輸油管道設(shè)計(jì)及管理22

1、一、管路的壓降計(jì)算一、管路的壓降計(jì)算根據(jù)流體力學(xué)理論，輸油管道的總壓降可表示為：根據(jù)流體力學(xué)理論，輸油管道的總壓降可表示為： QjLzzhhH 其中：其中：hL為沿程摩阻為沿程摩阻 h為局部摩阻為局部摩阻 (zj-zQ) 為計(jì)算高程差為計(jì)算高程差 第二節(jié)第二節(jié) 輸油管道的壓能損失輸油管道的壓能損失二、水力摩阻系數(shù)的計(jì)算二、水力摩阻系數(shù)的計(jì)算 計(jì)算長(zhǎng)輸管道的摩阻損失主要是計(jì)算沿程摩阻損失計(jì)算長(zhǎng)輸管道的摩阻損失主要是計(jì)算沿程摩阻損失 hL 。達(dá)西公式達(dá)西公式 ：gVDLhL22 對(duì)于一條給定的長(zhǎng)輸管道，對(duì)于一條給定的長(zhǎng)輸管道，L和和D都是已知的，輸量（或都是已知的，輸量（或流速）也是已知的，現(xiàn)在的

2、問題就是如何計(jì)算水力摩阻流速）也是已知的，現(xiàn)在的問題就是如何計(jì)算水力摩阻系數(shù)系數(shù) 。 根據(jù)流體力學(xué)理論根據(jù)流體力學(xué)理論 Def，Re 其中：其中：e為管壁的絕對(duì)粗糙度，為管壁的絕對(duì)粗糙度，D為管道內(nèi)徑。為管道內(nèi)徑。 是是Re和和e/D 的二元函數(shù)，具體的函數(shù)關(guān)系視流態(tài)而定。的二元函數(shù)，具體的函數(shù)關(guān)系視流態(tài)而定。在解決工程實(shí)際問題時(shí)，為了安全，一般盡量避開過渡區(qū)，在解決工程實(shí)際問題時(shí)，為了安全，一般盡量避開過渡區(qū)，因該區(qū)的流態(tài)不穩(wěn)定。因該區(qū)的流態(tài)不穩(wěn)定。輸油管道的壓能損失輸油管道的壓能損失流態(tài)：分為層流和紊流，中間還存在一個(gè)過濾區(qū)。流態(tài)：分為層流和紊流，中間還存在一個(gè)過濾區(qū)。1、流態(tài)劃分和輸油管

3、道的常見流態(tài)、流態(tài)劃分和輸油管道的常見流態(tài) 層流：層流：Re2000 過渡流：過渡流：2000Re3000 紊流光滑區(qū)：紊流光滑區(qū)：3000ReRe1 （簡(jiǎn)稱光滑區(qū)）簡(jiǎn)稱光滑區(qū)） 紊流混合摩擦區(qū)：紊流混合摩擦區(qū)：Re1Re2 （簡(jiǎn)稱粗糙區(qū)）簡(jiǎn)稱粗糙區(qū)）我國(guó)輸油管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的流態(tài)劃分標(biāo)準(zhǔn)是：我國(guó)輸油管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的流態(tài)劃分標(biāo)準(zhǔn)是：其中：其中：輸油管道中所遇到的流態(tài)一般為：輸油管道中所遇到的流態(tài)一般為： 熱含蠟原油管道、大直徑輕質(zhì)成品油管道：水力光滑區(qū)熱含蠟原油管道、大直徑輕質(zhì)成品油管道：水力光滑區(qū) 小直徑輕質(zhì)成品油管道：混合摩擦區(qū)小直徑輕質(zhì)成品油管道：混合摩擦區(qū) 高粘原油和燃料油管

4、道：層流區(qū)高粘原油和燃料油管道：層流區(qū) 長(zhǎng)輸管道一般很少工作在粗糙區(qū)。長(zhǎng)輸管道一般很少工作在粗糙區(qū)。7817 .59Re lg765665Re2 De2 輸油管道的壓能損失輸油管道的壓能損失2、管壁粗糙度的確定、管壁粗糙度的確定 管壁粗糙度管壁粗糙度 ：相對(duì)粗糙度：絕對(duì)粗糙度與管內(nèi)徑的比值相對(duì)粗糙度：絕對(duì)粗糙度與管內(nèi)徑的比值(e/D或或2e/D)。 絕對(duì)粗糙度：管內(nèi)壁面突起高度的統(tǒng)計(jì)平均值。絕對(duì)粗糙度：管內(nèi)壁面突起高度的統(tǒng)計(jì)平均值。紊流各區(qū)分界雷諾數(shù)紊流各區(qū)分界雷諾數(shù)Re1、Re2及水力摩阻系數(shù)都與管壁粗糙及水力摩阻系數(shù)都與管壁粗糙度有關(guān)。我國(guó)輸油管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定的各種管子度有關(guān)。我國(guó)輸

5、油管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定的各種管子的絕對(duì)粗糙度如下：的絕對(duì)粗糙度如下： 無縫鋼管：無縫鋼管：0.06mm直縫鋼管：直縫鋼管：0.054mm 螺旋焊縫鋼管：螺旋焊縫鋼管：DN=250350時(shí)取時(shí)取0.125mm DN400時(shí)取時(shí)取0.1mm3.紊流區(qū)臨界雷諾數(shù)紊流區(qū)臨界雷諾數(shù)Re1和和Re2的確定的確定 紊流區(qū)分為水力光滑區(qū)、混合摩擦區(qū)和完全粗糙區(qū)，劃分紊流區(qū)分為水力光滑區(qū)、混合摩擦區(qū)和完全粗糙區(qū)，劃分的依據(jù)是臨界雷諾數(shù)的依據(jù)是臨界雷諾數(shù)Re1和和Re2 。 層流邊界層厚度的表達(dá)式層流邊界層厚度的表達(dá)式 ： Ve86 .10 Re30D 水力光滑區(qū)水力光滑區(qū):混合摩擦區(qū)混合摩擦區(qū):粗糙區(qū)粗糙區(qū):

6、3/ ee 157. 0/ ee 3/157. 0 ee 取取 eRDeee 1303 按紊流光滑區(qū)的按紊流光滑區(qū)的Blasius公式計(jì)算：公式計(jì)算： 25. 01Re/3164. 0 代入邊界層厚度計(jì)算公式，得代入邊界層厚度計(jì)算公式，得eD/30Re3164. 0Re325. 011 令令 De/2則則78/22.59Re1 輸油管道的壓能損失輸油管道的壓能損失取取 157. 0/ ee 2)lg274. 1( 代入邊界層厚度計(jì)算公式，得代入邊界層厚度計(jì)算公式，得 157. 0Relg274. 13021 eD 輸油管道的壓能損失輸油管道的壓能損失規(guī)范上取規(guī)范上取 78/7.59Re1 ，這

7、就是，這就是Re1的來歷。的來歷。(混摩區(qū)與粗糙區(qū)的分界相對(duì)粗糙度混摩區(qū)與粗糙區(qū)的分界相對(duì)粗糙度)(粗糙區(qū)摩阻系數(shù)計(jì)算公式粗糙區(qū)摩阻系數(shù)計(jì)算公式)從而得到：從而得到： / )lg274. 1(2 .382Re2 / )lg765665( 當(dāng)雷諾數(shù)當(dāng)雷諾數(shù)Re處于分界雷諾數(shù)附近時(shí)，處于分界雷諾數(shù)附近時(shí)，e的取值相當(dāng)重要，的取值相當(dāng)重要，不同的不同的e值可能導(dǎo)致流態(tài)判別的不同。值可能導(dǎo)致流態(tài)判別的不同。 如某條管道如某條管道Re=5105，若取若取e=0.1mm，則則Re1=6.7105，ReRe1，為混合摩擦區(qū)。為混合摩擦區(qū)。輸油管道的壓能損失輸油管道的壓能損失有人認(rèn)為上述有人認(rèn)為上述Re1和和

8、Re2的計(jì)算方法適用于口徑較小、粗糙度的計(jì)算方法適用于口徑較小、粗糙度較大的輸油管道。隨著輸油管道口徑的增大和制管工藝的提較大的輸油管道。隨著輸油管道口徑的增大和制管工藝的提高高, e變小，再用上面的公式計(jì)算就會(huì)與實(shí)際相差較大，這時(shí)變小，再用上面的公式計(jì)算就會(huì)與實(shí)際相差較大，這時(shí)可以采用下式計(jì)算可以采用下式計(jì)算:DeRe101 DeRe5002 該式計(jì)算的該式計(jì)算的Re1值比前面公式小，即紊流光滑區(qū)的范圍縮小了。值比前面公式小，即紊流光滑區(qū)的范圍縮小了。 78/7 .59Re1 / )lg765665(Re2 我國(guó)目前采用我國(guó)目前采用的計(jì)算公式為的計(jì)算公式為輸油管道的壓能損失輸油管道的壓能損失

9、4、水力摩阻系數(shù)的計(jì)算、水力摩阻系數(shù)的計(jì)算 我國(guó)輸油管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的各區(qū)水力摩阻系數(shù)的計(jì)算公式見下表：我國(guó)輸油管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的各區(qū)水力摩阻系數(shù)的計(jì)算公式見下表： 流態(tài)流態(tài) 劃分范圍劃分范圍 f(Re,) 層流層流 Re2000 =64/Re紊紊流流水力光滑區(qū)水力光滑區(qū) 3000ReRe1=混合摩擦區(qū)混合摩擦區(qū) ReRe2=7/87 .59 7/87 .59 lg765665 51.2Relg21 25. 0Re3164. 0 時(shí)時(shí)當(dāng)當(dāng)510Re 2lg274. 11 普朗特普朗特-卡卡門公式門公式勃拉休斯勃拉休斯公式公式科爾布魯克科爾布魯克- -懷特公式懷特公式尼古拉茲尼古拉茲公式

10、公式 Re51. 27 . 3lg21D25.0Re6811.0 De 阿爾特舒利阿爾特舒利- -卡利聰公式卡利聰公式除了上表中規(guī)定的計(jì)算公式外，還有計(jì)算結(jié)果相近的其他公式，分別是：除了上表中規(guī)定的計(jì)算公式外，還有計(jì)算結(jié)果相近的其他公式，分別是：水力光滑區(qū)的米勒公式：水力光滑區(qū)的米勒公式：53. 1Relg8 . 11 混合摩擦區(qū)的伊莎耶夫公式：混合摩擦區(qū)的伊莎耶夫公式：粗糙區(qū)的謝夫林松公式：粗糙區(qū)的謝夫林松公式：25. 011. 0 De 11.14 .7Re8 .6lg8 .11 由各區(qū)的由各區(qū)的計(jì)算公式可以看出：計(jì)算公式可以看出：紊流光滑區(qū)紊流光滑區(qū): 層流邊層厚度層流邊層厚度e3e，只

11、與只與Re有關(guān)，與粗糙有關(guān)，與粗糙度無關(guān)；度無關(guān)； 混合摩擦區(qū)：混合摩擦區(qū)： 0.157ee3e，=f(Re,e/D)，與與Re和粗糙度有和粗糙度有關(guān)；關(guān)；完全粗糙區(qū)：完全粗糙區(qū)：層流邊層很薄，粗糙突起幾乎全部暴露于層層流邊層很薄，粗糙突起幾乎全部暴露于層流邊層之外，流邊層之外，只與只與e/D有關(guān)，而與有關(guān)，而與Re無關(guān)，無關(guān)，摩阻與流速（流量）的平方成正比，故粗糙摩阻與流速（流量）的平方成正比，故粗糙區(qū)又叫阻力平方區(qū)。區(qū)又叫阻力平方區(qū)。輸油管道的壓能損失輸油管道的壓能損失三、流量壓降綜合計(jì)算公式三、流量壓降綜合計(jì)算公式列賓宗公式列賓宗公式 1、列賓宗公式、列賓宗公式 LDQvhmmmL 52

12、 mARe DQ4Re 24DQV 代入達(dá)西公式代入達(dá)西公式、和和把把令令gAmm 248 LDQgAhmmmmmL 52248 整理得整理得即得到列賓宗公式：即得到列賓宗公式： 627. 0lg127. 010 de 流態(tài)流態(tài)Am 層流層流641 4.15紊紊流流水力光滑區(qū)水力光滑區(qū)0.31640.25 0.0246混合摩擦區(qū)混合摩擦區(qū) 0.123 0.0802A粗糙區(qū)粗糙區(qū)00.0826不同流態(tài)下的不同流態(tài)下的A、m、值值輸油管道的壓能損失輸油管道的壓能損失四、管路的水力坡降四、管路的水力坡降 定義：定義：管道單位長(zhǎng)度上的摩阻損失稱為水力坡降。用管道單位長(zhǎng)度上的摩阻損失稱為水力坡降。用 i

13、 表示：表示： mmmDQi 52 gVDi212 或或1、等溫輸油管的干線水力坡降、等溫輸油管的干線水力坡降水力坡降與管道長(zhǎng)度無關(guān)，只隨流量、粘度、管徑和流態(tài)不同而不同。水力坡降與管道長(zhǎng)度無關(guān)，只隨流量、粘度、管徑和流態(tài)不同而不同。ABC hLLimmDvf 5 mfQi 2在計(jì)算和分析中經(jīng)常用到單位輸量在計(jì)算和分析中經(jīng)常用到單位輸量(Q=1m3/s)的水力坡降的水力坡降f，即單位流量，即單位流量下、單位管道長(zhǎng)度上的摩阻損失：下、單位管道長(zhǎng)度上的摩阻損失：2、副管的水力坡降、副管的水力坡降 iiif 或或 i1D、Q、iD、Q1、i1D、Q2、ifD、Q、iLf21QQQ fii 1特點(diǎn)：特

14、點(diǎn)：副管：與主管并聯(lián)相接的管段。副管：與主管并聯(lián)相接的管段。11)2(25211 mmmfmfDDQQiiii假設(shè)副管與主管流態(tài)相同，假設(shè)副管與主管流態(tài)相同，fmfmmfmmmLDQLDQ 522521 得得由由fii 11252QDDQmmf 從從而而得得125211QDDQQQmmf 輸油管道的壓能損失輸油管道的壓能損失由于由于 1 ，所以只要鋪設(shè)副管總有減阻效果。所以只要鋪設(shè)副管總有減阻效果。 fDD 若若m 221 ，則，則層流：層流： iimf5 . 05 . 01 ， 光滑區(qū)：光滑區(qū)： iimf297.0297.025.0 ， 混摩區(qū)：混摩區(qū)：iimf272.0272.0123.0

15、 ， 粗糙區(qū)：粗糙區(qū)：iimf25.025.00 ， 也就是說，隨也就是說，隨Re的升高，鋪副管的減阻效果增強(qiáng)的升高，鋪副管的減阻效果增強(qiáng) 。輸油管道的壓能損失輸油管道的壓能損失iif 即即3.變徑管的水力坡降變徑管的水力坡降 D ，QD0，Q mDDii500ii 0變徑管具有減阻效果；變徑管具有減阻效果； ，時(shí)時(shí)，10 DD變徑管具有增阻作用。變徑管具有增阻作用。 ，時(shí)時(shí)，10 DD若主管與變徑管流態(tài)相同，則有：若主管與變徑管流態(tài)相同，則有：變徑管：與主管串聯(lián)相接且直徑與主管不同的管段。變徑管：與主管串聯(lián)相接且直徑與主管不同的管段。五、管路的工作特性五、管路的工作特性 定義：定義： 已定管

16、路（已定管路（D , L , Z 一定）輸送某種已定粘度油品時(shí)，一定）輸送某種已定粘度油品時(shí)，管路所需總壓頭（即壓頭損失）與流量的關(guān)系（管路所需總壓頭（即壓頭損失）與流量的關(guān)系（H-Q關(guān)關(guān)系）稱為管路工作特性。系）稱為管路工作特性。ZhDLQHmmm 52/ZhfLQm 2ZHQ層層流流區(qū)區(qū)過過渡渡區(qū)區(qū)紊流區(qū)紊流區(qū)QLJ輸油管道的工作特性曲線輸油管道的工作特性曲線輸油管道的壓能損失輸油管道的壓能損失1、如何根據(jù)單根管路的特性曲線作出串、并聯(lián)管路的特性、如何根據(jù)單根管路的特性曲線作出串、并聯(lián)管路的特性 曲線？曲線？ 2、流量、流量Q變化會(huì)引起管路特性的變化嗎？為什么？變化會(huì)引起管路特性的變化嗎？

17、為什么？ 3、什么因素影響特性曲線起點(diǎn)的高低和陡緩？、什么因素影響特性曲線起點(diǎn)的高低和陡緩？ 輸油管道的壓能損失輸油管道的壓能損失六、離心泵站與管路的聯(lián)合工作六、離心泵站與管路的聯(lián)合工作 確定泵站與管路的工作點(diǎn)的方法有兩種，即圖解法和解析法。確定泵站與管路的工作點(diǎn)的方法有兩種，即圖解法和解析法。 AHHAQAQ管路總特性曲線管路總特性曲線泵站總特性曲線泵站總特性曲線圖解法：圖解法：下面重點(diǎn)討論解析法。下面重點(diǎn)討論解析法。1、一個(gè)泵站的管道、一個(gè)泵站的管道 1122)(121ZZhhHHLccs 由斷面由斷面1-1到到2-2列能量方程有：列能量方程有：式中：式中：HS1泵的吸入壓力，為常數(shù)。泵的

18、吸入壓力，為常數(shù)。HC 泵站揚(yáng)程泵站揚(yáng)程 hc 站內(nèi)損失站內(nèi)損失 hL 沿程摩阻沿程摩阻 Z2-Z1起終點(diǎn)計(jì)算高差起終點(diǎn)計(jì)算高差 即：即： ZfLQhBQAHmcms 221mcsfLBhZAHQ 21mcBQAH 2輸油管道的壓能損失輸油管道的壓能損失2、多泵站與管路的聯(lián)合工作、多泵站與管路的聯(lián)合工作 旁接油罐輸油方式（也叫開式流程）旁接油罐輸油方式（也叫開式流程） Q1 Q2 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)水擊危害小，對(duì)自動(dòng)化水水擊危害小，對(duì)自動(dòng)化水平要求不高。平要求不高。 缺點(diǎn)缺點(diǎn) 流程和設(shè)備復(fù)雜，固定資產(chǎn)投資大；流程和設(shè)備復(fù)雜，固定資產(chǎn)投資大；油氣損耗嚴(yán)重；油氣損耗嚴(yán)重； 全線難以在最優(yōu)工況下運(yùn)行，能量浪費(fèi)

19、大全線難以在最優(yōu)工況下運(yùn)行，能量浪費(fèi)大 。 工作特點(diǎn)工作特點(diǎn)每個(gè)泵站與其相應(yīng)的站間管路各自構(gòu)成獨(dú)立的水力系統(tǒng)每個(gè)泵站與其相應(yīng)的站間管路各自構(gòu)成獨(dú)立的水力系統(tǒng); 上下游站輸量可以不等（由旁接罐調(diào)節(jié)）；上下游站輸量可以不等（由旁接罐調(diào)節(jié)）； 各站的進(jìn)出站壓力沒有直接聯(lián)系各站的進(jìn)出站壓力沒有直接聯(lián)系 ； 站間輸量的求法與一個(gè)泵站的管道相同站間輸量的求法與一個(gè)泵站的管道相同 ：mjjsjjcjsjjfLBHZhAHQ 21Lj、Zj第第 j 站至第站至第 j 1 站間的計(jì)算長(zhǎng)度和計(jì)算高差站間的計(jì)算長(zhǎng)度和計(jì)算高差;Aj、Bj第第 j 站的站特性方程的系數(shù)；站的站特性方程的系數(shù)；式中：式中：輸油管道的壓能

20、損失輸油管道的壓能損失Hsj+1 第第j+1站的進(jìn)站壓力。站的進(jìn)站壓力。 密閉輸油方式（也叫泵到泵流程）密閉輸油方式（也叫泵到泵流程） QQ 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 全線密閉，中間站不存在蒸發(fā)損耗；全線密閉，中間站不存在蒸發(fā)損耗； 流程簡(jiǎn)單，固定資產(chǎn)投資?。涣鞒毯?jiǎn)單，固定資產(chǎn)投資小； 可全部利用上站剩余壓頭，便于實(shí)現(xiàn)優(yōu)化運(yùn)行?？扇坷蒙险臼Ｓ鄩侯^，便于實(shí)現(xiàn)優(yōu)化運(yùn)行。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：要求自動(dòng)化水平高，要有可靠的自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)。要求自動(dòng)化水平高，要有可靠的自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)。 工作特點(diǎn)工作特點(diǎn) 全線為一個(gè)統(tǒng)一的水力系統(tǒng)，全線各站流量相同；全線為一個(gè)統(tǒng)一的水力系統(tǒng)，全線各站流量相同； 輸量由全線所有泵站和全線管路總特性決定；輸量由全線所有泵站和全線管路總特性決定； 設(shè)全線有設(shè)全線有n個(gè)泵站，各站特性相同，則輸量為：個(gè)泵站，各站特性相同，則輸量為：mjszcsfLnBHnhZHnAQ 21式中：式中： Lj為管道計(jì)算長(zhǎng)度為管道計(jì)算長(zhǎng)度 Z為管道計(jì)算高程差為管道計(jì)算高程差 輸油管道的壓能損失輸油管道的壓能損失Hsz為為末站進(jìn)站壓力或翻越點(diǎn)的剩余壓力。末站進(jìn)站壓力或翻越點(diǎn)的剩余壓力。各站進(jìn)、出站壓力相互影響。各站進(jìn)、出站壓力相互影響。 首站：首站： constHs 1ccsdhHHH 111第二站：第