水力坡降i耦合在一起， 两个方程通过水力坡降 耦合在一起，需采 耦合在一起 用迭代算法，分段耦合计算。 用迭代算法，分段耦合计算。
热油管道按需要分划成n个小的分段（ ， 热油管道按需要分划成 个小的分段（Lj，Lj+1）,j＝0，1，…，n 个小的分段 ） ＝ ， ， ， 输入总传热系数K、原油的比热容 等相关参数 输入总传热系数 、原油的比热容C等相关参数 0 I0 j i