输油管道工艺设计

1、 设 计 内 容 及 要 求管道输送工艺设计某油田计划铺设一条180公里、年输量为300万吨的热油管道，管线经过区域地势平坦 设计要求：1）采用的输送方式；2）管道规格；3）泵站位置；4）选用泵机组的型号，包括泵运行的方式、原动机的种类和型号；5）至少采用两种设计方案，并进行经济比较；6）计算最小输量。地温资料：月份123456789101112地温C56789111213121087最大运彳f压力7.0MPa,末站剩余压头60m,局部摩阻为沿程摩阻的1.2%计,20C相对密度0.867,50 c 粘度 9.6mPa.s。粘温指数0.038。进站温度控制在 39Co 土壤导热系数1.2W/ （

2、m . C）,埋地深度1.6m。最高输送温度70C,最低输送温度 35Co目录 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 总论 3设计依据及原则 3设计依据 3设计原则 3总体技术水平 3 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 输油工艺 4 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 主要工艺参数 4设计输量 4其它有关基础数据 4 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 主要工艺技术 4 HYPERL

3、INK l bookmark12 o Current Document 工程概况 4 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 设计参数 4 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 管道设计参数 4 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 原油物性 4 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 其它参数 5 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 工艺计算 5 HYPERLINK

4、l bookmark24 o Current Document 输量换算 5 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 管径规格选择 6选择管径 6选择管道壁厚 6 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 热力计算 7计算K值7计算站间距 10 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 水力计算 15计算输油平均温度下的原油运动粘度 15判断流态 16计算摩阻 17 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 设备选型 18 H

5、YPERLINK l bookmark36 o Current Document 设备选型计算 18泵的选型 18原动机的选型 19加热设备选型 19 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 站场布置 20 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 最小输量 22 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 设计结果 23 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 动态技术经济比较（净现值法） 25 HYPERLINK l bo

6、okmark48 o Current Document 参考文献 261 总论设计依据及原则设计依据1）国家的相关标准、行业的有关标准、规范；2）相似管道的设计经验；3）设计任务书。设计原则（ 1）严格执行现行国家、行业的有关标准、规范。采用先进、实用、可靠的新工艺、新技术、新设备、新材料，建立新的管理体制，保证工程项目的高水平、高效益，确保管道安全可靠，长期平稳运 行。（ 3）节约用地，不占或少占良田，合理布站，站线结合。站场的布置要与油区内各区块发展紧密结合。4） 在保证管线通信可靠的基础上， 进一步优化通信网络结构， 降低工程 投资。提高自控水平，实现主要安全性保护设施远程操作。5）以经

7、济效益为中心，充分合理利用资金，减少风险投资，力争节约基 建投资，提高经济效益。1.2 总体技术水平（ 1）采用高压长距离全密闭输送工艺。（ 2）采用原油变频调速工艺。（3）输油管线采用先进的SCADA（统，使各站场主生产系统达到有人监护、自动控制的管理水平。 既保证了正常工况时管道的平稳、 高效运行， 也保证了管 道在异常工况时的超前保护，使故障损失降低到最小。（4）采用电路传输容量大的光纤通信。给全线实现SCAD徽据传输带来可靠的传输通道，给以后实现视频传输、工业控制及多功能信息处理提供了可能。（5）在线路截断阀室设置电动紧急切断球阀,在SCADA心控制室根据检漏分析的结果， 确定管道泄漏

8、位置， 并可及时关闭相应泄漏段的电动紧急切断球 阀。6）站场配套自成系统。(7)采用固化时间短、防腐性能优异的环氧粉末作为管道外防腐层。2输油工艺主要工艺参数设计输量年输量为3000万吨其它有关基础数据(1)保温层(泡沫塑料)40mm(2)管道埋地深1.6成(3)管道埋深处平均地温：5 6 7 8 9 11 12 13 12 10 8 7To = 9 C12(4)原油含水 0.5%;(5)年输送天数：350天。2.2主要工艺技术输油干线拟采用密闭输油方式。输油管道首站设置出站超高压保护装置，中 间站设变频器控制各进干线的压力，确保输油干线长期安全、平稳运行。3工程概况某油田计划铺设一条180公

9、里、年输量为300万吨的热油管道，管线经过区 域地势平坦。表3-1地温资料:月份123456789101112地温C567891112131210874设计参数管道设计参数最大运行压力7.5MPa,末站剩余压头60m,局部摩阻按1.2%,进站温度控制 在39 C ,最高输送温度70 C ,最低输送温度35 C。原油物性20 C相对密度0.867 , 50 C粘度9.6 mPa.s,粘温指数0.038。4.3其它参数保温层采用黄夹克，厚度40mm, 土壤导热系数 1.2W/(m. C)5工艺计算5.1输量换算管道周围的自然温度;5 6 7 8T0 =129 11 12 13 12 10 8 79

10、 C ；平均温度为:1Tpj 二 TR32Tz3(5-1)式中 Tpj平均温度，CTr,Tz 加热站的起点、终点温度,由公式(5-1 )得:Tpj2 35346.7( C)温度系数为:式中温度系数,1.8250.00131520(5-2)kg/(m3 C) ;20 温度为20 C时的油品密度，kg/m3。由公式(5-2)得:1.825 0.001315 (0.867 1000) 0.68546.7 C时原油的密度为：(5-3)46,720 (t 20)式中46.7温度为46.7 C时的油品密度，kg/m3;温度系数，kg/(m3 C);20 温度为20 C时的油品密度，kg/m3;T 油品温度

11、，C 由公式(5-3)得：3、4&7876 0.685 (46.7 20) 857.7 ( kg / m )体积流量为:(5-4)GQ 一 t式中 Q体积流量，m3/s或m3/h；G年输量，kg ;T年输油时间，按350天算。由公式（5-4）得:300 1073 .3Q0.11566(m3 s) 416.376(m3 h)857.7 24 350 36005.2管径规格选择选择管径取经济流速为V=2.0m/s,则管径为:式中 D管道直径,m；(5-5)Q体积流量，m3/s；V经济流速，m/so由公式(5-5)得：D4 0.11566 0.2714(m) 272(mm)5.2.2选择管道壁厚查规

12、范，选规格为.3.14 2X60的管材，其最小屈服强度为415MPa故其壁厚为:(5-6)PD PD2 2Ks式中 壁厚，m；P设计压力（取工作压力的1.15倍）MPa;D管道外径，m； D d 2 ;许用压力，MPa； = 2K s；K设计系数，取0.72;焊缝系数，取1s 钢管的最低屈服强度，X60钢取413MPa由公式（5-6）得:d 管内径，m ；8.05 (272 2)3.78(mm) 4 mm2 0.72 1 413查规范，选273 4为方案一和325 4为方案二的标准管道。5.3热力计算计算K值方案一：273 4的标准管道管道中的实际流速为:Vi4Q 4 0.1156622 2.

13、098m/sd 。2653.141000(5-7)式中d管道内径，m；Q体积流量，m3/s;V1实际流速，m/s o选取泡沫塑料作为保温材料，查规范可知，第一层钢管壁的导热系数为45.5W/(m C),第二层保温层的导热系数为0.04W/(m C)。查阅相关手册可知,保温材料厚度为40mm而:Kl1 Di r ln - i di2 Dw(5-8)21 di六lnDidi22 d2(5-9)式中 Kl 单位长度的总传热系数,2_W/(m C);1油流至管内壁的放热系数,2_W/(m C);第i层(结蜡层、钢管壁、防腐绝缘层等)导热系数,W/(m C)Di 第i层的外径，m；di 第i层的内径，m

14、；Dw最外层的管外径，m；D 管径，m；若12 , D取外径；若12, D取算数平均值;若1由公式(5-9)得:2, D取内径。ln型2 3.14 45.52652 3.14 0.04273353 ln1.02管道最外层至周围介质的放热系数为:22ht Dwln /Dw2 t2ht 2：(9)2 1；D w(5-10)式中 t土壤导热系数，W/(mC)；ht 管中心埋深，m；Dw最外层的管外径，m。由公式(5-10)22 (1 1.7765)0.353ln0.3531.2(2 (； 357765)2 1 0.3532.15在紊流情况下,1对总传热系数影响很小，可忽略不计。由公式(5-8)Kl1

15、.021八0.29w/(m C) 2.15 3.14 0.353管道总传热系数为:Kl(5-11)式中 K管道总传热系数,W/(mC)；Kl 单位长度的总传热系数,W/(m2 C);D 管道内径，m。由公式(5-11)得:K 0.29 3.14 0.265 0.24W/(m C)325 4的标准管道管道中的实际流速为:4Q 4 0.11566式中 d3173.14 1000-管道内径，2 1.466m/sm；Q体积流量,v2实际流速,m/s 。选取泡沫塑料作为保温材料，查规范可知，第一层钢管壁的导热系数为45.5W/(m C),第二层保温层的导热系数为0.04W/(m C)。查阅相关手册可知,

16、保温材料厚度为40mm而:Kl(5-8)1 Di rln i di2 DwJD21 diLlnD11 D2ln -d12 2 d2(5-9)式中 Kl 单位长度的总传热系数,2_W/(m C);1油流至管内壁的放热系数,2_W/(m C);第i层(结蜡层、钢管壁、防腐绝缘层等)导热系数,W/(m C)Di第i层的外径，m；di 第i层的内径，m；Dw 最外层的管外径，m；D 管径，m；若12, D取外径；若12, D取算数平均值;若1由公式(5-9)得:2, D取内径。lnDi di1, 325In 2 3.14 45.5 3171, 405In 2 3.14 0.04 3250.876管道最

17、外层至周围介质的放热系数为:(5-10)2 t22儿2儿2Dwln t ( t)1Dw ； D w式中t土壤导热系数，W/(m C);ht 管中心埋深，m；Dw 最外层的管外径，m0由公式(5-10)得:2在紊流情况下,2 (1 1.7765)0.405ln0.4051.22 (1 1.7765) 2 们 - ( ) 1 ,0.4051.791对总传热系数影响很小，可忽略不计。由公式(5-8)得:KL 0.32w/(m C)0.876 1.79 3.14 0.405管道总传热系数为：K KlD(5-11)式中 K管道总传热系数，W/(m C)；Kl 单位长度的总传热系数， W/(m2 C);D

18、 管道内径，m。由公式(5-11)得：K 0.32 3.14 0.317 0.32W/(m C)5.3.2计算站间距15 C时原油的相对密度为：15 d 420 (t 20)1000(5-12)式中d：515 C时原油的相对密度;温度系数，kg/(m C);20 温度为20 C时的油品密度，kg/m3。由公式(5-12)得：15867 1.825 0.001315 867 (15 20)d 4 0.86361000原油的比热容为:13(5-13)C 管道总传热系数，W/(mD 管道内径，m； (1.687 3.39 10 3T)H5式中 d4515 C时原油的相对密度;C比热容，kJ/(kgC

19、)；T原油温度，C o由公式(5-13)得:3 46.7) 1.99kJ/(kg C)-1C (1.687 3.39 100.8636质量流量为:Gi(5-14)式中 G1 原油质量流量,kg/s ；一年输量，kg ;年输油时间，按350天算。由公式(5-14)得:Gi300 107350 24360099.21(kg/s)加热站间距为:LRgClnUDKTzT。(5-15)式中 G1C)；-原油质量流量，kg/s;TrTo加热站的出站温度，管道周围的自然温度,Tz 加热站的进站温度， C ；Lr 加热站间距，方案一：273 4的标准管道由公式(5-15)得:LR399.21 1.99 10

20、, 70 9ln3.14 0.265 0.2439 9701.59(km)加热站数:Ln -LR(5-16)式中 n加热站数，个；L输油管道总长,m；Lr加热站间距，m； 由公式(5-16)得:n 1800.26(个)1(个)701.59热负荷：(5-17)GiC(Tr Tz)q 式中 q加热站的热负荷，kJ/s；加热站的效率；G1原油质量流量，kg / s ；Tz 加热站的进站温度，C ；Tr 加热站的出站温度，C oC比热容，kJ /(kg C) 由公式(5-17)得：99.21 1.99 (70 39)q () 7650.3(KJ/s)0.8由于热站的热负荷较大，故需增加热站数，取 n=

21、2个。则热站间距为：Lr L(5-18)n式中 n加热站数，个；L输油管道总长，m；Lr加热站间距，m；由公式(5-18)得：180Lr90(km)2计算出站温度出站温度为：K DLTr T0 (Tz T0)ek(5-19)式中 Gi 原油质量流量，kg/s;Tz 加热站的进站温度，C ;Tr 加热站的出站温度，C 0C比热容，kJ /(kg C)L加热站间距，m；K管道总传热系数，W/(m C);D管道内径，m。To 管道周围的自然温度，C ；由公式(5-19)得：0.24 3.14 0.265 90 103_7TT_7T3Tr9 (39 9)e 99.21 1.991057.8(C)由公式

22、(5-17)得热负荷为：325 4的标准管道:由公式(5-15)得:LR加热站数:99.21 1.99 (57.8 39)0.8399.21 1.99 10 , 70 9ln3.14 0.317 0.3239 9式中 n加热站数，个；L 输油管道总长，m；Lr加热站间距，m；4639.56(KJ /s)439.88(km)LR(5-16)由公式(5-16)得:1800.41(个)1(个)439.88热负荷:(5-17)G(Tr Tz)q 式中 q加热站的热负荷，kJ/s；加热站的效率；G1原油质量流量，kg / s;Tz 加热站的进站温度，C ;Tr 加热站的出站温度，CC比热容，kJ /(k

23、g C)由公式(5-17)得:99.21 1.99 (70 39)0.87650.3(KJ /s)由于热站的热负荷较大，故需增加热站数，取 n=2个。则热站间距为:Lr L(5-18)n式中 n加热站数，个；L输油管道总长，m；Lr加热站间距，m；由公式(5-18)得：180Lr90(km)2计算出站温度出站温度为： K DLTr To (Tz T0)eG1c(5-19)式中 Gi 原油质量流量，kg/s;Tz 加热站的进站温度，C ；Tr 加热站的出站温度，C oC比热容，kJ /(kg C)L加热站间距，m；K管道总传热系数，W /(m C);D管道内径，m。To 管道周围的自然温度，C

24、；由公式(5-19)得： 0.332 3.14 0.317 90 103Tr9 (39 9)e99.21 1.99 10354.3( C)由公式(5-17)得热负荷为：99.21 1.99 (54.3 39)q 3775.8(KJ/s)0.85.4水力计算计算输油平均温度下的原油运动粘度方案一：273 4的标准管道由公式(5-1 )得平均温度为： 12八丁间 -57.8 - 39 45.27( C)由公式(5-3)得50 C时原油的密度为：50 8671.825 0.001315 20(50 20) 812.3 (kg/m3)故平均温度下的运动粘度为：(5-20)u(t t0) pj 0e式中

25、 pj, 0 温度为平均温度、t0时油品的运动黏度，m2/s;u黏温指数，1/ C o由公式(5-20)得：310 6(m2/s)9.6 100.038(45.27 50),，,pj e14.1812.3325 4的标准管道由公式(5-1 )得平均温度为:Tpj 354.3 - 39 44.1( C) 3由公式(5-3)得50 C时原油的密度为:50 8671.825 0.001315 20(50 20) 812.3(kg /m3)故平均温度下的运动粘度为:c u(t %)pj 0e(5-20)式中 pj，0温度为平均温度、t。时油品的运动黏度,Is;u黏温指数,由公式（5-20）得：1/39

26、.6 100.038(44.1pjepj 812.350)14.910 6(m2 /s)5.4.2判断流态方案一：273 4的标准管道雷诺数为:ReRe14Qd57.92e 7(7)7(5-21)(5-22)式中u 黏温指数,1/输送温度下原油的运动黏度，m2 / s ；Q管路中原油的体积流量，m3 / s ;e管壁的绝对粗糙度，m。由公式（5-21）仔：Re由公式（5-22）仔：Re157.9T 4332723 82 0.054 10 3 7(0.265)由于3000 ReRe1,所以其是处于水力光滑区，故前面的假设是正确的。325 4的标准管道雷诺数为:D 4QRe d(5-21)57.9

27、Re18(5-22)式中u黏温指数，1/C。输送温度下原油的运动黏度， m2 / s ；Q管路中原油的体积流量, e管壁的绝对粗糙度，m。由公式（5-21）Re0.115663.14 0.317 14.9 10 631194由公式（5-22）Re157 9三工一广 19828882 0.054 10 3 7(0.317)由于3000 ReRe1,所以其是处于水力光滑区，故前面的假设是正确的。5.4.3计算摩阻方案一：273 4的标准管道一个加热站间的摩阻为:hR1总摩阻为:Q 2 m m Pj d5 mhRLrnhw(5-23)(5-24)全线所需总压头为:hR 1.2%hR hmZ(5-25

28、)式中 hR 沿线总摩阻,m；hR1 加热站间距的摩阻,H全线所需要的总压头,m；m。由公式（5-23）hw0.02460.1 15662 0.25 (14.1 10 6)0.25 ,0 2655 0.25900001528(m)由公式（5-24）hR 1 1528 1528(m)由公式（5-25）1528 1528 1.2% 60 1606.34(m)325 4的标准管道一个加热站间的摩阻为:2 m mQ pj,hRi rfLLR(5-23)d总摩阻为：hRnhR1(5-24)全线所需总压头为：H hR 1.2%hR hmZ(5-25)式中 hR 沿线总摩阻，m；hRi 加热站间距的摩阻，m

29、；H全线所需要的总压头，m。由公式（5-23）得:hRi 0.0246由公式（5-24）得：0.115662 0.25 (14.9 10 6严50.3255 0.25900001987(m)由公式（5-25）得hR 1 1987 1987(m)H 1987 1987 1.2% 60 2071(m)6设备选型设备选型计算泵的选型选泵原则：流量以任务输量为依据，最大输量、最小输量为参考；阻阻以任务输量下的 摩阻为依据，最大输量、最小输量下的摩阻为参考。同时，考虑一定的富裕量。若输送正常流量为 QR则采用适当的安全系数估算泵的流量，一般取 Q =（1.05 1.10） Qp估算泵扬程时，考虑泵在最困

30、难条件下，计算流动损失，确定所需扬程Hp,根据需要再留出些裕量，最后估算选泵扬程，一般取 H= （1.101.15） Hpo根据油田输量变化情况，为发挥泵的经济效益，选泵原则为：最小输量期，运行1台小泵；任务输量期，运行1台大泵；最大输量期，1台大泵与1台小泵并联运行。同时，大泵考虑1 台备用。选用泵型号为 KDY500-13O 5,其流量为500m3 / h ,扬程为650m,转速为 2980转/ 分，效率为83%。每个泵站选用两台，其中一台为备用泵。方案一：由公式( 5-3 )得平均温度下的密度为：43.73 8671.825 0.001315 20(57.8 20) 798.1 ( kg

31、/m3)泵所产生的压力为：P gH(6-1)式中P泵所能够提供的压力，Pa； 油品的密度， kg / m3 ；H 泵所提供的扬程， m；由公式(6-1)得：P 798.1 9.8 650 10 6 5.1( MPa) 7.5MPa故所选择的泵符合要求。方案二：由公式( 5-3 )得平均温度下的密度为： 343.73 8671.825 0.001315 20(44.1 20) 823 ( kg/m3)泵所产生的压力为：P gH(6-1)式中P泵所能够提供的压力，Pa； 油品的密度， kg / m3 ；H 泵所提供的扬程， m；由公式(6-1)得：P 823 9.8 650 10 6 5.2(MP

32、a) 7.5MPa故所选择的泵符合要求。原动机的选型JKZ异步电动机，型号为 JKZ-2000，额定功率2000kw,额定电压6000V,额 定电流234A,转速2985转/分，效率95.5%。加热设备选型首站选用换热器， 其他加热站选用直接管式加热炉， 型号： GW4400-Y/6 4-Y, 其额定功率为4400KW ，效率为87%。6.2站场布置方案一：273 4的标准管道泵站数为：Hn (6-2)H c式中n泵站数，个；H全线所需的总压头，m；Hc 泵所提供的扬程，m。由公式(6-2)得：1606.34n 2.5(个)650向上取整，取n=3 (个)；为了保证任务输量不变，可对泵站中的泵

33、机组采 取减小级数等措施。采用平均法布站，具站间距为：LR (6-3)n式中 Lr 泵站站间距，m；L管线总长，m；由公式(6-3)得：180LR90(km)3泵站内压头损失不计，后面的泵站进口压力控制在3080m范围内。(1)当首站与第二站站间距取90km其进口压力为：hti H iL Z hm(6-4)式中 hti泵站进口的剩余压头，m；H泵站所提供的扬程，m；i 水力坡降；L两泵站的站间距，m；Z 两泵站间的高程差，m；hm泵站内压头损失，m。取首站与第二站的站间距为65km,进口压力为：H 1606.34水力坡降：i0.0089l 180000ht 650 0.0089 65 1000

34、 44.8(m) 符合要求,故第二站布置在距离首站65km处。(2)取首站与第三站的站间距为135km,进口压力为：ht1 650 44.8 0.0089 (135 65) 103 71.8(m)符合要求,故第三站布置在距离首站135km处。故全线泵站布置完毕。方案二： 325 4的标准管道：水力坡降：i H 20710.0115(6-2)Hcl 180000 n式中n泵站数，个； H全线所需的总压头，m； Hc 泵所提供的扬程，m。由公式(6-2)得：3.2 (个)22071 n 650向上取整，取n=4 (个)；为了保证任务输量不变，可对泵站中的泵机组采 取减小级数等措施。采用平均法布站，

35、具站间距为：Lr -(6-3)n式中 Lr 泵站站间距，m；L管线总长，m；由公式(6-3)得：180Lr 45(km)4泵站内压头损失不计，后面的泵站进口压力控制在3080m范围内。(Dhti H iL Z hm(6-4)式中 hti泵站进口的剩余压头，m；H泵站所提供的扬程，m；i水力坡降；L两泵站的站间距，m；Z 两泵站间的高程差，m；hm泵站内压头损失，m。取首站与第二站的站间距为50km,进口压力为：ht 650 0.0115 50 1000 75(m)符合要求，故第二站布置在距离首站 50km处。(2)取首站与第三站的站间距为102km,进口压力为：hti 650 75 0.011

36、5 (110 50) 1000 35(m)符合要求,故第三站布置在距离首站120km处。(3)取首站与第四站的站间距为175km,进口压力为：ht2 650 35 0.0115 (175 120) 10347.5(m)符合要求,故第四站布置在距离首站175km处。故全线泵站布置完毕。7最小输量方案一：管道的最小输量为：(7-6)K DLG min丁丁T R max T 0C lnTzmin T0式中 Gmin 管道最小输量，kg/s；K 总传热系数，W/(m C);D管道外径，m；L加热站间距，m；C原油比热容，kJ /(kg C);TRmax 加热站的最高出站温度，C ；T0管道周围的自然温度，C ; 表8-2泵设计结果 Tzmi