輸油管道工藝設(shè)計(jì)

1、管道輸送工藝設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求某油田計(jì)劃鋪設(shè)一條180公里、年輸量為300萬(wàn)噸的熱油管道，管線經(jīng)過(guò)區(qū)域地勢(shì)平坦。設(shè)計(jì)要求：1）采用的輸送方式；2）管道規(guī)格；3）泵站位置；4）選用泵機(jī)組的型號(hào)，包括泵運(yùn)行的方式、原動(dòng)機(jī)的種類和型號(hào)；5）至少采用兩種設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較；6）計(jì)算最小輸量。設(shè)計(jì)參數(shù)地溫資料：月份123456789101112地溫56789111213121087最大運(yùn)行壓力7.0MPa，末站剩余壓頭60m，局部摩阻為沿程摩阻的1.2%計(jì)，20相對(duì)密度0.867，50粘度9.6mPa.s。粘溫指數(shù)0.038。進(jìn)站溫度控制在39。土壤導(dǎo)熱系數(shù)1.2W/（m），埋地深度1.6m。最高

2、輸送溫度70，最低輸送溫度35。目錄1 總論21.1 設(shè)計(jì)依據(jù)及原則21.1.1 設(shè)計(jì)依據(jù)21.1.2 設(shè)計(jì)原則21.2 總體技術(shù)水平22 輸油工藝32.1 主要工藝參數(shù)32.1.1 設(shè)計(jì)輸量32.1.2 其它有關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)32.2 主要工藝技術(shù)33 工程概況34 設(shè)計(jì)參數(shù)34.1 管道設(shè)計(jì)參數(shù)34.2 原油物性34.3 其它參數(shù)45 工藝計(jì)算45.1 輸量換算45.2 管徑規(guī)格選擇55.2.1 選擇管徑55.2.2 選擇管道壁厚55.3 熱力計(jì)算65.3.1 計(jì)算K值65.3.2 計(jì)算站間距95.4 水力計(jì)算145.4.1 計(jì)算輸油平均溫度下的原油運(yùn)動(dòng)粘度145.4.2 判斷流態(tài)155.4.3

3、 計(jì)算摩阻166 設(shè)備選型176.1 設(shè)備選型計(jì)算176.1.1 泵的選型176.1.2 原動(dòng)機(jī)的選型186.1.3 加熱設(shè)備選型186.2 站場(chǎng)布置197 最小輸量218 設(shè)計(jì)結(jié)果229 動(dòng)態(tài)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較（凈現(xiàn)值法）24參考文獻(xiàn)251 總論1.1 設(shè)計(jì)依據(jù)及原則1.1.1 設(shè)計(jì)依據(jù)（1）國(guó)家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范；（2）相似管道的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)；（3）設(shè)計(jì)任務(wù)書。1.1.2 設(shè)計(jì)原則（1）嚴(yán)格執(zhí)行現(xiàn)行國(guó)家、行業(yè)的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范。（2） 采用先進(jìn)、實(shí)用、可靠的新工藝、新技術(shù)、新設(shè)備、新材料，建立新的管理體制，保證工程項(xiàng)目的高水平、高效益，確保管道安全可靠，長(zhǎng)期平穩(wěn)運(yùn)行。（3）節(jié)約用地，不占

4、或少占良田，合理布站，站線結(jié)合。站場(chǎng)的布置要與油區(qū)內(nèi)各區(qū)塊發(fā)展緊密結(jié)合。（4） 在保證管線通信可靠的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，降低工程投資。提高自控水平，實(shí)現(xiàn)主要安全性保護(hù)設(shè)施遠(yuǎn)程操作。（5）以經(jīng)濟(jì)效益為中心，充分合理利用資金，減少風(fēng)險(xiǎn)投資，力爭(zhēng)節(jié)約基建投資，提高經(jīng)濟(jì)效益。1.2 總體技術(shù)水平（1）采用高壓長(zhǎng)距離全密閉輸送工藝。（2）采用原油變頻調(diào)速工藝。 （3）輸油管線采用先進(jìn)的SCADA系統(tǒng)，使各站場(chǎng)主生產(chǎn)系統(tǒng)達(dá)到有人監(jiān)護(hù)、自動(dòng)控制的管理水平。既保證了正常工況時(shí)管道的平穩(wěn)、高效運(yùn)行，也保證了管道在異常工況時(shí)的超前保護(hù)，使故障損失降低到最小。（4）采用電路傳輸容量大的光纖通信。給全線實(shí)

5、現(xiàn)SCADA數(shù)據(jù)傳輸帶來(lái)可靠的傳輸通道，給以后實(shí)現(xiàn)視頻傳輸、工業(yè)控制及多功能信息處理提供了可能。（5）在線路截?cái)嚅y室設(shè)置電動(dòng)緊急切斷球閥，在SCADA中心控制室根據(jù)檢漏分析的結(jié)果，確定管道泄漏位置，并可及時(shí)關(guān)閉相應(yīng)泄漏段的電動(dòng)緊急切斷球閥。（6）站場(chǎng)配套自成系統(tǒng)。（7）采用固化時(shí)間短、防腐性能優(yōu)異的環(huán)氧粉末作為管道外防腐層。2 輸油工藝2.1 主要工藝參數(shù)2.1.1 設(shè)計(jì)輸量 年輸量為3000萬(wàn)噸2.1.2 其它有關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（1) 保溫層(泡沫塑料)40mm；（2）管道埋地深1.6m；（3）管道埋深處平均地溫：=（4）原油含水< 0.5%；（5）年輸送天數(shù)：350天。2.2 主要工藝技術(shù)

6、輸油干線擬采用密閉輸油方式。輸油管道首站設(shè)置出站超高壓保護(hù)裝置，中間站設(shè)變頻器控制各進(jìn)干線的壓力，確保輸油干線長(zhǎng)期安全、平穩(wěn)運(yùn)行。3 工程概況某油田計(jì)劃鋪設(shè)一條180公里、年輸量為300萬(wàn)噸的熱油管道，管線經(jīng)過(guò)區(qū)域地勢(shì)平坦。表3-1地溫資料：月 份123456789101112地溫567891112131210874 設(shè)計(jì)參數(shù)4.1 管道設(shè)計(jì)參數(shù)最大運(yùn)行壓力7.5MPa,末站剩余壓頭60m，局部摩阻按1.2%，進(jìn)站溫度控制在39，最高輸送溫度70，最低輸送溫度35。4.2 原油物性20相對(duì)密度0.867，50粘度9.6mPa.s，粘溫指數(shù)0.038。4.3 其它參數(shù)保溫層采用黃夾克，厚度40m

7、m，土壤導(dǎo)熱系數(shù)1.2W/(m. )。 5 工藝計(jì)算5.1 輸量換算管道周圍的自然溫度；=；平均溫度為： （5-1）式中 平均溫度，加熱站的起點(diǎn)、終點(diǎn)溫度，。由公式（5-1）得：溫度系數(shù)為： （5-2）式中 溫度系數(shù)，； 溫度為20時(shí)的油品密度，。由公式（5-2）得：46.7時(shí)原油的密度為： （5-3）式中 溫度為46.7時(shí)的油品密度，； 溫度系數(shù)，； 溫度為20時(shí)的油品密度，； T油品溫度，。由公式（5-3）得：（）體積流量為： （5-4）式中 體積流量，或； 年輸量，； T年輸油時(shí)間，按350天算。由公式（5-4）得：5.2 管徑規(guī)格選擇5.2.1 選擇管徑取經(jīng)濟(jì)流速為V=2.0m/s,則

8、管徑為： （5-5）式中 D管道直徑，m； Q體積流量，； V經(jīng)濟(jì)流速，。由公式（5-5）得：5.2.2 選擇管道壁厚查規(guī)范，選規(guī)格為X60的管材，其最小屈服強(qiáng)度為415MPa,故其壁厚為： （5-6）式中 壁厚，； P設(shè)計(jì)壓力（取工作壓力的1.15倍）MPa; D管道外徑，； 許用壓力，MPa；=； K設(shè)計(jì)系數(shù)，取0.72； 焊縫系數(shù)，取1 鋼管的最低屈服強(qiáng)度，X60鋼取413MPa。由公式（5-6）得：查規(guī)范，選為方案一和為方案二的標(biāo)準(zhǔn)管道。5.3 熱力計(jì)算5.3.1 計(jì)算K值方案一：的標(biāo)準(zhǔn)管道管道中的實(shí)際流速為： （5-7）式中 d管道內(nèi)徑，m；Q體積流量，；實(shí)際流速，。選取泡沫塑料作為

9、保溫材料，查規(guī)范可知，第一層鋼管壁的導(dǎo)熱系數(shù)為，第二層保溫層的導(dǎo)熱系數(shù)為。查閱相關(guān)手冊(cè)可知，保溫材料厚度為40mm。而： （5-8） （5-9）式中 單位長(zhǎng)度的總傳熱系數(shù)，； 油流至管內(nèi)壁的放熱系數(shù)，； 管最外層至周圍介質(zhì)的放熱系數(shù)，； 第i層的厚度，m； 第i層（結(jié)蠟層、鋼管壁、防腐絕緣層等）導(dǎo)熱系數(shù)， 管內(nèi)徑，； 第i層的外徑，m； 第i層的內(nèi)徑，m； 最外層的管外徑，m； 管徑，m；若，取外徑；若，D取算數(shù)平均值；若，D取內(nèi)徑。由公式（5-9）得：管道最外層至周圍介質(zhì)的放熱系數(shù)為： （5-10）式中 土壤導(dǎo)熱系數(shù)，； 管中心埋深，m； 最外層的管外徑，m。由公式（5-10）得：在紊流情況

10、下，對(duì)總傳熱系數(shù)影響很小，可忽略不計(jì)。由公式（5-8）得：管道總傳熱系數(shù)為： （5-11）式中 K管道總傳熱系數(shù)，； 單位長(zhǎng)度的總傳熱系數(shù)，； 管道內(nèi)徑，m。由公式（5-11）得：方案二：的標(biāo)準(zhǔn)管道管道中的實(shí)際流速為：式中 d管道內(nèi)徑，m；Q體積流量，；實(shí)際流速，。選取泡沫塑料作為保溫材料，查規(guī)范可知，第一層鋼管壁的導(dǎo)熱系數(shù)為，第二層保溫層的導(dǎo)熱系數(shù)為。查閱相關(guān)手冊(cè)可知，保溫材料厚度為40mm。而： （5-8） （5-9）式中 單位長(zhǎng)度的總傳熱系數(shù)，； 油流至管內(nèi)壁的放熱系數(shù)，； 管最外層至周圍介質(zhì)的放熱系數(shù)，； 第i層的厚度，m； 第i層（結(jié)蠟層、鋼管壁、防腐絕緣層等）導(dǎo)熱系數(shù)， 管內(nèi)徑，；

11、 第i層的外徑，m； 第i層的內(nèi)徑，m； 最外層的管外徑，m； 管徑，m；若，取外徑；若，D取算數(shù)平均值；若，D取內(nèi)徑。由公式（5-9）得：管道最外層至周圍介質(zhì)的放熱系數(shù)為： （5-10）式中 土壤導(dǎo)熱系數(shù)，； 管中心埋深，m； 最外層的管外徑，m。由公式（5-10）得：在紊流情況下，對(duì)總傳熱系數(shù)影響很小，可忽略不計(jì)。由公式（5-8）得：管道總傳熱系數(shù)為： （5-11）式中 K管道總傳熱系數(shù)，； 單位長(zhǎng)度的總傳熱系數(shù)，； 管道內(nèi)徑，m。由公式（5-11）得：5.3.2 計(jì)算站間距時(shí)原油的相對(duì)密度為： （5-12）式中 15時(shí)原油的相對(duì)密度； 溫度系數(shù)，； 溫度為20時(shí)的油品密度，。由公式（5-

12、12）得：原油的比熱容為： （5-13）式中 15時(shí)原油的相對(duì)密度； 比熱容，； T原油溫度，。由公式（5-13）得：C質(zhì)量流量為： (5-14)式中 原油質(zhì)量流量，； 年輸量，； t年輸油時(shí)間，按350天算。由公式（5-14）得：加熱站間距為： （5-15）式中 原油質(zhì)量流量，；K管道總傳熱系數(shù)，；管道內(nèi)徑，m；加熱站的出站溫度，；管道周圍的自然溫度，；加熱站的進(jìn)站溫度，；加熱站間距，方案一：的標(biāo)準(zhǔn)管道由公式（5-15）得： 加熱站數(shù)： （5-16）式中 n加熱站數(shù)，個(gè)； L輸油管道總長(zhǎng)，m； 加熱站間距，m；由公式（5-16）得：熱負(fù)荷： （5-17）式中 q加熱站的熱負(fù)荷，kJ/s； 加

13、熱站的效率； 原油質(zhì)量流量，；加熱站的進(jìn)站溫度，；加熱站的出站溫度，。比熱容，由公式（5-17）得：由于熱站的熱負(fù)荷較大，故需增加熱站數(shù)，取n=2個(gè)。則熱站間距為： （5-18）式中 n加熱站數(shù)，個(gè)； L輸油管道總長(zhǎng)，m； 加熱站間距，m；由公式（5-18）得： 計(jì)算出站溫度出站溫度為： （5-19）式中 原油質(zhì)量流量，；加熱站的進(jìn)站溫度，；加熱站的出站溫度，。比熱容，加熱站間距，m；K管道總傳熱系數(shù)，；管道內(nèi)徑，m。管道周圍的自然溫度，；由公式（5-19）得：由公式（5-17）得熱負(fù)荷為：方案二：的標(biāo)準(zhǔn)管道:由公式（5-15）得： 加熱站數(shù)： （5-16）式中 n加熱站數(shù)，個(gè)； L輸油管道總

14、長(zhǎng)，m； 加熱站間距，m；由公式（5-16）得： 熱負(fù)荷： （5-17）式中 q加熱站的熱負(fù)荷，kJ/s； 加熱站的效率； 原油質(zhì)量流量，；加熱站的進(jìn)站溫度，；加熱站的出站溫度，。比熱容，由公式（5-17）得：由于熱站的熱負(fù)荷較大，故需增加熱站數(shù)，取n=2個(gè)。則熱站間距為： （5-18）式中 n加熱站數(shù)，個(gè)； L輸油管道總長(zhǎng)，m； 加熱站間距，m；由公式（5-18）得：計(jì)算出站溫度出站溫度為： （5-19）式中 原油質(zhì)量流量，；加熱站的進(jìn)站溫度，；加熱站的出站溫度，。比熱容，加熱站間距，m；K管道總傳熱系數(shù)，；管道內(nèi)徑，m。管道周圍的自然溫度，；由公式（5-19）得：由公式（5-17）得熱負(fù)荷

15、為：5.4 水力計(jì)算5.4.1 計(jì)算輸油平均溫度下的原油運(yùn)動(dòng)粘度方案一：的標(biāo)準(zhǔn)管道由公式（5-1）得平均溫度為：由公式（5-3）得時(shí)原油的密度為：（）故平均溫度下的運(yùn)動(dòng)粘度為： （5-20）式中 溫度為平均溫度、時(shí)油品的運(yùn)動(dòng)黏度，；u黏溫指數(shù)，。由公式（5-20）得：方案二：的標(biāo)準(zhǔn)管道由公式（5-1）得平均溫度為：由公式（5-3）得時(shí)原油的密度為：（）故平均溫度下的運(yùn)動(dòng)粘度為： （5-20）式中 溫度為平均溫度、時(shí)油品的運(yùn)動(dòng)黏度，；u黏溫指數(shù)，。由公式（5-20）得：5.4.2 判斷流態(tài)方案一：的標(biāo)準(zhǔn)管道雷諾數(shù)為： （5-21） （5-22）式中 u黏溫指數(shù)，。輸送溫度下原油的運(yùn)動(dòng)黏度，；Q管

16、路中原油的體積流量，；e管壁的絕對(duì)粗糙度，m。由公式（5-21）得：由公式（5-22）得：由于,所以其是處于水力光滑區(qū)，故前面的假設(shè)是正確的。方案二：的標(biāo)準(zhǔn)管道雷諾數(shù)為： （5-21） （5-22）式中 u黏溫指數(shù)，。輸送溫度下原油的運(yùn)動(dòng)黏度，；Q管路中原油的體積流量，；e管壁的絕對(duì)粗糙度，m。由公式（5-21）得：由公式（5-22）得：由于,所以其是處于水力光滑區(qū)，故前面的假設(shè)是正確的。5.4.3 計(jì)算摩阻方案一：的標(biāo)準(zhǔn)管道一個(gè)加熱站間的摩阻為： （5-23） 總摩阻為： （5-24）全線所需總壓頭為： （5-25）式中 沿線總摩阻，m； 加熱站間距的摩阻，m； H全線所需要的總壓頭，m。由

17、公式（5-23）得：由公式（5-24）得：由公式（5-25）得：方案二：的標(biāo)準(zhǔn)管道一個(gè)加熱站間的摩阻為： （5-23） 總摩阻為： （5-24）全線所需總壓頭為： （5-25）式中 沿線總摩阻，m； 加熱站間距的摩阻，m； H全線所需要的總壓頭，m。由公式（5-23）得：由公式（5-24）得：由公式（5-25）得：6 設(shè)備選型6.1 設(shè)備選型計(jì)算6.1.1 泵的選型選泵原則:流量以任務(wù)輸量為依據(jù)，最大輸量、最小輸量為參考；摩阻以任務(wù)輸量下的摩阻為依據(jù)，最大輸量、最小輸量下的摩阻為參考。同時(shí)，考慮一定的富裕量。 若輸送正常流量為Qp，則采用適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)估算泵的流量，一般取Q =（1.051.1

18、0）Qp。估算泵揚(yáng)程時(shí)，考慮泵在最困難條件下，計(jì)算流動(dòng)損失，確定所需揚(yáng)程Hp，根據(jù)需要再留出些裕量，最后估算選泵揚(yáng)程，一般取H=（1.101.15）Hp。根據(jù)油田輸量變化情況，為發(fā)揮泵的經(jīng)濟(jì)效益，選泵原則為：最小輸量期，運(yùn)行1臺(tái)小泵；任務(wù)輸量期，運(yùn)行1臺(tái)大泵；最大輸量期，1臺(tái)大泵與1臺(tái)小泵并聯(lián)運(yùn)行。同時(shí)，大泵考慮1臺(tái)備用。選用泵型號(hào)為KDY500-130×5，其流量為500，揚(yáng)程為650m,轉(zhuǎn)速為2980轉(zhuǎn)/分，效率為83%。每個(gè)泵站選用兩臺(tái)，其中一臺(tái)為備用泵。方案一：由公式（5-3）得平均溫度下的密度為：（）泵所產(chǎn)生的壓力為： (6-1)式中 P泵所能夠提供的壓力，Pa； 油品的密

19、度，； H泵所提供的揚(yáng)程，m；由公式（6-1）得：P故所選擇的泵符合要求。方案二：由公式（5-3）得平均溫度下的密度為：（）泵所產(chǎn)生的壓力為： (6-1)式中 P泵所能夠提供的壓力，Pa； 油品的密度，； H泵所提供的揚(yáng)程，m；由公式（6-1）得：P故所選擇的泵符合要求。6.1.2 原動(dòng)機(jī)的選型 JKZ異步電動(dòng)機(jī)，型號(hào)為JKZ-2000,額定功率2000kw,額定電壓6000V，額定電流234A,轉(zhuǎn)速2985轉(zhuǎn)/分，效率95.5%。6.1.3 加熱設(shè)備選型首站選用換熱器，其他加熱站選用直接管式加熱爐，型號(hào)：GW4400-Y/6 4-Y,其額定功率為4400KW，效率為87%。6.2 站場(chǎng)布置

20、方案一：的標(biāo)準(zhǔn)管道泵站數(shù)為： (6-2)式中 n泵站數(shù)，個(gè)； H全線所需的總壓頭，m； 泵所提供的揚(yáng)程，m。由公式（6-2）得：n(個(gè))向上取整，取n=3（個(gè)）；為了保證任務(wù)輸量不變，可對(duì)泵站中的泵機(jī)組采取減小級(jí)數(shù)等措施。采用平均法布站，其站間距為： （6-3）式中 泵站站間距，m； L管線總長(zhǎng)，m；由公式（6-3）得：泵站內(nèi)壓頭損失不計(jì)，后面的泵站進(jìn)口壓力控制在3080m范圍內(nèi)。（1）當(dāng)首站與第二站站間距取90km,其進(jìn)口壓力為： （6-4）式中 泵站進(jìn)口的剩余壓頭，m； H泵站所提供的揚(yáng)程，m； i水力坡降； L兩泵站的站間距，m； 兩泵站間的高程差，m； 泵站內(nèi)壓頭損失，m。取首站與第二

21、站的站間距為65km，進(jìn)口壓力為：水力坡降：符合要求，故第二站布置在距離首站65km處。（2）取首站與第三站的站間距為135km，進(jìn)口壓力為：符合要求，故第三站布置在距離首站135km處。故全線泵站布置完畢。方案二：的標(biāo)準(zhǔn)管道: 水力坡降： (6-2)式中 n泵站數(shù)，個(gè)； H全線所需的總壓頭，m； 泵所提供的揚(yáng)程，m。由公式（6-2）得：n(個(gè))向上取整，取n=4（個(gè)）；為了保證任務(wù)輸量不變，可對(duì)泵站中的泵機(jī)組采取減小級(jí)數(shù)等措施。采用平均法布站，其站間距為： （6-3）式中 泵站站間距，m； L管線總長(zhǎng)，m；由公式（6-3）得：泵站內(nèi)壓頭損失不計(jì)，后面的泵站進(jìn)口壓力控制在3080m范圍內(nèi)。（1

22、） （6-4）式中 泵站進(jìn)口的剩余壓頭，m； H泵站所提供的揚(yáng)程，m； i水力坡降； L兩泵站的站間距，m； 兩泵站間的高程差，m； 泵站內(nèi)壓頭損失，m。取首站與第二站的站間距為50km，進(jìn)口壓力為：符合要求，故第二站布置在距離首站50km處。（2）取首站與第三站的站間距為102km，進(jìn)口壓力為：符合要求，故第三站布置在距離首站120km處。（3）取首站與第四站的站間距為175km，進(jìn)口壓力為：符合要求，故第四站布置在距離首站175km處。故全線泵站布置完畢。7 最小輸量方案一：管道的最小輸量為： （7-6）式中 管道最小輸量，kg/s；K總傳熱系數(shù)，；D管道外徑，m；L加熱站間距，m；C原油比熱容，；加熱站的最高出站溫度，； 管道周圍的自然溫度，； 加熱站的最低進(jìn)站溫度，。由公式（7-6）得：方案二：管道的最小輸量為： （7-6）式中 管道最小輸量，kg/s；K總傳熱系數(shù)，；D管道外徑