等温输油管道设计作业(张玉林)

考虑全线的局部阻力损失占全线摩阻和高程损失的 1%。
Hs——首站进站压力，m 液柱； Hsz ——末站剩余压力，m 液柱。 （12）画管道纵断面图并判断翻越点
桩号
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
里程（km） 0 19 124 190 290 335 438 484 554 635 696
X = 111153.65 ; y = 540.83
b=−
Xi − X yi − y Xi − X 2
= 1.471 × 10−3
a = y + bX = 540.83 + 1.471−3 × 111153.65 = 704.34
回归结果为：H = 704.34 − 1.471 × 10−3Q1.75
施作相应的计算；（学号单数做） 5） 将计算的泵站数取小化整，分别计算所需副管的长度（管径与主管相同）、大一个等级
的变径管长度、大两个等级的变径管长度，并进行管材耗量的比较；（学号双数做） 6） 按泵站数化小加副管的方案，分别求夏季高温时和冬季低温时泵机组的扬程，然后作布
站水力坡降线，并确定中间各站的布站范围； 7） 设副管敷设在首站出口位置，求第一站间动水压头 Hx 的表达式，并检查全线动水压头
高程（m） 517 608 745 596 407 513 536 35 33 17 17
高程
800 700 600 500 400 300 200 100
0 0 19 124 190 290 335 438 484 554 635 696km
高程
从纵断面图可知，可能出现翻越点的位置在 3 号桩和 7 号桩。 假设在起点站用一个更大的泵来提供全线所需要的总压头，此时的起点压头 H = 2045.508m 3 号桩处：Hf = iLf + Zf − ZQ = 3.55 × 10−3 × 124000 + 745 − 517 = 668.2m
泵站数
式中
H
2045.508
N = Hc − hm = 520 − 15 = 4.1
Hc——任务流量下泵站的扬程，m 液柱；
hm ——泵站站内损失，m 液柱。
根据老师的要求以及数据分析，取大化整得 N=5（个）。
（14）、将计算的泵站数取大化整，然后提出三项经济可行的措施使输量保持不
变，并对每种措施作相应的计算
因此减少泵的级数不适用（减少后可能就达不到需要的压力能）。
1)将部分管径换小
变径管的长度为：
x2 =
HC − hm
×
N − N2 i 1−Ω
其中，N2 > ������，Ω > 1；
Ω— —变径管水力坡降与主管水力坡降的比值；
和静水压头； 8） 按泵站数化小加副管的方案，求管道系统的最大和最小输量及相应的电机的总输出功率。
（1）、计算年平均地温 t平 =
16.3 + 5 + 5.9 + +10.3 + 14.9 + 17.4 + 19.8 + 21.1 + 20.8 + 18.3 + 13.5 + 8.6 12
= 13.5℃ t冬 = 5℃
线的年输量是 600 万吨每年，因此选择管径 D0=529mm ，工作压力定为 6.1MPa 。
根据管道规格及标准选择与 D0 相近的管径，D1=457.0mm、D2=508.0mm、
D3=559.0mm，这里选择管径 D3=D=508.0mm 。
（6）、确定工作泵的型号以及泵站组合方式
根据流量 Q=0.2276m3/s =819.182m3/h ，初定的工作压力6.1MPa，由
最大出站压头：
P = 622.45 − 45 + 15 = 592.45m （8）、求壁厚，并进行强度校核，求出管道的内径
PD δ=2 ς ς = KϕςS 式中 δ ------壁厚，m； P--------设计压力，MPa； D--------外径，m；
[σ ]-----输油管道的许用应力，MPa；
7 号桩处：Hf = iLf + Zf − ZQ = 3.55 × 10−3 × 438000 + 536 − 517 = 1573.9m
因为以上所求的Hf均小于 H，所以全线不存在翻越点。 （13）、求泵站数，并化整
全线 N 个泵站提供的总扬程必然与消耗的总能量平衡，于是
N Hc − hm = H
-10.8817
-11.0555
-11.2128
b=
Xi − X yi − y Xi − X 2
−9.8405 = 250 = −0.0394
a = y − bX = −10.8511 − −0.0394 × 15 = −10.2601 回归结果为：ln ν = −10.2601 − 0.0394T 原油粘度为：ν = e−10.2601−0.0394T 年平均地温 T=13.5℃
K--------强度设计系数，一类地区取 0.72；
φ -------焊缝系数，φ =1.0；
σ s------钢管的最低屈服强度，Mn16 此处取 320MPa。 6.1 × 0.508
δ = 2 × 0.72 × 1.0 × 320 = 0.00673m 根据 API 标准管道部分规格，选取壁厚δ =7.1mm 的管道。，管道内径
（11）、计算水力坡降和全线需要的总压头
1）水力坡降计算 i——水力坡降，无量纲；
Q2−m νm i = β d5−m
β —— 水力光滑区取值为 0.0246 s2/m;
m——水力光滑区取值为 0.25 。
i
=
0.0246 ×
0.22761.75 20.6 × 10−6 0.49384.75
0.25
故： ρ 13.5 = 867.5 − 0.6842 13.5 − 20 = 871.95 ㎏/㎥
ρ 5 = 867.5 − 0.6842 5 − 20 = 877.763kg/㎥
ρ 21.1 = 867.5 − 0.6842 21.1 − 20 = 866.75kg/㎥
（3）、计算年平均地温下的粘度
d=493.8mm。
强度校核如下：
仍然用中径公式进行反算所得出的压力大于 6.1MPa，说明壁厚为 7.1mm 能
承受 6.1MPa 的压力，是安全的。
（9）、计算流速
由Q = Aυ,得：
Q Q 0.2276
υ
=
A
=
π 4
d2
=
0.1915
=
1.19m/s
（10）、计算雷诺数并判定流态
υd 4Q
4 × 0.2276
所以：ν = e−10.2601−0.0394×13.5 = e−10.792 = 20.56 × 10−6㎡/s 冬季 T=5℃时油品粘度：
ν = e−10.2601−0.0394×5 = e−10.792 = 28.74 × 10−6㎡/s
夏季 T=21.1℃时油品粘度：
ν = e−10.2601−0.0394×21.1 = e−10.792 = 15.24 × 10−6㎡/s
t夏 = 21.1℃ （2）、计算年平均地温下的密度
所输原油密度ρ ㎏/㎥ 随温度T ℃ 的变化关系为：
ρ = ρ 20 − ξ T − 20 其中，ξ = 1.825 − 0.001315ρ 20 ;单位：㎏/ ㎥ ·℃
ρ 20 = 867.5 ㎏/㎥ 所以，ξ = 1.825 − 0.001315 × 867.5 = 0.6842
由最小二乘法回归粘度与温度关系如下表所示：
温度（℃）
5
10
15
20
25
粘度（10−6㎡/s） 30.2
22.6
18.8
15.8
13.5
ln ν
-10.4077 -10.6976
取Xi为 T，yi为ln ν，并设y = a + by
Xi = 75; yi = −54.2553
X = 15 ; y = −10.8511
P = ρgH,可大概知道所需泵的扬程应不高于 H , H 的算法如下：
P 6.1 × 1000000
H = ρg =
9800
= 622.45m
因此选择 DZ 250x340x4 型输油泵，其性能特性曲线见《输油管道设计与管
理》P24 页，一个泵站只需一个输油泵即可。
（7）、确定任务输量下泵站提供的扬程 ，然后据此压头确定计算压力
查有关资料作所选型号的泵在输此油品时特性数据的换算，因其粘度无论是
在夏季还是在冬季其变化范围均在 20×106 ㎡/s 到 60×106 ㎡/s 之间，因此其扬
程流量没有较大变化（变化甚微可以忽略），但是其效率有所下降。
在《输油管道设计与管理》P24 页 DZ 250x340x4 型输油泵的性能特性曲线
=
3.55 × 10−3
2）全线需要的总压头计算
输油管道计算长度全线的沿程摩擦阻力损失：
H′ = iL + ∆Z] × 1.01 = [3.55 × 10−3 × 696000 + 17 − 517 × 1.01
= 1970.8 × 1.01 = 1990.508m
确定全线需要的总压头：
H = H′ + Hs + Hsz = 1990.508 + 45 + 10 = 2045.508m 注：假设末站剩余压力 10m；
Re = ν = πdν = 3.14 × 0.4938 × 20.6 × 10−6 = 28502.59
又因为当量绝对粗糙度 e=0.03mm，
ε
=
2e d
=
2 × 0.03 493.8
=
1.215
×
10−4
59.5 Re1 = ε8/7 = 1775362.057
由于 3000<Re<Re1,判断流态在水力光滑区。
拟建一条长 690km，年输量为 600 万吨的轻质油管线。已知原始资料： ① 管路埋深 1.5m 处的月平均地温：
月份
123 4
5
6
7
8
9 10 11 12
地温℃ 6.3 5 5.9 10.3 14.9 17.4 19.8 21.1 20.8 18.3 13.5 8.6 ② 油品密度ρ 20=867.5kg/m3 ③ 油品的粘温特性：
当 Q=819.182 ㎥/h 时，带入上式求 H。
得知其在任务输量下的扬程 H=520m，其效率为 87%，根据美国水力协会标准
离心泵特性曲线换算图，输送该油品时效率会下降 97%，变为 84.4%。
管道压力计算：
P = Hc + Hs ρg = 520 + 45 × 9800 = 5.537MPa;设计压力为 6.1MPa，因 此，没超压。
当确定的泵站数N2 > ������，即泵站数化为较大的整数时，系统的输量将大于 任务数量 Q。如欲保持规定的输量，需要采取措施以减少泵站提供的压力能或增
加管路的摩擦阻力损失。常用的办法是将离心泵的级数减少或叶轮换小，调节离
心泵的转速，加变径管等。由于此次所算出的泵站数为 3.97，已经很接近 4 了，
温度（℃）
5
10
15
20
25
粘度
30.2
22.6
（10-6m2/s） ④ 可选用的离心泵型号规格：
⑤ 首站进口压头取Δ H1=45m，站内摩阻取 15m。 ⑥ 管材选用 16Mn 钢，螺旋焊缝钢管。
⑦ 线路高程：
18.8
15.8Leabharlann Baidu
13.5
桩号
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
里程（km） 0 19 124 190 290 335 438 484 554 635 696
上取 6 组对应的扬程和流量数据。
由最小二乘法回归扬程与流量的关系如下表所示：
H（m）
615
600
570
540
490
430
Q(m3/h) 500
600
700
800
900
1000
Q1.75
52868.6 72738.6 95262.4 120339.3 147885.1 177827.9
取Xi为Q1.75，yi为H，并设y = a − bX Xi = 666921.9; yi = 3245
（4）、流量换算
G=6000000t/a （取泵一年的工作时间为 350 天）
则体积流量为：
6 × 109kg G = 350 × 24h = 714285.7143kg/h
Q
=
G ρ
=
714285.7143 871.95
=
819.182m3/h
=
0.2276m3/s
（5）、初定管径和工作压力
根据《输油管道设计与管理》63 页表 2-4 初选管径和工作压力，由于本管
高程（m） 517 608 745 596 407 513 536 35 33 17 17 求： 1） 合理选择泵型和泵站的组合方式，并查有关资料作所选型号的泵在输此油品时特性数据
的换算； 2） 选取合适的管径，计算壁厚并取整，然后计算管道的承压能力和对应的允许最大出站压
头； 3） 取管道的当量绝对粗糙度 e=0.03mm，计算所需的泵站数； 4） 将计算的泵站数取大化整，然后提出三项经济可行的措施使输量保持不变，并对每种措