输油管道综合实验

输油管道综合实验实验教学大纲
输油管道综合实验
一、所涉及的课程及知识点：《工程流体力学》、《输油管道设计与管理》
二、实验要求
(1) 学习和掌握测定管路特性曲线、用图解法求管路与泵站联合工作时的工作点的方法；
(2)熟悉“泵到泵”密闭输送工艺运行时输油管路各站协调工作的情况；
(3) 观察管道发生异常工况或突然事故时（如某泵站突然停电等）全线运行参数的变化，学会根据运行参数变化，分析事故原因、事故发生地点及应采取的处理措施，在实验中加以验证；
(4) 观察翻越点后的流动状态，分析影响翻越点的因素和消除翻越点的措施，在实验中加以验证；
(5) 学习和掌握清管球的收、发操作，观察清管球在管道中的运动状况；
(6) 了解计算机数据采集系统的组成及运行情况。

三、实验原理
在密闭输送的多泵站等温输油管道系统中，泵站和管道组成一个统一的水力系统，管道所消耗的能量（包括摩阻损失、高程差、站内局部摩阻和终点所要求的剩余压力）等于泵站所提供的能量，二者必然保持能量供需的平衡关系。

全线的能量供需平衡关系式如下：
221Z Q m sZ ()()m m s H N A BQ fLQ Z Z Nh H --+-=+-++
式中：Q──管道的工作流量，m3/s ；
N──全线运行的泵站数；
f──单位流量的水力坡降；
H s1──管道首站进站压头，m 液柱；
H sZ ──管道终点剩余压头，m 液柱；
L──管道总长度，m ；
Z Q 、Z Z ──管道起、终点高程，m ；
h m ──每个泵站的站内损失，m 液柱。

根据上述能量平衡方程，可以确定管道的输量和各个站的进出站压力，分析事故工况时运行参数的变化趋势。

流程说明：各站内泵为串联方式。

收发球装置在2号和3号站之间；2、V18为堵塞阀；3、各站间均设置一个泄漏阀；4、翻越点位于管道末端。

四、实验装置流程
设备安装
1、泵站
每座泵站配有两台离心式清水泵，两台泵之间采用串联方式。

1#泵采用变频控制方式，便于流量调节。

泵的出口设有阀门方便流量调节，泵前有单向阀，以便于越泵运行。

可以实现泵运行的远程和本地控制。

2台不锈钢离心泵，紧凑放置在实验台（1200×800）上，高度350mm，每泵出口有调节阀。

泵站与管线台架通过阀门连接。

泵站的流程如下图所示。

离心泵采用了杭州南方特种泵业制造的高效不锈钢泵，型号为ZS50-32-200/3.0SSC，泵的性能参数见下表。

首站流程：正输、站内泵串并联、计量。

2#泵站流程：正输、站内泵串并联、压力越站、发清管球、收清管球。

3#泵站流程：正输、站内泵串并联、计量、压力越站。

4#站流程：正输、站内泵串并联、翻越点观察。

流
Q(m3/h)
扬
H(m)
2、实验管道系统
根据工艺计算设计结果，等温输油管路实验装置全线采用密闭输送方式，管内径40mm，全长346m左右。

全线总共设有四个泵站，即首站1座，中间泵站2座，末站1座。

每座泵站配有两台离心式清水泵，两台泵之间采用串、并联方式，可以来回切换。

全线工艺流程图见图1。

管道采用螺旋铺设方式，4层管架结构，每个站间管道放置在一层，层间相距35cm，能够保证站间管线阀门的安装、维修和开关，实验台架高度大约1.4m左右。

中间泵站流程中，在3站到4站管路之间，设置收发球装置；在2站到3站之间，设置堵塞阀以及泄漏点。

在进末站之前设置一个高点作为实验的翻越点。

实验中以各站1#泵同时运行为正常工况。

在弯头连接点，采用圆滑的管线，以减少局部摩阻的影响。

站外管线总长度：346m Ф45Χ3
图 1 等温输油管路实验装置工艺流程
3、收发球装置
发球装置由快开法兰盲板，收球筒、发球筒，直通球阀，观察管段组成。

收球筒和发球筒直径均为150mm，通过发球阀与管道连接。

配置DN100清管器：聚氨酯清管器2个，泡沫清管器2个，清管球2个
其中观察管段长8米，为DN100有机玻璃管，分4段连接。

直通球阀DN100采用浮动式球阀Q41法兰硬密封。

发球阀DN150采用浮动式球阀Q41法兰硬密封。

直通球阀和发球阀均采用上海恒星泵阀公司的电动球阀。

4、翻越点
在地形起伏较大的地区，输油管道的末段通过线路上的高峰时，油品自该高点至终点所得的位能可能大于为克服流动时的摩擦阻力所需的能量，这样的高点称为翻越点。

油品过翻越点后不仅可以自流，还会因位能有余而使流速加快，从而在管道中出现不满流。

不满流不仅浪费能量，还会使水击压力增大；在顺序输送的管道上，则会导致混油量增大。

为避免不满流的危害，防止停输时管内油品的静水压力可能超过管道强度的容许值，在翻越点之后要采取措施增加摩阻，如在管道沿线高差很大的管段上设减压站，并设置分隔静水压力的截断阀等。

翻越点是长距离输油管道设计和运行中必须考虑和经常遇到的工艺问题。

在翻越点后的一部分管段将出现不满流，即通过局部流速的增加来消耗剩余压力。

不满流现象的存在，将影响管道运行的平稳性，使管道内压力波动增大，更容易产生水击现象，且水击压力变化的幅度也将加大。

本实验装置在管道的最末端设计了一段并行的管路，最高点在3米。

当流量减少到一定程度时，就会在此处现出不满流的现象。

学生们可以通过观察翻越点后的不满流现象，加深对翻越点概念的理解。

5、配电柜
5.1泵站配电柜
每个泵站有2台泵，全线共8台泵，顺序编号为1-8#泵。

每个泵站的1#泵没有调频控制；而每个泵站的2#泵采用调频控制，即2#、4#、6#、8#泵。

泵频率的设定在面板上，固定的开始频率为50Hz，根据控制情况的不同，可以通过面板的设定来改变。

每次设定后的频率自动保存，下次开机时仍为本次设定的频率。

配电柜内部
配电柜面板
配电柜开机送电
开机时，打开配电柜门，合上总闸，再依次合上各个泵的控制开关。

短期内停机时，可只断开总电源开关；长期不用时建议将各个开关都置于断开的位置。

变频器
变频器采用了国内最先进的变频器厂商德力西（杭州）变频器有限公司生产的CDI9100 系列变频调速器。

变频器的日常保养、定期检查请仔细参照变频器使用说明书进行。

简单的日
常应用参照如下步骤。

CDI9100系列变频器提供了三种控制方式，包括键盘运行、端子运行及RS-485 运行，用户可以根据现场环境及工作需要选定相应的控制方式。

具体选择请见参数P00.00 说明。

键盘设定频率的方法
使用键盘设定频率我们可以采用键盘数字直接设定和用键盘电位器设定两种方式，可以通过修改参数P00.01 来选择控制方式。

1、用数字键盘直接设定频率
A 首先设置参数P00.01的值为1。

B 在变频器运行时，可按△、▽键进入频率设定方式；此时显示例如。

C 再按△、▽键调整到所需设定频率，如48.00Hz, 此时显示。

D 此时调整后的设定频率将自动存储到参数P00.02 中。

E 按MODE 键后回到参数设定方式，再按MODE 键回到运行监视方式，此时显
示。

F 只有在运行时可以用数字键盘改变频率设定值。

2、用键盘电位器设定频率
首先设置参数P00.01 的值为0，然后用户可左右旋转键盘上的电位器旋钮来调整所需的设定频率，此时的频率设定值不会自动存入参数P00.02。

5.2电动球阀控制
收发球装置采用电动球阀来控制开关。

电动球阀控制柜的控制开关在配电柜最左侧和数据采集柜内。

送电后，绿灯亮表明电动
球阀开到底，红灯亮时表明电动球阀关到底，两灯都不亮表明球阀处于半开关状态，需要根据实际情况进行调整。

6、数据采集和控制系统
数据采集系统包括软件系统和硬件系统。

数据采集系统由压力、温度、流量变送器+高速数据采集卡+主机+控制柜组成。

每个泵站布置3个压力变送器，在1#泵站出口、在4#泵站末端各布置1个流量计。

所有的测量信号均为标准4~20mA信号，总计输入模拟信号15路。

高速数据采集卡用于事故工况下和发生水击时的数据记录。

6.1 硬件系统
硬件系统组成包括数据采集控制台、计算机、数据采集卡、信号采集箱、压力传感器、流量计等。

6.1.1、数据采集控制台
6.1.2、计算机
6.1.3、数据采集卡
数据采集卡采用了研华公司的多功能USB数据采集卡USB4711A。

USB4711A是一款功能强大的多功能数据采集卡。

它采用便携设计，总线供电方式，支持USB 2.0，带有一个150KS/s 12位分辨率A/D转换器。

USB4711A可以提供16路单端模拟量输入或8路差分模拟量输入，也可以组合输入。

它带有8路DI，8路DO，2路AO和1路32位计数器。

外置带有接线端子。

详见USB4711A数据采集卡使用说明书。

计算机数据采集卡安装
本系统数据采集卡采用了研华工控公司的高精度高速采集卡USB4711A。

采集卡的安装安装如下步骤进行。

1.1 将USB4711A电缆连接好计算机，开机
1.2 计算机显示有新设备需要安装
1.3 插入采集卡附带的安装盘，按提示一步步安装即可
1.4 或者点击光盘上的网运行文件，setup.exe 运行软件界面
1.5 首先安装设备管理器非常有用，这是一个研华
采集卡简易检测程序。

可以显示各通道的电压值。

1.6再安装各种采集卡的驱动。

1.7 在此窗口下选择“USB”系列驱动程序
1.10 选择“USB 4711A”系列驱动，点击进行安装
1.11 也可选择安装VB或VC的各种例程。

1.12 驱动程序安装完成后，还需要从设备管理器进行设置。

从“计算机属性”—进入“设
备管理器”找到USB Devices 更新驱动程序，成功后出现“Advabtech USB4711A”。

1.13 重新启动计算机，即可成功安装。

6.1.4、采集箱布置
布置了16路电压电流转换电路，1个24V直流电源，能为压力及流量变送器供电，并将变送器的4-20mA电流信号转换为1-5V电压信号供计算机采集。

6.1.5、压力传感器
压力变送器采用了中美合资麦克传感器有限公司的MPM480型压阻式压力变送器。

该压力变送器采用带不锈钢隔离膜的压阻式OEM压力传感器作为信号测量元件，并经过计算机自动测试，用激光调阻工艺进行了宽温度范围的零点和温度性能补偿。

信号处理电路位于不锈钢壳体内，将传感器信号转换为标准输出信号。

该产品经严格测试及老化筛选，性能稳定可靠。

该产品以其优良的可靠性、灵活性和多样性，广泛应用于石油、化工、冶金、电力、水文等工业过程现场的压力测量和控制中。

本传感器采用2线制输出方式，接插件连接式插脚定义如下。

传感器量程分为0-700Kpa
口点。

6.1.6、流量计
型号：LW-40型
输出信号：4-20mA电流(二线制)
北京格乐普高新技术有限公司生产的传感器具有精度高，结构简单，便于安装维修和输出脉冲信号远距离传送且外表美观等特点。

它广泛用于水和气体及工业流体，以及化工产品
的液体体积流量的计量，更主要用于油田高低压注水系统中水的检测计量。

轴承采用硬质合金，既抗腐蚀又耐磨，此产品有测液体、气体两种系列。

采用全硬质合金（碳化钨）屏蔽式悬臂梁结构轴承，集转动轴承与压力轴承于一体，大大提高了轴承寿命，并可在有少量泥沙与介质中工作。

采用1Cr18Ni9Ti 全不锈钢结构，（涡轮采用2Cr13 ），防腐蚀性能好。

采用钐钴永磁合金作信号检测器，输出信号强，磁稳定性好。

温度范围宽，可在0~120 ℃范围内正常的工作。

6.2软件系统
6.2.1软件系统组成
数据处理与教学软件采用VB语言和组态软件混合编程，由主机和5台从机组成一个实验教学系统。

数据实时记录，事故报警，紧急处理、智能帮助。

6.2.2 输油管道实验装置采集软件的安装
a 找到“输油管道Setup.exe”文件
b 点击该文件，安装提示一步步进行，即可顺利安装数据采集文件
c 安装完成后可在“开始”---“程序”中找到“输油管道数据采集”快捷方式。

d 安装成功。

6.2．3 数据处理与教学软件系统功能
数据处理与教学软件采用VB语言和组态软件混合编程，由主机和5台从机组成一个实验教学系统。

数据实时记录、事故报警、紧急处理、智能帮助。

数据采集系统具有实时数据列表、数据曲线、信号波形显示、实验流程显示、设备参数显示设置、传感器设置，教学实验演示、实验数据处理、实验报告生成、事故报警、事故处理措施、历史数据回放、管道泄漏检测、泄漏点预报、数据分析等功能。

1)实时数据列表:以数据表格的形式实时显示当前压力、流量数据，电压、电流。

2)信号波形显示：在虚拟示波器上显示当前的各通道的温度、压力、流量的电压值。

3)流程显示：以流程为背景实时显示当前的各通道的温度、压力、流量。

4)显示方式：修改系统配置硬件参数、屏幕显示方式功能。

5)传感器设置：建立传感器与各个数据采集通道的对应关系。

压力零点；在装置空置状态
下读取压力传感器的零点或零点查询。

6)教学实验演示、实验数据处理、实验报告生成、建立实验档案：以人机交互方式建立实
验名称、实验日期、实验人员姓名，用来建立实验档案。

根据实验数据进行正常工况计算和停电工况计算。

7)事故报警等功能。

进出站压力的高低限报警，。

8)事故工况的判断和报警、事故处理措施、历史数据回放：对各类事故进行判断，提出事
故预案与处理措施，对历史数据回放，分析事故形成的原因。

9)实验数据处理功能。

10)帮助信息。

五、实验内容和步骤
给实验装置操作控制台送电，开启泵机组控制柜总电源，打开计算机数据采集系统，做好各项准备工作。

根据《输油管道设计与管理》课程的要求，确定的实验内容如下：
1、学习管道正常启动、正常启停泵站的操作方法
(1) 按下1#站1#泵的启动开关，缓慢打开1#站出站阀；
(2) 待压力、流量稳定后，启动3#站1#泵，打开3#站出站阀；
(3) 待压力、流量稳定后，启动2#站1#泵，打开2#站出站阀；
(4) 待压力、流量稳定后，启动4#站1#泵，打开4#站出站阀。

管道正常启动时记录各站进出站压力和管道流量，分析压力参数的变化情况。

停运时的操作顺序与启动时相反。

全线以四个泵站的1#泵全部投入运行作为正常运行工况，规定各站进站压力不得低于-10kPa，出站压力不得高于230kPa。

2、管路特性曲线测定
管路特性曲线是指管路摩阻与流量之间的关系曲线。

测定管路特性的实验步骤如下：
(1) 启动1#站1#泵，打开1#站出站阀，待压力、流量稳定后，记录各站进出站压力和流量；
(2)启动3#站1#泵，打开3#站出站阀，待压力、流量稳定后，记录同上数据；
(3) 启动2#站1#泵，打开2#站出站阀，待压力、流量稳定后，记录同上数据；
(4) 启动4#站1#泵，打开4#站出站阀，待压力、流量稳定后，记录同上数据；
(5) 启动2#站2#泵，打开2#泵出口阀，待压力、流量稳定后，记录同上数据。

整个实验共启动5台泵，取得5组实验数据，由此可以得出管道的摩阻曲线。

3、异常工况及事故分析处理
(1) 模拟管道堵塞
实验装置恢复到正常运行工况，关小2#泵站和3#泵站之间的堵塞阀门，模拟管道堵塞情况。

理论分析应采取什么措施才能使管道恢复正常工作，列出调节步骤并在实验中加以验证。

调节好管道运行参数后，记录各站进出站压力和流量。

(2) 模拟泵站突然停电
实验装置恢复到正常运行工况，停2#泵站，模拟突然停电。

观察数据采集系统中水力坡降线的变化情况，观察水泵有无异常声响，实验状况稳定后记录各站进出站压力和流量。

理论分析应采取什么调节措施才能使管道重新恢复正常工作（即各站的进出站压力处于规定范围），列出调节步骤并在实验中加以验证。

调节好管道运行参数后，记录各站的进出站压
力和流量。

(3) 模拟管道泄漏
实验装置恢复到正常运行工况，打开泄漏阀，注意观察水力坡降线的变化情况，记录泄漏后各站进出站压力和漏点前后流量。

4、翻越点及翻越点后的流动状态观察
操作步骤：
(1) 保持1#站1#泵在运行，其余各站泵停止运行调整到合适的流量；
(2) 打开阀QF6和阀QF7，关闭阀QF5，将流程切换到翻越点观察流程；
(3) 若此时透明管的最高点不是翻越点（即最高点后无不满流现象发生），请分析如何才能使最高点变为翻越点？
(4) 通过调节流量，使透明管的最高点变为翻越点，并观察翻越点后的流动状态，记录管道的流量和各站的进出站压力；
(5) 分析消除不满流的措施并在实验中加以验证；
(6) 若要将翻越点处的动水压力提高到某个设定值（比如0.2MPa）以上，分析应采取的措施并在实验中加以验证；
(7) 打开阀QF5，关闭阀QF6和阀QF7，将流程恢复到正常工况流程。

5、停运
针对正常工况，按合理顺序停运输油管道实验装置，关闭相关的阀门和电源。

（保留1#泵进行下面的清管球收发作业。

6、清管球收发作业
图
2 清管球收发系统流程图
操作步骤：
收发清管器之前首先检查清管器实验流程，确认收发球筒上各阀门处于关闭状态。

步骤1：导通流程。

先打开旁通球阀QF14和QF17，关闭阀门QF4，导通发球流程，使观察管内正常流动。

步骤2：装清管器。

确认发球筒内没有水，打开快开阀11，清管器顶入发球筒最内端，并用发球杆顶结实，关闭快开球阀11。

再打开球阀QF13，清管器内注满水，
打开上部放气阀，把发球筒内的气体排出，关闭放气阀。

步骤3：准备收球流程。

先打开电动球阀QF15，打开球阀QF18，关闭球阀17。

步骤4：发清管器。

打开电动球阀QF12，关闭阀门QF14，观察压力表的变化情况，当
压力表指针发生先高后低的急剧变化时，清管器就顺利发送出去。

步骤5：跟踪观察清管器的运行状况。

观察清管器在管道内的运行，并记录观察的实验现象。

步骤6：收清管器。

清管器进入收球筒，注意观察压力表的变化情况。

确认清管器进入收球筒后，关闭电动球阀QF15，关闭球阀QF18。

步骤7：放水取球。

打开收球筒底部放水口，必要时需要打开上部进气阀。

确定收球筒内没有水后，打开快开阀16，取出清管器。

步骤8：打开阀QF4，关闭阀QF14和QF17，流程恢复到正常工况流程。

收发清管器实验结束。

全部实验完成后，关闭所有相关的阀门和电源。

数据采集系统
数据处理与教学软件采用VB语言和组态软件混合编程，组成一个实验教学系统，具有数据实时记录，事故报警，数据处理、智能帮助等功能，硬件采用研华多功能数据采集卡PCI1713U。

在每个泵站布置有3个压力变送器，分别测量泵站入口、1#泵出口和泵站出口的压力。

在1#泵站出口后和4#泵站出口后各安装有1台流量计，用于测量管道的流量或泄漏点前后的流量。

所有的压力和流量信号均为标准4~20mA信号，传入数据采集箱供计算机采集。

1、研华采集卡PCI1713
选用研华PCI1713作为数据采集模块，32路模拟量输入模块，配接端子，接入压力和流量传感器。

2、涡轮流量计
该流量计由涡轮流量变送器、前置放大器、数字积算器、瞬时流量（频率）指示表组成。

当流体流过变送器时，变送器的涡轮旋转，将流体动能转化成电能输出，产生电脉冲信号，输出的电脉冲频率f与流量Q之间成线性关系：Q=f /ξ，其中ξ是涡轮流量计每流过单位体积液体所发出的电脉冲数（脉冲次数/升），称为涡轮流量计的平均常数。

3、压力传感器
在实验装置中，泵站的进站压力有时会低于大气压或者为真空，因此需要选用绝压传感器，其压力零点为真空；泵站的出站压力一般要高于大气压，只需选用表压传感器，压力零点为大气压。

实验装置管道中最高压力为0.5M P a。

本实验装置共安装了13个压力传感器，其中P1、P3、P5、P7四个传感器为绝压传感器，接在各泵站的进口处；其余传感器为表压传感器，接在各站1#泵的出口和泵站出口处。

各传感器相对于起点的位置见表2。

表2 压力传感器位置
4、数据采集软件
双击桌面上的<输油管道数据采集系统>图标进入系统操作界面。

系统主界面中包括显示类型、系统设置、数据采集、数据存盘、界面切换、帮助、关于等7个子项菜单，各子菜单项有不同的功能。

在主界面上还有3个功能按钮“单次读数”、“平均读数”和“清管操作”，这三个按钮用于读取实验数据和进行清官球收发操作功能的演示。

系统菜单共有7项，见下表3。

表3实验数据采集系统功能
软件操作
1）启动计算机
2）打开控制柜电源
3）双击桌面上的<输油管道数据采集系统>进入操作界面
五、软件界面
运行软件后首先进入系统主界面。

1．系统主画面
系统主界面中菜单包括“显示类型、系统设置、数据采集、数据存盘、界面切换、帮助、关于”等7个子项，各子菜单项有不同的功能。

在主界面上还有3个功能按钮“单次读数”、“平均读数”和“清管操作”，这三个按钮用于读取实验数据和进行清官球收发操作功能的演示。

单次数据读取
清管器收发演示
多次数据取平均
2．系统菜单
系统菜单共有7项，见下表。

2.1显示类型
显示类型包括“实时显示、数据处理、结束”3个子项。

“实时显示”状态下，数据软件以实时采集的数据和实验流程状态显示。

点击“数据处理”进入数据处理窗口界面。

此界面包括了文件打开、数据处理、实验报告3个子项。

分别用于打开数据文件，对数据进行处理，生成实验报告模板等。

此界面下还有“打开文件、泵特性曲线、管路特性曲线、合并、清除、返回”等功能按钮，分别用于打开数据文件、绘制泵特性曲线、绘制管路特性曲线、合并离心泵和管路的特性曲线、清除绘制的曲线、返回主界面等。

2.2系统设置
系统设置包括传感器设置、采集压力零点、显示零点压力、实验档案。

2.2.1传感器设置界面如下：
此界面下可以设置压力、温度、流量传感器的流程及其修正的二次方程。

一般情况下只需要设置各传感器的名称、最大值和最小值。

此时各传感器的输出特性为线性方程。

只有传感器经过较长时间的使用，且经过标定其输出特性不为线性时，方可使用二次方程。

使用二次方程描述各传感器时，需同时选择开关，打勾。

在此界面下按“确定”按钮，压力传感器的设置只在本次实验中使用，关闭软件后修改值并不保存。

按“保存设置”按钮，各传感器的修改值保存到文件中，并在本次实验中使用，且下次开机，数据已保存。

2.2.2采集压力零点
由于压力传感器经过一段时间的实验会有零点漂移。

为了消除压力传感器的零点漂移现象，需要采集新的零点，作为压力传感器的基准值。

点击该菜单，即进入压力零点采集界面。

2.2.3显示零点压力
点击此菜单可以显示压力传感器的零点值并进行修正，修正后的零点值存入零点文件。

2.2.4 实验档案。