长输管道工艺设计

长输管道工艺设计

现代管道运输始于1865年美国宾夕法尼亚的第一个原油管道。我国的管道网建设则始于上世纪50年代末新疆建成的全长147km管径150mm的克拉玛依—独山子输油管道。上世纪60年代后,随着我国石油工业的快速发展,大庆、胜利等油田相继建成,管道运输得到了较大发展。到1994年底,以(大)庆铁(岭)、铁(岭)大(连)、铁(岭)秦(皇岛)、东(营)黄(岛)和鲁(山东临岜)宁(江苏仪征)五大干线为主的全国原油长输管道输送的原油占总产量的89.31%,天然气管道输送的天然气占总产量的60.97%;全国管道总里程达到16800km。与国外发达国家相比,我国输油管道技术还存在一定差距。除了管材与制管工艺、电机、泵、阀门等管件、自动化控制技术以及防腐和管道施工技术上存在差距外,管线的工艺设计也存在一定的差距。现以我国中部某管道设计为例,对长输油管道工艺设计进行简单介绍。1密度和温度对油脂粘度的影响该管线任务输量为每年650万吨;温度密度:根据20℃时油品密度按下式换算成计算温度下的密度:式中:ρt、ρ20—温度为t℃时及20℃时的油品密度,kg/m3;ζ—温度系数,ζ=1.825-0.001315ρ20,kg/(m3.℃)。油品粘度,已知:油品运动粘度可按下式计算:式中:υt、υ0—温度为t、t0时油品的运动粘度,m2/s;u—粘温指数,1/℃。2输油管道的选型和输油泵的设置大量经济计算及运行实践总结的长输管道经济流速的变化范围,一般为1.0~2.0m/s。这给设计计算带来很大方便。建设时由于设备、材料价格、建设工程费用、燃料、动力价格等等的差异,计算得出的经济流速范围也不相同。对于同一地区而言,经济流速的取值主要决定于油品的粘度和管径。根据初定经济流速所对应的内管,其外径D=508mm,在其上下各选一个标准管径,对应的外径可分别为D=457mm和D=559mm。根据被输介质性质、管道的工作环境、施工条件、市场供应和管道的工艺设计条件,选择管材和管子类型,目前新建大型管道多采用X65、X70级钢。在本设计中,根据所选管材X65(L450)钢作为设计材料,Qs=450MPa。泵站应有备用输油泵。备用泵台数按照泵与原动机的可靠性与维修条件而定。选泵时,通常是先从泵制造厂提供的泵型谱与特性曲线上,挑选出与确定的额定排量及扬程相符的泵型。按照所输原油性质对特性曲线加以换算,应使额定排量与扬程位于所选泵型特性曲线的高效区,泵应具有连续平滑的特性曲线,高效区较宽;泵关死点(排量为零)的扬程上升不应过大。如果已有的泵特性曲线不符合要求,可向泵制造厂提出重新设计或修改曲线的要求。给油泵只用于首站,安装在输油主泵之前,并联操作。给油泵按照泵站总排量与主泵所要求的正压头,确定台数及每台泵的排量与扬程。目前国内输油管道采用的输油泵主要有:400KD型、DKS型、KS型、SH型、D(DA)型、Y(YS)型、DY型等。根据任务数量和计算扬程要求,本设计中采用输油量为1000m3/h的400KD型泵。每个站设置两台输油泵,其中一台备用。初步确定工作压力为5.6MPa。3按规格进行计算管道工艺计算的方法和及骤:工艺计算主要包括强度计算和水力计算,步骤如下:(1)根据流量推算等温输油管道的经济流速和经济管径;(2)在经济管径上下各选一个标准管径;(3)进行工艺计算,针对管径、输量选择泵的总扬程及输量高效区;(4)进行强度计算;(5)进行水力计算,选择最低地温和平均地温,确定油品粘度、任务输量,从而求出全线压头损失;(6)根据压头损失确定泵站数,并进行圆整;对三种管径分别按(3)—(6)步骤计算,再进行经济比较;(7)布站;(8)校核最高地温和最低地温、进出站压力及动静水压力;(9)确定工作点;(10)选择设备及首末站罐。完成工艺计算后,对所计算的各种方案进行技术经济比较,最终确定最佳方案,并对最佳方案进行工况校核。3.1管道穿跨越工程设计标准输油管道直管道的设计公式如下:式中:δ—管壁厚度,mm;D—外径,mm;Φ—焊缝系数,无缝钢管取1.0;C—考虑钢管公差和腐蚀的余量,根据管路的工作环境,取C=0~2mm。输送C5及C5以上的液体管道的设计系数除穿越段按现行标准《原油和天然气输送管道穿跨越工程设计规范》(SY/T0015)的规定取值外,输油站外一般地段取0.72。再根据选用的管道规格的壁厚计算设计压力。3.2速度计算由下列公式计算:式中:V—流速,m/s;A—管道横截面积,mm2。3.3计算雷诺数流态判定由下式计算:式中:—油品的运动粘度,m2/s;ν3.4由于水流梯度的降低，综合磨坊的参数由下式计算:式中:i—水力坡降;A—管道横截面积,mm2;Q—油品在管路中的体积流量。3.5水力坡降工艺设计方案翻越点判断可用在纵断面图上作水力坡降线的方法来判断。在接近末端的纵断面线的上方,按其纵断面坐标的比例作水力坡降线,将此线向下平移,直到与纵断面线相切为止。如水力坡降线在与管道终点相交之前,不与管道纵断面上的任一点相切,即不存在翻越点。反之,在与终点相交之前,水力坡降线与纵断面线的第一个切点就是翻越点。根据纵断面图及水力坡降线可判断,在此工艺设计方案中没有翻越点。管道计算长度为管路全长435.65km。3.6确定整个过程所需的压力头由下式计算:式中:Lf——管道的计算长度,m;hmi——局部摩阻,m液柱;3.7按泵站扬程计算取能量根据任务输量,在泵站工作特性曲线上可以得到每个泵站所能提供的扬程为HCT。全线N个泵站提供的总扬程必然与消耗的总能量平衡,由公式得:式中:HCT—任务输量下泵站的扬程,m液柱;hm—泵站站内损失,m液柱;显然计算出的N不一定是整数,只能取与之相近的整数作为该方案需建设的泵站数。本设计中泵站数为4个。3.8管道建设投资s输油管道方案的优劣主要取决于工业设计方案的选择。重点考虑基建投资及输油成本费用两方面。基建投资及输油成本费用主要包括基本建设投资指标和输油成本指标两大类。这些指标系根据多年管道建设经验积累、依据国家有关政策规定编制而成的。技术经济指标用于工艺方案的经济性比较。管道建设投资指标包括线路部分、泵站部分和配套工程三部分。输油成本费用主要包括大修理、材料、动力、燃料、工资、职工福利、损耗及其他费用。再根据总投资和运行管理费用计算年折折旧费用:S=IK+E式中:I—投资效益(回收)系数,1/年;反映了管道工程项目的经济性好坏的重要指标,在储运工程项目设计中取一般取0.15。式中:i—基本投资收益率,i<1;t—投资回收期,年。3.9压力需求特性方程求泵站—管道系统的工作点,除了图解法以外,也可根据压头供需平衡的原则,列出管道的压力供应特性方程和压力需求特性方程,使两者相等求解工作点。假设管道上有N座泵站,全线管径相同,无分支,首站进站压头和各站内摩阻均为常量,可写出全线的压力供需平衡关系式如下:由上式可求出管道的工作流量:式中:Q——全线工作流量,m3/s;N——全线工作站泵数;3.10对泵站和管道的运行进行回顾3.10.1.各站的进给压力进站压力计算公式:式中:L1、∆Z1——第一站间管道长度及高差,m;Hd1——首站出站压头。出站压力计算公式:3.10.最高动水压力的确定动水压力:油流沿管道流动过程中各点的剩余压力。在纵断面图上,动水压力是管道纵断面线之间的垂直压力。动水压力的大小不仅取决于地形的起伏变化,而且与管道的水力坡降和泵站的运行情况有关。校核动水压力,就是检查管道的剩余压力是否在管道操作压力的允许值范围内。即最低动水压力(一般为高点压力)应高于0.2MPa,最高动水压力应在管道强度的允许值范围内。钢管最大承受压力可由公式计算:3.10.3.静水压校正静水压力:油流停止流动后,由地形高差产生的静液柱压力。管道沿程最大高差为:为安全起见,取最低温度下油流密度进行计算:3.11选择存储材料储罐总容量:式中:V—首、末站油罐总容量,m3;ε—油罐容积利用系数,金属浮顶罐取0.9;4输油管路总压头及管道设计本设计主要针对等温输油管道进行工艺设计计算,在设计过程中,根据输油管道工程设计规范,通过流量推算其经济流速和经济管径,再在经济管径上下各选一个标准管径,最终确定最佳方案,即:管道规格:Ф457×6.4;流速:1.6m/s;流态:紊流状态,混合摩擦区;水力坡降i:0.0048;无翻越点,计算长度为435.65km;全线需要的总压头:2153m;泵站数:4。本设计能够满足中部某长输油管线的工艺设计要求,而且有比较好的技术经济指数。P—设计压力或管道的工作压力,MPa;[σ]—输油管道的许用应力,Q—油品在管路中的体积流量,m3/s;d—管内径,mm;Q—油品在管路中的体积流量,m3/s。—油品的运动粘度,m2/s;νL—管长,m;d—管内径,mm;nhf—水头损失,m;ZQ、ZZ——管道起点和终点的高程,m;HSZ——末站剩余压力,m液柱。H—任务数量下管道所需总压头,m液柱;HSZ—末站剩余压力,m液柱。f——单位流量的水力坡降,(m3/s)m-2;