输油管道工艺设计

管道输送工艺设计设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。计设计要求：内1）采用的输送方式；2）管道规格；3）泵站位置；容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；及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。要求地温资料：月份123456789101112咨地温。C56789111213121087设最大运行压力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,计50C粘度9.6mPa.s。参粘温指数0.038。进站温度控制在39Co土壤导热系数1.2W/（m・C），埋地深度1.6m。最高数输送温度70C，最低输送温度35Co目录TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"1总论3\o"CurrentDocument"1.1设计依据及原则31.1.1设计依据31.1.2设计原则3\o"CurrentDocument"1.2总体技术水平3\o"CurrentDocument"2输油工艺4\o"CurrentDocument"2.1主要工艺参数42.1.1设计输量42.1.2其它有关基础数据4\o"CurrentDocument"2.2主要工艺技术4\o"CurrentDocument"3工程概况4\o"CurrentDocument"4设计参数4\o"CurrentDocument"4.1管道设计参数4\o"CurrentDocument"4.2原油物性4\o"CurrentDocument"4.3其它参数5\o"CurrentDocument"5工艺计算5\o"CurrentDocument"5.1输量换算5\o"CurrentDocument"5.2管径规格选择65.2.1选择管径65.2.2选择管道壁厚6\o"CurrentDocument"5.3热力计算75.3.1计算K值75.3.2计算站间距10\o"CurrentDocument"5.4水力计算155.4.1计算输油平均温度下的原油运动粘度155.4.2判断流态165.4.3计算摩阻17\o"CurrentDocument"6设备选型18\o"CurrentDocument"6.1设备选型计算186.1.1泵的选型186.1.2原动机的选型196.1.3加热设备选型19\o"CurrentDocument"6.2站场布置20\o"CurrentDocument"7最小输量22\o"CurrentDocument"8设计结果23\o"CurrentDocument"9动态技术经济比较（净现值法）25\o"CurrentDocument"参考文献261总论1.1设计依据及原则1.1.1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。1.1.2设计原则（1）严格执行现行国家、行业的有关标准、规范。（2）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系统，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SCADA数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中心控制室根据检漏分析的结果，确定管道泄漏位置，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2.1主要工艺参数2.1.1设计输量年输量为3000万吨2.1.2其它有关基础数据（1）保温层（泡沫塑料）40mm；（2）管道埋地深1.6m；（3）管道埋深处平均地温：T=5+6+7+8+9+11+12+13+12+10+8+7_9C1210°12(4)原油含水＜0.5%；(4)（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4.1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。4.2原油物性20°C相对密度0.867，50°C粘度9.6mPa.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1.2财m。C）。5工艺计算5.1输量换算管道周围的自然温度;12T=5+6+7+8+9+11+12+13+12+10+8+7_9C

0一；12平均温度为:12T_3Tr+3TZ式中Tpj——平均温度，CTrT——加热站的起点、终点温度，C。由公式（5-1）得：T_1x70+-x35_46.7（C）

p'j33温度系数为：&_1.825-0.001315p20式中&温度系数，kg/（m3-°C）；p20——温度为20C时的油品密度，kg/m3。由公式（5-2）得：&_1.825—0.001315x（0.867x1000）_0.68546.7C时原油的密度为：P467_P20-&（t-20）式中P467——温度为46.7C时的油品密度，kg/m3；&——温度系数，kg/（m3・。C）；（5-1）（5-2）（5-3）P20——温度为20C时的油品密度，kg/m3；T——油品温度，°C。（5-1）（5-2）（5-3）由公式（5-3）得：P467_876-0.685x(46.7-20)_857.7(kg/m3)体积流量为：

Q=—(5-4)Pt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：Q=③00xI07=0.ii566(m3..s)=416.376(m3.h)857.7x24x350x36005.2管径规格选择5.2.1选择管径取经济流速为V=2.0m/s,则管径为：D=迫(5-5)兀v式中D管道直径，m；Q体积流量，m3/s；V——经济流速，m/s。由公式(5-5)得：D=：4X0.11566=0.2714(m)牝272(mm)3.14x25.2.2选择管道壁厚查规范，选规格为X60的管材，其最小屈服强度为415MPa,故其壁厚为：(5-6)式中5壁厚，P——设计压力(取工作压力的1.15倍)MPa;D——管道外径，m；D=d+25；［。］——许用压力，MPa；［。］=2K5；式中5壁厚，K——设计系数，取0.72；4——焊缝系数，取15?——钢管的最低屈服强度，X60钢取413MPa。由公式(5-6)得：

8=8.05x(272+2x8)=3")2x0.72x1x413查规范，选©273x4为方案一和^325x4为方案二的标准管道。5.3热力计算5.3.1计算K值①方案一：©273x4的标准管道管道中的实际流速为:4Q兀d24Q兀d24x0.11566=2.098m/s（5-7）3.14x式中d一管道内径，m；Q体积流量，m3/s；V]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，保温材料厚度为40mm。而：式中KL1~7+Zcqand2n人1iZ-^lnD12n人d1i单位长度的总传热系数，1式中KL1~7+Zcqand2n人1iZ-^lnD12n人d1i单位长度的总传热系数，1。1ln—。+danD（5-8）（5-9）油流至管内壁的放热系数W/(m2・。C)；气——第i层（结蜡层、钢管壁、防腐绝缘层等）导热系数，W/（m・。C）d管内径，m；D第i层的外径，m；

d第i层的内径，m；若以］>>以2，D取外径；若以］D取内径。q以2，D若以］>>以2，D取外径；若以］D取内径。q以2，D取算数平均值;I353ln=1.022x3.14x45.52652x3.14x0.04273ln竺+Z—lnD=2兀人dln竺+管道最外层至周围介质的放热系数为:2人、以=七（5-10）2Dln［生+已2一1］-DD式中七——土壤导热系数，W/（m・。C）；h管中心埋深，m；D最外层的管外径，m。2x1.2由公式2x1.2=2.15）2-1]0.3530.353ln[2x（1+空+,、（1）2-1]0.353在紊流情况下，a1对总传热系数影响很小，可忽略不计。由公式（5-8）得：=0.29[w/（m・。C）]（5-11）=0.29[w/（m・。C）]（5-11）管道总传热系数为：K=Klx兀D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——管道内径，m。由公式（5-11）得：K=0.29x3.14x0.265=0.24[W/（m・。C）]②方案二：

4325x4的标准管道管道中的实际流速为:4Q4x0.11566,=1.466m/s2V2兀d2（317）3.14xk1000；4Q4x0.11566,=1.466m/s2V2兀d2（317）3.14xk1000；式中d一管道内径，m；Q体积流量，m3/s；实际流速，m/s。v2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-oC），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,▽1|D1+£ln——i+and2丸人da丸DD—lnD+—nD2兀人d2兀人1i1（5-8）（5-9）式中KL单位长度的总传热系数，油流至管内壁的放热系数W/（m2・。C）；第i层的厚度，m；气——第i层（结蜡层、钢管壁、防腐绝缘层等）导热系数，W/（m-oC）d管内径，m；D第i层的外径，m；d第i层的内径，m；D最外层的管外径，m；D——管径，m；若气＞＞a2，D取外径；若气^以/D取算数平均值;若气＜a2,D取内径。由公式（5-9）得：

Z^lnD=—_1ln竺+—1ln竺=0.8762兀人d2x3.14x45.53172x3.14x0.04325ii管道最外层至周围介质的放热系数为：(5-10)a_2人以22h'：2h=(5-10)Dwln[r成）2—1]w式中七——土壤导热系数，W/（m・。C）；h管中心埋深，m；D最外层的管外径，m。由公式（5-10）得:2x1.2在紊流情况下由公式（5-8）2x1.2在紊流情况下由公式（5-8）0.405ln[2x（1+*+产（1+侦心0.405Va]对总传热系数影响很小，得:）2—1]0.405可忽略不计。=1.79(5-11)（5-12）(5-11)（5-12）=0.32[w/(m・。C)]0.876+1.79x3.14x0.405管道总传热系数为:K=Klx兀D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——管道内径，m。由公式（5-11）得:K=0.32x3.14x0.317=0.32[W/(m・。C)]5.3.2计算站间距15。C时原油的相对密度为:d15=P：0&一20)41000式中d15——15C时原油的相对密度;温度系数，kg/（m3・。C）；

P20——温度为20°C时的油品密度，kg/m3。由公式(5-12)得：,867-(1.825-0.001315x867)x(15-20)d15==0.863641000原油的比热容为:（5-13）C=-^(1.687+3.39x10-3T)式中d45——15C时原油的相对密度；C——比热容，kJ/(kg・。C)；T——原油温度，C。（5-13）由公式（5-13）得：C=1x（1.687+3.39x10-3x46.7）=1.99[kJ/（kg・。C）],.0.8636质量流量为：q=%（5-14）式中G1原油质量流量，kg/s；G年输量，kg；t——年输油时间，按350天算。由公式（5-14）得：八300x1071=350x24x3600=.('')加热站间距为:（5-15）GCT-T

L=—1—ln0（5-15）R兀DKT-T0式中§原油质量流量，kg/s；K——管道总传热系数，W/（m・。C）；D——管道内径，m；Tr——加热站的出站温度，C；T0——管道周围的自然温度，C；

Tz——加热站的进站温度，C；Lr——加热站间距，①方案一：4273x4的标准管道由公式（5-15）得:=701.59(灿)99.21x1.99x10370-9ln3.14x0.265x0.2439=701.59(灿)加热站数:n=^^（5-16）LR式中n——加热站数，个；L一输油管道总长，m；Lr——加热站间距，m；由公式（5-16）得：n=180=0.26（个）机1（个）701.59热负荷：（5-17）_G、C(Tr-Tz)（5-17）门式中q——加热站的热负荷，kJ/s；门——加热站的效率；气原油质量流量，kg/s；Tz——加热站的进站温度，C；Tr——加热站的出站温度，C。C——比热容，kJ/（kg・。C）由公式（5-17）得：q=竺xL"x（70-竺=7650.3（Js）0.8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：L=L（5-18）Rn式中n加热站数，个；L一输油管道总长，m；Lr——加热站间距，m；由公式（5-18）得:Lr=1|°=90（km）计算出站温度出站温度为：Tr=T0+（Tz-T0）eG1C（5-19）式中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。C——比热容，kJ/（kg・。C）L——加热站间距，m；K一管道总传热系数，W/（m・。C）；D——管道内径，m。t0——管道周围的自然温度，°C；由公式（5-19）得：0.24x3.14x0.265x90x103T=9+(39-9)e99.21x1.99x103=57.8(C)由公式(5-17)得热负荷为：99.21x1.99x(57.8-39)q==4639.56(KJ/s)0.8②方案二：4325x4的标准管道:由公式（5-15）得:99.21x1.99x10370—9ln3.14x0.317x0.3239-9=439.88(km)加热站数：Ln=——LR（5-16）式中n——加热站数，个；L一输油管道总长，m；Lr——加热站间距，m；由公式（5-16）得：n=180=0.41（个）机1（个）439.88热负荷：(5-17)_GC（Tr-T^）门(5-17)式中q——加热站的热负荷，kJ/s；门——加热站的效率；气原油质量流量，kg/s；Tz——加热站的进站温度，C；Tr——加热站的出站温度，C。C——比热容，kJ/（kg・。C）由公式（5-17）得：q=空*L"x（7。-竺=7Js）0.8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：L=L（5-18）Rn式中n——加热站数，个；L一输油管道总长，m；Lr——加热站间距，m；由公式（5-18）得：Lr=竺=90（km）计算出站温度出站温度为：Km「Tr=T0+（Tz-T0）eGf（5-19）式中§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。C——比热容，kJ/（kg・。C）

L——加热站间距，m；K一管道总传热系数，W/（m・。C）；D——管道内径，m。T0——管道周围的自然温度，C；由公式（5-19）得：0.332x3.14x0.317x90x103T=9+（39-9）e99.21x1.99x103=54.3（C）由公式（5-17）得热负荷为：99.21x1.99x（54.3-39）q==3775.8（KJ/s）0.85.4水力计算5.4.1计算输油平均温度下的原油运动粘度①方案一：©273x4的标准管道由公式（5-1）得平均温度为：T=3x57.8+2x39=45.27（C）由公式（5-3）得50C时原油的密度为：p=867-（1.825-0.001315p）x（50-20）=812.3（kg/m3）（5-20）故平均温度下的运动粘度为：（5-20）u=ue-u（t-t0>式中七j,u0——温度为平均温度、10时油品的运动黏度，m2/s；u——黏温指数，1/C。由公式（5-20）得：Upj9.6xUpj9.6x10-3e-0.038(45.27-50)812.3=14.1x10-6(m2/s)©325x4的标准管道由公式（5-1）得平均温度为:T=3x54.3+1x39=44.1（C）由公式（5-3）得50。C时原油的密度为：

p5o=867-(1.825-0.001315p20)x(50-20)=812.3(kg/m3)故平均温度下的运动粘度为：u,=ue-u(t-t0)(5-20)式中气,u0——温度为平均温度、％时油品的运动黏度，m2/s；u——黏温指数，1/C。由公式(5-20)得：9.6x10-3=14.9x10-6(m=14.9x10-6(m2/s)pj812.35.4.2判断流态①方案一：4273x4的标准管道雷诺数为:Re=-4Q冗du57.9Re1(5-21)(5-22)式中u黏温指数u——输送温度下原油的运动黏度，m2/s；Q——雷诺数为:Re=-4Q冗du57.9Re1(5-21)(5-22)式中u黏温指数u——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)得：1/C。Re=4x0.11566=393423.14x0.265x14.1x10-6由公式(5-22)得：57.9Re1=2x0.a54x10-38=433272

()70.265由于3000vRevRe「所以其是处于水力光滑区，故前面的假设是正确的。②方案二：4325x4的标准管道雷诺数为：Re=丝兀du(5-21)Rei57.9（5-22）u——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）得：Re=4x0.11566=311943.14x0.317x14.9x10-6由公式（5-22）得：57.9Re1=.x0.054X10-38=198288（）70.317由于3000vRevRe「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①方案一：4273x4的标准管道一个加热站间的摩阻为：Q2-mUm七］=0一jLr（5-23）总摩阻为：h=nhi（5-24）全线所需总压头为：H=h+1.2%h+h+AZ（5-25）式中hR——沿线总摩阻，m；hRi——加热站间距的摩阻，m；H-一全线所需要的总压头，m。由公式（5-23）得：0.115662-0.25X（14.1x10-6）0.25

h=0.0246x90000=1528（m）R10.2655-0.25由公式（5-24）得：h=1x1528=1528（m）由公式（5-25）得：H=1528+1528x1.2%+60=1606.34（m）②方案二：4325x4的标准管道一个加热站间的摩阻为：Q2-mUmh^=0一虬Lr(5-23)总摩阻为：h=nh(5-24)全线所需总压头为：*"H=h+1.2%h+h+AZ(5-25)式中hR——沿线总摩阻，m；hRi——加热站间距的摩阻，m；H-一全线所需要的总压头，m。由公式(5-23)得：0.115662-0.25X(14.9x10-6)0.25

h=0.0246x90000=1987(m)R10.3255-0.25由公式(5-24)得：h=1x1987=1987(m)由公式(5-25)得：H=1987+1987x1.2%+60=2071(m)6设备选型6.1设备选型计算6.1.1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；摩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Qp，则采用适当的安全系数估算泵的流量，一般取Q二(1.05〜1.10)Qp。估算泵扬程时，考虑泵在最困难条件下，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^(1.10〜1.15)Hp。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KDY500-130X5，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：p4373=867-(1.825-0.001315p20)x(57.8-20)=798.1(kg/m3)泵所产生的压力为：P=pgH(6-1)式中P——泵所能够提供的压力，Pa；p——油品的密度，kg/m3；H一泵所提供的扬程，m；由公式(6-1)得：P=798.1x9.8x650x10-6=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：p4373=867-G.825-0.001315p20)x(44.1-20)=823(kg/m3)泵所产生的压力为：P=pgH(6-1)式中P——泵所能够提供的压力，Pa；p油品的密度，kg/m3；H一泵所提供的扬程，m；由公式(6-1)得：P=823x9.8x650x10-6=5.2(MPa)<7.5MPa故所选择的泵符合要求。6.1.2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%。6.1.3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/64-Y,其额定功率为4400KW，效率为87%。

6.2站场布置①方案一：4273x4的标准管道泵站数为：(6-2)Hn(6-2)Hc式中n——泵站数，个；H一全线所需的总压头，m；H——泵所提供的扬程，m。由公式(6-2)得：1606.346501606.34650=2.5(个)向上取整，取n=3(个)；为了保证任务输量不变，可对泵站中的泵机组采取减小级数等措施。米用平均法布站，其站间距为：L=—(6-3)式中Lr——泵站站间距，m；L管线总长，m；由公式(6-3)得：Lr=写=90(km)泵站内压头损失不计，后面的泵站进口压力控制在30〜80m范围内。(1)当首站与第二站站间距取90km,其进口压力为：h=H-iL-AZ-h(6-4)式中七——泵站进口的剩余压头，m；H一泵站所提供的扬程，m；i——水力坡降；L两泵站的站间距，m；AZ——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：

水力坡降:.H1606.34i=——=l180000=0.0089h=水力坡降:.H1606.34i=——=l180000=0.0089h=650-0.0089x65x1000=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：h]=650+44.8—0.0089x(135—65)x103=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。②方案二：4325x4的标准管道：水力坡降：i=H=2071=0.0115l180000H

n=Hc(6-2)式中n——泵站数，个；H一全线所需的总压头Hc——泵所提供的扬程，m。由公式(6-2)得：m；22071650=3.2(个)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。米用平均法布站，其站间距为:(6-3)式中Lr——泵站站间距，m；L管线总长，m；由公式(6-3)得：180――=45(km)泵站内压头损失不计，后面的泵站进口压力控制在30〜80m范围内。h=H-iL-AZ-h式中与——泵站进口的剩余压头，m；H一泵站所提供的扬程，m；i——水力坡降；L两泵站的站间距，m；AZ——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：h=650-0.0115x50x1000=75(m)t符合要求，故第二站布置在距离首站50km处。取首站与第三站的站间距为102km，进口压力为：h=650+75-0.0115x(110-50)x1000=35(m)t1符合要求，故第三站布置在距离首站120km处。取首站与第四站的站间距为175km，进口压力为：(6-4)h2=650+35-0.0115x(175-120)x103=47.5(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①方案一：管道的最小输量为:K兀DLminCInTLXHTTZmin一