長(zhǎng)輸管道工藝設(shè)計(jì)

長(zhǎng)輸管道工藝設(shè)計(jì)

現(xiàn)代管道運(yùn)輸始于1865年美國(guó)賓夕法尼亞的第一個(gè)原油管道。我國(guó)的管道網(wǎng)建設(shè)則始于上世紀(jì)50年代末新疆建成的全長(zhǎng)147km管徑150mm的克拉瑪依—獨(dú)山子輸油管道。上世紀(jì)60年代后,隨著我國(guó)石油工業(yè)的快速發(fā)展,大慶、勝利等油田相繼建成,管道運(yùn)輸?shù)玫搅溯^大發(fā)展。到1994年底,以(大)慶鐵(嶺)、鐵(嶺)大(連)、鐵(嶺)秦(皇島)、東(營(yíng))黃(島)和魯(山東臨岜)寧(江蘇儀征)五大干線為主的全國(guó)原油長(zhǎng)輸管道輸送的原油占總產(chǎn)量的89.31%,天然氣管道輸送的天然氣占總產(chǎn)量的60.97%;全國(guó)管道總里程達(dá)到16800km。與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比,我國(guó)輸油管道技術(shù)還存在一定差距。除了管材與制管工藝、電機(jī)、泵、閥門等管件、自動(dòng)化控制技術(shù)以及防腐和管道施工技術(shù)上存在差距外,管線的工藝設(shè)計(jì)也存在一定的差距。現(xiàn)以我國(guó)中部某管道設(shè)計(jì)為例,對(duì)長(zhǎng)輸油管道工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。1密度和溫度對(duì)油脂粘度的影響該管線任務(wù)輸量為每年650萬(wàn)噸;溫度密度:根據(jù)20℃時(shí)油品密度按下式換算成計(jì)算溫度下的密度:式中:ρt、ρ20—溫度為t℃時(shí)及20℃時(shí)的油品密度,kg/m3;ζ—溫度系數(shù),ζ=1.825-0.001315ρ20,kg/(m3.℃)。油品粘度,已知:油品運(yùn)動(dòng)粘度可按下式計(jì)算:式中:υt、υ0—溫度為t、t0時(shí)油品的運(yùn)動(dòng)粘度,m2/s;u—粘溫指數(shù),1/℃。2輸油管道的選型和輸油泵的設(shè)置大量經(jīng)濟(jì)計(jì)算及運(yùn)行實(shí)踐總結(jié)的長(zhǎng)輸管道經(jīng)濟(jì)流速的變化范圍,一般為1.0~2.0m/s。這給設(shè)計(jì)計(jì)算帶來(lái)很大方便。建設(shè)時(shí)由于設(shè)備、材料價(jià)格、建設(shè)工程費(fèi)用、燃料、動(dòng)力價(jià)格等等的差異,計(jì)算得出的經(jīng)濟(jì)流速范圍也不相同。對(duì)于同一地區(qū)而言,經(jīng)濟(jì)流速的取值主要決定于油品的粘度和管徑。根據(jù)初定經(jīng)濟(jì)流速所對(duì)應(yīng)的內(nèi)管,其外徑D=508mm,在其上下各選一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)管徑,對(duì)應(yīng)的外徑可分別為D=457mm和D=559mm。根據(jù)被輸介質(zhì)性質(zhì)、管道的工作環(huán)境、施工條件、市場(chǎng)供應(yīng)和管道的工藝設(shè)計(jì)條件,選擇管材和管子類型,目前新建大型管道多采用X65、X70級(jí)鋼。在本設(shè)計(jì)中,根據(jù)所選管材X65(L450)鋼作為設(shè)計(jì)材料,Qs=450MPa。泵站應(yīng)有備用輸油泵。備用泵臺(tái)數(shù)按照泵與原動(dòng)機(jī)的可靠性與維修條件而定。選泵時(shí),通常是先從泵制造廠提供的泵型譜與特性曲線上,挑選出與確定的額定排量及揚(yáng)程相符的泵型。按照所輸原油性質(zhì)對(duì)特性曲線加以換算,應(yīng)使額定排量與揚(yáng)程位于所選泵型特性曲線的高效區(qū),泵應(yīng)具有連續(xù)平滑的特性曲線,高效區(qū)較寬;泵關(guān)死點(diǎn)(排量為零)的揚(yáng)程上升不應(yīng)過(guò)大。如果已有的泵特性曲線不符合要求,可向泵制造廠提出重新設(shè)計(jì)或修改曲線的要求。給油泵只用于首站,安裝在輸油主泵之前,并聯(lián)操作。給油泵按照泵站總排量與主泵所要求的正壓頭,確定臺(tái)數(shù)及每臺(tái)泵的排量與揚(yáng)程。目前國(guó)內(nèi)輸油管道采用的輸油泵主要有:400KD型、DKS型、KS型、SH型、D(DA)型、Y(YS)型、DY型等。根據(jù)任務(wù)數(shù)量和計(jì)算揚(yáng)程要求,本設(shè)計(jì)中采用輸油量為1000m3/h的400KD型泵。每個(gè)站設(shè)置兩臺(tái)輸油泵,其中一臺(tái)備用。初步確定工作壓力為5.6MPa。3按規(guī)格進(jìn)行計(jì)算管道工藝計(jì)算的方法和及驟:工藝計(jì)算主要包括強(qiáng)度計(jì)算和水力計(jì)算,步驟如下:(1)根據(jù)流量推算等溫輸油管道的經(jīng)濟(jì)流速和經(jīng)濟(jì)管徑;(2)在經(jīng)濟(jì)管徑上下各選一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)管徑;(3)進(jìn)行工藝計(jì)算,針對(duì)管徑、輸量選擇泵的總揚(yáng)程及輸量高效區(qū);(4)進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算;(5)進(jìn)行水力計(jì)算,選擇最低地溫和平均地溫,確定油品粘度、任務(wù)輸量,從而求出全線壓頭損失;(6)根據(jù)壓頭損失確定泵站數(shù),并進(jìn)行圓整;對(duì)三種管徑分別按(3)—(6)步驟計(jì)算,再進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較;(7)布站;(8)校核最高地溫和最低地溫、進(jìn)出站壓力及動(dòng)靜水壓力;(9)確定工作點(diǎn);(10)選擇設(shè)備及首末站罐。完成工藝計(jì)算后,對(duì)所計(jì)算的各種方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較,最終確定最佳方案,并對(duì)最佳方案進(jìn)行工況校核。3.1管道穿跨越工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)輸油管道直管道的設(shè)計(jì)公式如下:式中:δ—管壁厚度,mm;D—外徑,mm;Φ—焊縫系數(shù),無(wú)縫鋼管取1.0;C—考慮鋼管公差和腐蝕的余量,根據(jù)管路的工作環(huán)境,取C=0~2mm。輸送C5及C5以上的液體管道的設(shè)計(jì)系數(shù)除穿越段按現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《原油和天然氣輸送管道穿跨越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(SY/T0015)的規(guī)定取值外,輸油站外一般地段取0.72。再根據(jù)選用的管道規(guī)格的壁厚計(jì)算設(shè)計(jì)壓力。3.2速度計(jì)算由下列公式計(jì)算:式中:V—流速,m/s;A—管道橫截面積,mm2。3.3計(jì)算雷諾數(shù)流態(tài)判定由下式計(jì)算:式中:—油品的運(yùn)動(dòng)粘度,m2/s;ν3.4由于水流梯度的降低，綜合磨坊的參數(shù)由下式計(jì)算:式中:i—水力坡降;A—管道橫截面積,mm2;Q—油品在管路中的體積流量。3.5水力坡降工藝設(shè)計(jì)方案翻越點(diǎn)判斷可用在縱斷面圖上作水力坡降線的方法來(lái)判斷。在接近末端的縱斷面線的上方,按其縱斷面坐標(biāo)的比例作水力坡降線,將此線向下平移,直到與縱斷面線相切為止。如水力坡降線在與管道終點(diǎn)相交之前,不與管道縱斷面上的任一點(diǎn)相切,即不存在翻越點(diǎn)。反之,在與終點(diǎn)相交之前,水力坡降線與縱斷面線的第一個(gè)切點(diǎn)就是翻越點(diǎn)。根據(jù)縱斷面圖及水力坡降線可判斷,在此工藝設(shè)計(jì)方案中沒有翻越點(diǎn)。管道計(jì)算長(zhǎng)度為管路全長(zhǎng)435.65km。3.6確定整個(gè)過(guò)程所需的壓力頭由下式計(jì)算:式中:Lf——管道的計(jì)算長(zhǎng)度,m;hmi——局部摩阻,m液柱;3.7按泵站揚(yáng)程計(jì)算取能量根據(jù)任務(wù)輸量,在泵站工作特性曲線上可以得到每個(gè)泵站所能提供的揚(yáng)程為HCT。全線N個(gè)泵站提供的總揚(yáng)程必然與消耗的總能量平衡,由公式得:式中:HCT—任務(wù)輸量下泵站的揚(yáng)程,m液柱;hm—泵站站內(nèi)損失,m液柱;顯然計(jì)算出的N不一定是整數(shù),只能取與之相近的整數(shù)作為該方案需建設(shè)的泵站數(shù)。本設(shè)計(jì)中泵站數(shù)為4個(gè)。3.8管道建設(shè)投資s輸油管道方案的優(yōu)劣主要取決于工業(yè)設(shè)計(jì)方案的選擇。重點(diǎn)考慮基建投資及輸油成本費(fèi)用兩方面。基建投資及輸油成本費(fèi)用主要包括基本建設(shè)投資指標(biāo)和輸油成本指標(biāo)兩大類。這些指標(biāo)系根據(jù)多年管道建設(shè)經(jīng)驗(yàn)積累、依據(jù)國(guó)家有關(guān)政策規(guī)定編制而成的。技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)用于工藝方案的經(jīng)濟(jì)性比較。管道建設(shè)投資指標(biāo)包括線路部分、泵站部分和配套工程三部分。輸油成本費(fèi)用主要包括大修理、材料、動(dòng)力、燃料、工資、職工福利、損耗及其他費(fèi)用。再根據(jù)總投資和運(yùn)行管理費(fèi)用計(jì)算年折折舊費(fèi)用:S=IK+E式中:I—投資效益(回收)系數(shù),1/年;反映了管道工程項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性好壞的重要指標(biāo),在儲(chǔ)運(yùn)工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)中取一般取0.15。式中:i—基本投資收益率,i<1;t—投資回收期,年。3.9壓力需求特性方程求泵站—管道系統(tǒng)的工作點(diǎn),除了圖解法以外,也可根據(jù)壓頭供需平衡的原則,列出管道的壓力供應(yīng)特性方程和壓力需求特性方程,使兩者相等求解工作點(diǎn)。假設(shè)管道上有N座泵站,全線管徑相同,無(wú)分支,首站進(jìn)站壓頭和各站內(nèi)摩阻均為常量,可寫出全線的壓力供需平衡關(guān)系式如下:由上式可求出管道的工作流量:式中:Q——全線工作流量,m3/s;N——全線工作站泵數(shù);3.10對(duì)泵站和管道的運(yùn)行進(jìn)行回顧3.10.1.各站的進(jìn)給壓力進(jìn)站壓力計(jì)算公式:式中:L1、?Z1——第一站間管道長(zhǎng)度及高差,m;Hd1——首站出站壓頭。出站壓力計(jì)算公式:3.10.最高動(dòng)水壓力的確定動(dòng)水壓力:油流沿管道流動(dòng)過(guò)程中各點(diǎn)的剩余壓力。在縱斷面圖上,動(dòng)水壓力是管道縱斷面線之間的垂直壓力。動(dòng)水壓力的大小不僅取決于地形的起伏變化,而且與管道的水力坡降和泵站的運(yùn)行情況有關(guān)。校核動(dòng)水壓力,就是檢查管道的剩余壓力是否在管道操作壓力的允許值范圍內(nèi)。即最低動(dòng)水壓力(一般為高點(diǎn)壓力)應(yīng)高于0.2MPa,最高動(dòng)水壓力應(yīng)在管道強(qiáng)度的允許值范圍內(nèi)。鋼管最大承受壓力可由公式計(jì)算:3.10.3.靜水壓校正靜水壓力:油流停止流動(dòng)后,由地形高差產(chǎn)生的靜液柱壓力。管道沿程最大高差為:為安全起見,取最低溫度下油流密度進(jìn)行計(jì)算:3.11選擇存儲(chǔ)材料儲(chǔ)罐總?cè)萘?式中:V—首、末站油罐總?cè)萘?m3;ε—油罐容積利用系數(shù),金屬浮頂罐取0.9;4輸油管路總壓頭及管道設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)主要針對(duì)等溫輸油管道進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)計(jì)算,在設(shè)計(jì)過(guò)程中,根據(jù)輸油管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范,通過(guò)流量推算其經(jīng)濟(jì)流速和經(jīng)濟(jì)管徑,再在經(jīng)濟(jì)管徑上下各選一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)管徑,最終確定最佳方案,即:管道規(guī)格:Ф457×6.4;流速:1.6m/s;流態(tài):紊流狀態(tài),混合摩擦區(qū);水力坡降i:0.0048;無(wú)翻越點(diǎn),計(jì)算長(zhǎng)度為435.65km;全線需要的總壓頭:2153m;泵站數(shù):4。本設(shè)計(jì)能夠滿足中部某長(zhǎng)輸油管線的工藝設(shè)計(jì)要求,而且有比較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指數(shù)。P—設(shè)計(jì)壓力或管道的工作壓力,MPa;[σ]—輸油管道的許用應(yīng)力,Q—油品在管路中的體積流量,m3/s;d—管內(nèi)徑,mm;Q—油品在管路中的體積流量,m3/s。—油品的運(yùn)動(dòng)粘度,m2/s;νL—管長(zhǎng),m;d—管內(nèi)徑,mm;nhf—水頭損失,m;ZQ、ZZ——管道起點(diǎn)和終點(diǎn)的高程,m;HSZ——末站剩余壓力,m液柱。H—任務(wù)數(shù)量下管道所需總壓頭,m液柱;HSZ—末站剩余壓力,m液柱。f——單位流量的水力坡降,(m3/s)m-2;