输油管道设计及管理22

1、一、管路的压降计算一、管路的压降计算根据流体力学理论，输油管道的总压降可表示为：根据流体力学理论，输油管道的总压降可表示为： QjLzzhhH 其中：其中：hL为沿程摩阻为沿程摩阻 h为局部摩阻为局部摩阻 (zj-zQ) 为计算高程差为计算高程差 第二节第二节 输油管道的压能损失输油管道的压能损失二、水力摩阻系数的计算二、水力摩阻系数的计算 计算长输管道的摩阻损失主要是计算沿程摩阻损失计算长输管道的摩阻损失主要是计算沿程摩阻损失 hL 。达西公式达西公式 ：gVDLhL22 对于一条给定的长输管道，对于一条给定的长输管道，L和和D都是已知的，输量（或都是已知的，输量（或流速）也是已知的，现在的

2、问题就是如何计算水力摩阻流速）也是已知的，现在的问题就是如何计算水力摩阻系数系数 。 根据流体力学理论根据流体力学理论 Def，Re 其中：其中：e为管壁的绝对粗糙度，为管壁的绝对粗糙度，D为管道内径。为管道内径。 是是Re和和e/D 的二元函数，具体的函数关系视流态而定。的二元函数，具体的函数关系视流态而定。在解决工程实际问题时，为了安全，一般尽量避开过渡区，在解决工程实际问题时，为了安全，一般尽量避开过渡区，因该区的流态不稳定。因该区的流态不稳定。输油管道的压能损失输油管道的压能损失流态：分为层流和紊流，中间还存在一个过滤区。流态：分为层流和紊流，中间还存在一个过滤区。1、流态划分和输油管

3、道的常见流态、流态划分和输油管道的常见流态 层流：层流：Re2000 过渡流：过渡流：2000Re3000 紊流光滑区：紊流光滑区：3000ReRe1 （简称光滑区）简称光滑区） 紊流混合摩擦区：紊流混合摩擦区：Re1Re2 （简称粗糙区）简称粗糙区）我国输油管道工程设计规范规定的流态划分标准是：我国输油管道工程设计规范规定的流态划分标准是：其中：其中：输油管道中所遇到的流态一般为：输油管道中所遇到的流态一般为： 热含蜡原油管道、大直径轻质成品油管道：水力光滑区热含蜡原油管道、大直径轻质成品油管道：水力光滑区 小直径轻质成品油管道：混合摩擦区小直径轻质成品油管道：混合摩擦区 高粘原油和燃料油管

4、道：层流区高粘原油和燃料油管道：层流区 长输管道一般很少工作在粗糙区。长输管道一般很少工作在粗糙区。7817 .59Re lg765665Re2 De2 输油管道的压能损失输油管道的压能损失2、管壁粗糙度的确定、管壁粗糙度的确定 管壁粗糙度管壁粗糙度 ：相对粗糙度：绝对粗糙度与管内径的比值相对粗糙度：绝对粗糙度与管内径的比值(e/D或或2e/D)。 绝对粗糙度：管内壁面突起高度的统计平均值。绝对粗糙度：管内壁面突起高度的统计平均值。紊流各区分界雷诺数紊流各区分界雷诺数Re1、Re2及水力摩阻系数都与管壁粗糙及水力摩阻系数都与管壁粗糙度有关。我国输油管道工程设计规范中规定的各种管子度有关。我国输

5、油管道工程设计规范中规定的各种管子的绝对粗糙度如下：的绝对粗糙度如下： 无缝钢管：无缝钢管：0.06mm直缝钢管：直缝钢管：0.054mm 螺旋焊缝钢管：螺旋焊缝钢管：DN=250350时取时取0.125mm DN400时取时取0.1mm3.紊流区临界雷诺数紊流区临界雷诺数Re1和和Re2的确定的确定 紊流区分为水力光滑区、混合摩擦区和完全粗糙区，划分紊流区分为水力光滑区、混合摩擦区和完全粗糙区，划分的依据是临界雷诺数的依据是临界雷诺数Re1和和Re2 。 层流边界层厚度的表达式层流边界层厚度的表达式 ： Ve86 .10 Re30D 水力光滑区水力光滑区:混合摩擦区混合摩擦区:粗糙区粗糙区:

6、3/ ee 157. 0/ ee 3/157. 0 ee 取取 eRDeee 1303 按紊流光滑区的按紊流光滑区的Blasius公式计算：公式计算： 25. 01Re/3164. 0 代入边界层厚度计算公式，得代入边界层厚度计算公式，得eD/30Re3164. 0Re325. 011 令令 De/2则则78/22.59Re1 输油管道的压能损失输油管道的压能损失取取 157. 0/ ee 2)lg274. 1( 代入边界层厚度计算公式，得代入边界层厚度计算公式，得 157. 0Relg274. 13021 eD 输油管道的压能损失输油管道的压能损失规范上取规范上取 78/7.59Re1 ，这

7、就是，这就是Re1的来历。的来历。(混摩区与粗糙区的分界相对粗糙度混摩区与粗糙区的分界相对粗糙度)(粗糙区摩阻系数计算公式粗糙区摩阻系数计算公式)从而得到：从而得到： / )lg274. 1(2 .382Re2 / )lg765665( 当雷诺数当雷诺数Re处于分界雷诺数附近时，处于分界雷诺数附近时，e的取值相当重要，的取值相当重要，不同的不同的e值可能导致流态判别的不同。值可能导致流态判别的不同。 如某条管道如某条管道Re=5105，若取若取e=0.1mm，则则Re1=6.7105，ReRe1，为混合摩擦区。为混合摩擦区。输油管道的压能损失输油管道的压能损失有人认为上述有人认为上述Re1和和

8、Re2的计算方法适用于口径较小、粗糙度的计算方法适用于口径较小、粗糙度较大的输油管道。随着输油管道口径的增大和制管工艺的提较大的输油管道。随着输油管道口径的增大和制管工艺的提高高, e变小，再用上面的公式计算就会与实际相差较大，这时变小，再用上面的公式计算就会与实际相差较大，这时可以采用下式计算可以采用下式计算:DeRe101 DeRe5002 该式计算的该式计算的Re1值比前面公式小，即紊流光滑区的范围缩小了。值比前面公式小，即紊流光滑区的范围缩小了。 78/7 .59Re1 / )lg765665(Re2 我国目前采用我国目前采用的计算公式为的计算公式为输油管道的压能损失输油管道的压能损失

9、4、水力摩阻系数的计算、水力摩阻系数的计算 我国输油管道工程设计规范规定的各区水力摩阻系数的计算公式见下表：我国输油管道工程设计规范规定的各区水力摩阻系数的计算公式见下表： 流态流态 划分范围划分范围 f(Re,) 层流层流 Re2000 =64/Re紊紊流流水力光滑区水力光滑区 3000ReRe1=混合摩擦区混合摩擦区 ReRe2=7/87 .59 7/87 .59 lg765665 51.2Relg21 25. 0Re3164. 0 时时当当510Re 2lg274. 11 普朗特普朗特-卡卡门公式门公式勃拉休斯勃拉休斯公式公式科尔布鲁克科尔布鲁克- -怀特公式怀特公式尼古拉兹尼古拉兹公式

10、公式 Re51. 27 . 3lg21D25.0Re6811.0 De 阿尔特舒利阿尔特舒利- -卡利聪公式卡利聪公式除了上表中规定的计算公式外，还有计算结果相近的其他公式，分别是：除了上表中规定的计算公式外，还有计算结果相近的其他公式，分别是：水力光滑区的米勒公式：水力光滑区的米勒公式：53. 1Relg8 . 11 混合摩擦区的伊莎耶夫公式：混合摩擦区的伊莎耶夫公式：粗糙区的谢夫林松公式：粗糙区的谢夫林松公式：25. 011. 0 De 11.14 .7Re8 .6lg8 .11 由各区的由各区的计算公式可以看出：计算公式可以看出：紊流光滑区紊流光滑区: 层流边层厚度层流边层厚度e3e，只

11、与只与Re有关，与粗糙有关，与粗糙度无关；度无关； 混合摩擦区：混合摩擦区： 0.157ee3e，=f(Re,e/D)，与与Re和粗糙度有和粗糙度有关；关；完全粗糙区：完全粗糙区：层流边层很薄，粗糙突起几乎全部暴露于层层流边层很薄，粗糙突起几乎全部暴露于层流边层之外，流边层之外，只与只与e/D有关，而与有关，而与Re无关，无关，摩阻与流速（流量）的平方成正比，故粗糙摩阻与流速（流量）的平方成正比，故粗糙区又叫阻力平方区。区又叫阻力平方区。输油管道的压能损失输油管道的压能损失三、流量压降综合计算公式三、流量压降综合计算公式列宾宗公式列宾宗公式 1、列宾宗公式、列宾宗公式 LDQvhmmmL 52

12、 mARe DQ4Re 24DQV 代入达西公式代入达西公式、和和把把令令gAmm 248 LDQgAhmmmmmL 52248 整理得整理得即得到列宾宗公式：即得到列宾宗公式： 627. 0lg127. 010 de 流态流态Am 层流层流641 4.15紊紊流流水力光滑区水力光滑区0.31640.25 0.0246混合摩擦区混合摩擦区 0.123 0.0802A粗糙区粗糙区00.0826不同流态下的不同流态下的A、m、值值输油管道的压能损失输油管道的压能损失四、管路的水力坡降四、管路的水力坡降 定义：定义：管道单位长度上的摩阻损失称为水力坡降。用管道单位长度上的摩阻损失称为水力坡降。用 i

13、 表示：表示： mmmDQi 52 gVDi212 或或1、等温输油管的干线水力坡降、等温输油管的干线水力坡降水力坡降与管道长度无关，只随流量、粘度、管径和流态不同而不同。水力坡降与管道长度无关，只随流量、粘度、管径和流态不同而不同。ABC hLLimmDvf 5 mfQi 2在计算和分析中经常用到单位输量在计算和分析中经常用到单位输量(Q=1m3/s)的水力坡降的水力坡降f，即单位流量，即单位流量下、单位管道长度上的摩阻损失：下、单位管道长度上的摩阻损失：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特点：特

14、点：副管：与主管并联相接的管段。副管：与主管并联相接的管段。11)2(25211 mmmfmfDDQQiiii假设副管与主管流态相同，假设副管与主管流态相同，fmfmmfmmmLDQLDQ 522521 得得由由fii 11252QDDQmmf 从从而而得得125211QDDQQQmmf 输油管道的压能损失输油管道的压能损失由于由于 1 ，所以只要铺设副管总有减阻效果。所以只要铺设副管总有减阻效果。 fDD 若若m 221 ，则，则层流：层流： iimf5 . 05 . 01 ， 光滑区：光滑区： iimf297.0297.025.0 ， 混摩区：混摩区：iimf272.0272.0123.0

15、 ， 粗糙区：粗糙区：iimf25.025.00 ， 也就是说，随也就是说，随Re的升高，铺副管的减阻效果增强的升高，铺副管的减阻效果增强 。输油管道的压能损失输油管道的压能损失iif 即即3.变径管的水力坡降变径管的水力坡降 D ，QD0，Q mDDii500ii 0变径管具有减阻效果；变径管具有减阻效果； ，时时，10 DD变径管具有增阻作用。变径管具有增阻作用。 ，时时，10 DD若主管与变径管流态相同，则有：若主管与变径管流态相同，则有：变径管：与主管串联相接且直径与主管不同的管段。变径管：与主管串联相接且直径与主管不同的管段。五、管路的工作特性五、管路的工作特性 定义：定义： 已定管

16、路（已定管路（D , L , Z 一定）输送某种已定粘度油品时，一定）输送某种已定粘度油品时，管路所需总压头（即压头损失）与流量的关系（管路所需总压头（即压头损失）与流量的关系（H-Q关关系）称为管路工作特性。系）称为管路工作特性。ZhDLQHmmm 52/ZhfLQm 2ZHQ层层流流区区过过渡渡区区紊流区紊流区QLJ输油管道的工作特性曲线输油管道的工作特性曲线输油管道的压能损失输油管道的压能损失1、如何根据单根管路的特性曲线作出串、并联管路的特性、如何根据单根管路的特性曲线作出串、并联管路的特性 曲线？曲线？ 2、流量、流量Q变化会引起管路特性的变化吗？为什么？变化会引起管路特性的变化吗？

17、为什么？ 3、什么因素影响特性曲线起点的高低和陡缓？、什么因素影响特性曲线起点的高低和陡缓？ 输油管道的压能损失输油管道的压能损失六、离心泵站与管路的联合工作六、离心泵站与管路的联合工作 确定泵站与管路的工作点的方法有两种，即图解法和解析法。确定泵站与管路的工作点的方法有两种，即图解法和解析法。 AHHAQAQ管路总特性曲线管路总特性曲线泵站总特性曲线泵站总特性曲线图解法：图解法：下面重点讨论解析法。下面重点讨论解析法。1、一个泵站的管道、一个泵站的管道 1122)(121ZZhhHHLccs 由断面由断面1-1到到2-2列能量方程有：列能量方程有：式中：式中：HS1泵的吸入压力，为常数。泵的

18、吸入压力，为常数。HC 泵站扬程泵站扬程 hc 站内损失站内损失 hL 沿程摩阻沿程摩阻 Z2-Z1起终点计算高差起终点计算高差 即：即： ZfLQhBQAHmcms 221mcsfLBhZAHQ 21mcBQAH 2输油管道的压能损失输油管道的压能损失2、多泵站与管路的联合工作、多泵站与管路的联合工作 旁接油罐输油方式（也叫开式流程）旁接油罐输油方式（也叫开式流程） Q1 Q2 优点优点水击危害小，对自动化水水击危害小，对自动化水平要求不高。平要求不高。 缺点缺点 流程和设备复杂，固定资产投资大；流程和设备复杂，固定资产投资大；油气损耗严重；油气损耗严重； 全线难以在最优工况下运行，能量浪费

19、大全线难以在最优工况下运行，能量浪费大 。 工作特点工作特点每个泵站与其相应的站间管路各自构成独立的水力系统每个泵站与其相应的站间管路各自构成独立的水力系统; 上下游站输量可以不等（由旁接罐调节）；上下游站输量可以不等（由旁接罐调节）； 各站的进出站压力没有直接联系各站的进出站压力没有直接联系 ； 站间输量的求法与一个泵站的管道相同站间输量的求法与一个泵站的管道相同 ：mjjsjjcjsjjfLBHZhAHQ 21Lj、Zj第第 j 站至第站至第 j 1 站间的计算长度和计算高差站间的计算长度和计算高差;Aj、Bj第第 j 站的站特性方程的系数；站的站特性方程的系数；式中：式中：输油管道的压能

20、损失输油管道的压能损失Hsj+1 第第j+1站的进站压力。站的进站压力。 密闭输油方式（也叫泵到泵流程）密闭输油方式（也叫泵到泵流程） QQ 优点优点 全线密闭，中间站不存在蒸发损耗；全线密闭，中间站不存在蒸发损耗； 流程简单，固定资产投资小；流程简单，固定资产投资小； 可全部利用上站剩余压头，便于实现优化运行。可全部利用上站剩余压头，便于实现优化运行。 缺点：缺点：要求自动化水平高，要有可靠的自动保护系统。要求自动化水平高，要有可靠的自动保护系统。 工作特点工作特点 全线为一个统一的水力系统，全线各站流量相同；全线为一个统一的水力系统，全线各站流量相同； 输量由全线所有泵站和全线管路总特性决定；输量由全线所有泵站和全线管路总特性决定； 设全线有设全线有n个泵站，各站特性相同，则输量为：个泵站，各站特性相同，则输量为：mjszcsfLnBHnhZHnAQ 21式中：式中： Lj为管道计算长度为管道计算长度 Z为管道计算高程差为管道计算高程差 输油管道的压能损失输油管道的压能损失Hsz为为末站进站压力或翻越点的剩余压力。末站进站压力或翻越点的剩余压力。各站进、出站压力相互影响。各站进、出站压力相互影响。 首站：首站： constHs 1ccsdhHHH 111第二站：第