原油長輸管道初步設(shè)計畢業(yè)設(shè)計計算書

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1、 緒論 原油的運輸作為能源利用技術(shù)的重要一環(huán)，越來越受到重視，而其中管道運輸與鐵路、水路、公路、航空相比，因其輸送距離長、建設(shè)速度快、占地少、管徑大、輸量高、能耗低、不污染環(huán)境、受地理及氣象條件影響小等優(yōu)點，而得到快速發(fā)展，已成為世界主要的原油輸送方法[1]。 原油按其油品性質(zhì)來分，可以將原油分為輕質(zhì)原油和高粘易凝原油，后者還可以分為含蠟量較高的含蠟原油和含膠質(zhì)、瀝青質(zhì)較高高粘重質(zhì)原油（即稠油）[2]。輕質(zhì)原油的輸送較為容易，一般常規(guī)輸送工藝就能滿足要求。含蠟原油的的凝點較高，管輸過程中易出現(xiàn)析蠟、凝管、堵塞等事故，嚴(yán)重影響管輸?shù)哪芰托省６哒持刭|(zhì)原油的粘度非常高（通常是幾百甚至是幾

2、萬厘波[3]），因此管路的壓降就相當(dāng)大，這就大大增加了原始基建投資和運行費用。 現(xiàn)在原油管輸工藝的種類很多，應(yīng)用較多、技術(shù)比較成熟的傳統(tǒng)管輸工藝有火焰加熱器的加熱輸工藝、熱處理輸送工藝、加劑（包括降凝劑、減阻劑、乳化劑）輸送工藝[4~13]、稀釋輸送工藝[14]。另有相對來說應(yīng)用較少、有待進(jìn)一步研究開發(fā)的現(xiàn)代工藝，有保溫結(jié)合伴熱輸送工藝、太陽能加熱等特殊加熱工藝[15]、低粘液環(huán)輸送工藝、微波降粘輸送工藝[16]、水懸浮輸送工藝、氣飽和輸送工藝、磁處理輸送工藝[17]、改質(zhì)輸送工藝[18]、管道內(nèi)涂輸送工藝[19]等。 由于我國生產(chǎn)的原油多屬高含蠟、高凝固點、高粘度原油，因此我國多數(shù)管道仍

3、采用加熱輸送。無論從輸油成本以及設(shè)備投資方面都比常溫輸送高出很多，并且我國大部分輸油管道都建在70年代，為了保證安全運行和提高企業(yè)經(jīng)濟效益，舊管輸工藝的改進(jìn)和新建管道先進(jìn)技術(shù)研究開發(fā)是當(dāng)前管輸工作的重點。我國從事管道科研人員近年來在這方面取得了較大進(jìn)展。 我國輸油工藝技術(shù)發(fā)展方向[20]： (1) 適應(yīng)國內(nèi)油田發(fā)展的特點， 解決東部管道低輸量運行， 西部管道常溫輸送， 海洋管道間歇輸送和成品油順序輸送問題。堅持輸油工藝的新型化和多樣化。(2) 采用高效節(jié)能設(shè)備， 管輸過程中節(jié)能和降低油耗的最有效措施是采用高效的輸油泵和加熱爐， 開展新型高效離心泵和國產(chǎn)高效加熱爐的研制是擺在我們面前的一項艱巨

4、任務(wù)。(3) 加強原油熱處理、降凝劑和減阻劑機理的研究， 從根本添加劑對不同原油減阻降凝機理的認(rèn)識問題。(4) 開展添加劑的研制工作， 形成添加劑研究—生產(chǎn)—應(yīng)用一條龍。(5) 進(jìn)一步研究降粘裂化輸送， 水環(huán)輸送， 界面減阻輸送， 磁處理輸送機理和適應(yīng)范圍。針對不同油田原油的特點進(jìn)行工業(yè)性試驗，對特定的原油采用特殊的方法輸送。 設(shè)計內(nèi)容 （1） 計算及說明書部分內(nèi)容要求 1) 根據(jù)費用現(xiàn)值最小原則確定最優(yōu)管徑。 2) 水力與熱力計算。 3) 主要設(shè)備選型，包括泵、爐、罐、原動機等。 4) 站址確定、調(diào)整及工況校核。 5) 反輸計算。 6) 站內(nèi)流程設(shè)計。 7) 幾種輸量下的

5、運行方案確定。 8) 繪圖部分內(nèi)容要求。 9) 繪圖采用AUTOCAD。 10) 圖幅均采用1號或2號圖紙。 （2）設(shè)計依據(jù)： （1）《輸油管道設(shè)計與管理》 (2) 《輸油管道工程設(shè)計規(guī)范》 (3) 《泵產(chǎn)品樣本》 (4) 《石油化工裝置 工藝管道安裝設(shè)計手冊》 (5) 《管路附件設(shè)計選用手冊》 (6)《油庫設(shè)計與管理》 其他國家現(xiàn)行的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范的規(guī)定 計算部分 DH原油管線初步設(shè)計 1、 設(shè)計依據(jù)與基礎(chǔ)參數(shù) 1. 原始數(shù)據(jù) （1）最大設(shè)計輸量為550萬噸/年； 生產(chǎn)期生產(chǎn)負(fù)荷（各年輸量與最大輸量的比率）見下表1。 表1 生產(chǎn)期生產(chǎn)負(fù)荷表 年

6、1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 生產(chǎn)負(fù)荷（%） 70 80 90 100 100 100 100 100 100 100 100 90 80 70 （2）年最低月平均溫度2℃； （3）管道中心埋深1.55m； （4）土壤導(dǎo)熱系數(shù)1.45w/(m?℃)； （5）瀝青防腐層導(dǎo)熱系數(shù)0.15w/（m?℃)； （6）原油物性 ①20℃的密度860kg/m； ②初餾點81℃； ③反常點28℃； ④凝固點25℃； ⑤比熱2.1kJ/(kg℃)； ⑥燃油熱值4.1810kJ/kg。 （7）粘溫關(guān)

7、系 見表2 表2 油品溫度與粘度數(shù)據(jù) 溫度（℃） 28 30 35 40 45 50 55 60 粘度（cp） 124.5 111 83.2 69 60 53 48 42.5 （8）沿程里程、高程（管道全程320km）數(shù)據(jù)見表3 表3 管道縱斷面數(shù)據(jù) 里程（km） 0 40 70 130 165 190 230 250 280 300 320 高程（km） 28 30 10 25 35 28 36 42 68 45 35 2. 設(shè)計基礎(chǔ)參數(shù) 1） 原油物性參數(shù) ① 原油進(jìn)站溫度、出站溫度

8、由于一般原油加熱溫度為60~70℃，考慮到最高出站溫度為60℃，故取TR =60℃ 。 由于最低進(jìn)站溫度比凝固點高7℃，且考慮到反常溫度和最低進(jìn)站溫度都為30℃，故在最低進(jìn)站溫度時仍可以滿足牛頓流體的特性，故取TZ =30℃。 ② 平均輸送溫度 在加熱輸送條件下，計算溫度采用平均輸油溫度T，平均輸油溫度采用加權(quán)法，按下式計算： Error! No bookmark name given. (1-1) 式中： ——原油出站溫度，℃，取=60℃； ——原油進(jìn)站溫度，℃，取=30℃； ——原油平均溫度，℃，由上式計算得

9、= 40℃。 ③ 原油密度 所輸原油密度(g/cm3)隨溫度T(℃)的變化關(guān)系為： (1-2) 式中：——20℃下原油密度，kg/m3； ——溫度系數(shù)，=1.825-0.001315ρ，kg/( m3℃)，解得=0.6941； ——平均輸油溫度，℃，取=40℃。 即得原有粘度與溫度的變化關(guān)系式： ρ=860-0.6941(T-20) (1-3) 解得=846.12 kg/m3。

10、④ 原油粘度 由最小二乘法回歸粘溫關(guān)系如表1-1 表1-1 粘溫關(guān)系回歸表 溫度(℃) 60 55 50 45 40 35 30 28 粘度 (10-6m2/s) 42.5 48 53 60 69 83.2 111 124.5 lnν -10.0660 -9.9443 -9.8452 -9.7212 -9.5814 -9.3943 -9.1060 -8.9912 取xi為T，yi為lnν，并設(shè) Σxi= 343 Σyi= -76.6496 = 42.875 = -9.5812 === -8.1751 回

11、歸結(jié)果為lnν=-8.1751-0.0328T 得原油粘度為： ν=e-8.1751-0.0328T (1-4) 式中：T--平均輸油溫度(℃)； 2） 其他設(shè)計參數(shù) 管道全線任務(wù)輸量、最小輸量、進(jìn)出站油溫、埋深處月平均氣溫等列于表1-12設(shè)計參數(shù)表中。生產(chǎn)天數(shù)按照350天計算。 表1-2 設(shè)計參數(shù)表 任務(wù)輸量(10t/a) 最小輸量(10t/a) 管線里程(Km) 最高出站油溫℃ 最低出站油溫℃ 埋深處月平均氣溫℃ 550 385 320 60 30 2.0 質(zhì)量流量為： kg/s 127.31

12、kg/s 由質(zhì)量流量與體積流量換算公式： (1-5) 0.2149m3/s 0.1505m3/s 2、 經(jīng)濟管徑的選擇 1. 管徑及管材的初選 1)管徑選擇 根據(jù)規(guī)范，輸油管道經(jīng)濟流速范圍為1.5-2.0m/s，管徑計算公式如下： d= (2-1) 式中：Q--額定任務(wù)輸量(m/s),0.2149m/s； V--管內(nèi)原油經(jīng)濟流速(m/s)； d--管道內(nèi)徑(m)； 根據(jù)輸量計算結(jié)果如下表1-13： 表1-13 初選管徑表

13、經(jīng)濟流速 (m/s) 計算結(jié)果 (mm) 初選管Ⅰ (mm) 初選管Ⅱ (mm) 初選管徑Ⅲ (mm) 1.5 427.2 406.4 457 508 2)管材選用 本工程采用直縫電阻焊鋼管。 綜合考慮輸油系統(tǒng)的壓力、輸油泵的特性、閥門及管件的耐壓等級等綜合因素，管材選用按照API標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的X60直縫電阻焊鋼管，局部高壓管段選用按照API標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的X80直縫電阻焊鋼管。 根據(jù)輸量的大小，本次設(shè)計提出了3種可能的管徑，分別是Φ406.46.4、Φ4577.1、Φ5087.9。在這里采用費用現(xiàn)值來確定最經(jīng)濟管徑。 2. 費用現(xiàn)值法確定經(jīng)濟管徑 1)確定經(jīng)

14、濟管徑的原則 對某一輸量下的管路，隨著管徑的增大，基本建設(shè)中鋼材及線路工程投資增大，但壓力損失降低，泵站數(shù)減少，站場投資減少。而有些項目如道路、供水、通訊等投資不變。故總投資隨著管徑的變化必有極小值存在，而輸油能耗也在下降。其它項目如材料費、折舊費、稅金、管理及維修費等是按照投資總額提成一定比例計算的。該費用隨著管徑的變化與投資隨著管徑的變化趨勢相同，所以總投資與經(jīng)營費用的疊加總有一個與其最小值對應(yīng)。該費用最小值的管徑為最優(yōu)管徑。 2)費用現(xiàn)值法 費用現(xiàn)值比較法簡稱現(xiàn)值比較法。使用該方法時，先計算各比較方案的費用現(xiàn)值，然后進(jìn)行對比，以費用現(xiàn)值較低的方案為優(yōu)。 費用現(xiàn)值法的計算公式為：

15、 (1-8) 式中：I--第t年的全部投資(包括固定資產(chǎn)和流動資金)； ’--第t年的經(jīng)營成本； S--計算期末回收的固定資產(chǎn)余值(此處為0)； W--計算期末回收的流動資金； N--計算期 N=16； i--行業(yè)基準(zhǔn)收益率 =12%； 油氣儲運企業(yè)的要素成本包括：電力費用、工資及福利費、修理費、油氣損耗費、折舊費、利息支出、其他費用。 3)經(jīng)營成本和流動資金 年經(jīng)營成本＝燃料費用＋電力費用＋工資及福利費＋修理費＋油氣損耗費＋折舊費+其他費用 燃料費用主要是指加熱設(shè)備(包括加熱爐和鍋爐)的燃料費用。 對于長距離輸油管道

16、系統(tǒng)，燃料費用主要是原油加熱輸送工藝中加熱爐的燃料油費用?？筛鶕?jù)原油進(jìn)出站溫度計算，計算公式如下： SR= G Cy (TRi –Tzi) nR (1-9) 式中：SR --燃料費用，元/年； ey--燃料油價格，元/噸； Cy --原油比熱，J/kg℃； BH--燃料油熱值，J/kg； TRi --第i加熱站的出站溫度，℃； TZi --第i加熱站的進(jìn)站溫度，℃； Ri--第i加熱站的加熱爐效率； G--管道年輸量，噸/年； nR--加熱站個數(shù)；

17、 電力費用是指用于支付泵的電力設(shè)備和電動機具所消耗電能的費用，主要是輸油泵等動力設(shè)備的電費。 對于長輸管道系統(tǒng)，電力費用主要是泵站輸油泵機組的電費。 全線的電力費用可采用下式計算： SP= (1-10) 式中：SP--全線泵機組所消耗的電力費用，元/年； H --第i泵站的揚程，m； ed --電力價格，元/kWh； ηpei--第i泵站泵機組的效率； G--年輸量，噸/年； 油氣損耗費包括大罐的蒸發(fā)損耗和泄漏損失等，可按年輸量或銷售量的一定比例計算。 油氣損耗費＝損耗比例年輸量(或年銷量)油價(或氣價) 損耗比例

18、一般可取為0.1%～2.3%。 固定資產(chǎn)形成率為85%，綜合折舊率取7.14%(綜合折舊年限為14年)，殘值為0。 修理費按固定資產(chǎn)原值的1%計算，輸油成本中其他費用按工資總額與職工福利費之和的2倍計算。 水電設(shè)施、道路、通訊設(shè)施等費用按線路投資與輸油站投資之和的12%計算。 管道建設(shè)期為2年，第一年和第二年投資分別按總投資的40%、60%計算，固定資產(chǎn)投資方向調(diào)節(jié)稅稅率為0。固定資產(chǎn)的30%為自有資金，70%為建設(shè)銀行貸款，貸款利率為8%。 流動資金利用擴大指標(biāo)估算法，按流動資金占固定資產(chǎn)原值的5%計算。 4)比較方案 三種管徑的計算結(jié)果如下： 其中Φ4577.1的費用現(xiàn)值最

19、小，采用Φ4577.1的管道進(jìn)行施工和投產(chǎn)運行更為經(jīng)濟。 3. 管道壁厚選擇 根據(jù)《輸油管道工程設(shè)計規(guī)范》，輸油管道直管段鋼管管壁厚按下式計算： (1-11) 式中： ——計算的屈服應(yīng)力，MPa； ——工作壓力，MPa； ——管道外徑，mm； ——強度設(shè)計系數(shù)，此處取=0.72； ——焊縫系數(shù)，此處取=1.0； ——管道厚度，mm。 管道系統(tǒng)設(shè)計壓力為7MPa時，管道選用X60直縫電阻焊鋼管，屈服強度413MPa，壁厚計算結(jié)果如下表1-14： 表1-14 壁厚計算表 公稱直徑 (mm)

20、 計算壁厚 (mm) 腐蝕余量 (mm) 實選壁厚 (mm) 管道外徑 (mm) DN457 5.379 1 7.1 Φ4577.1 3、 輸油工程 1. 主要工藝 1)原油密閉加熱輸送工藝 (1)加熱輸送工藝 易凝易粘的油品當(dāng)其凝點高于管道周圍環(huán)境溫度、或在環(huán)境溫度條件下油流粘度很高時，不能直接采用等溫輸送方法。油流過高的粘度使管道的壓降劇增，不經(jīng)濟也不安全。加熱輸送是目前最常用的方法。其可以降低粘度減少摩阻損失并降低管輸壓力，保證安全輸送。 (2)密閉輸送工藝 泵到泵密閉輸送工藝是目前國內(nèi)外管道采用的先進(jìn)輸送工藝。對輸油系統(tǒng)壓力實行自動調(diào)

21、節(jié)以及系統(tǒng)自動連鎖保護，是實現(xiàn)密閉輸油的前提。中間泵站設(shè)一水擊泄放罐，不設(shè)旁接油罐和緩沖罐，大幅降低各站儲罐的容量，節(jié)約工程投資，減少原油損耗。 2.判斷流態(tài)并計算總傳熱系數(shù) 1） 判斷流態(tài) 雷諾數(shù)的計算公式如下： 只需在最小和最大流量兩種極端狀況下便可判斷流態(tài)是否變化， 由表1-1知在計算溫度下的原油動力粘度為：ν=6910-6m2/s。 則 =8960.04 6274.95 由推薦值：e=0.054mm。 則管壁相對當(dāng)量粗糙度為：0.243910-3。 查得公式： 代入計算得：8.00

22、6105。 因為3000< Remin< Remax < Re1，兩種極端情況下的流動都處在水力光滑區(qū)。據(jù)此，可確定m = 0.25，=0.0246。 2) 總傳熱系數(shù) 由 (2-3) 式中：D--管道外徑(m)； --土壤導(dǎo)熱系數(shù)(w/m℃)，取1.45 w/m℃； h--管道中心埋深(m)，取1.55 m； 得==2.434 K= (2-4) 式中：--瀝青防腐層(m)，0.006 m； --防腐層導(dǎo)熱系數(shù)(w/m℃)，取0.15w/m℃； 得總傳熱系數(shù)K

23、==2.22 (w/m℃)； 3. 工藝計算及站場布置 1)最小輸量工況計算 根據(jù)任務(wù)書的要求，設(shè)計最小輸量為Qmin =0.1505m3/s = 541.8 m3/h 即Gmin =127.3kg/s。 ?確定熱站數(shù) 熱力計算按最小輸量情況進(jìn)行計算。 根據(jù)任務(wù)書的要求，，設(shè)計最小輸量為0.1505m/s 即127.3kg/s. 總傳熱系數(shù)由(2-4)得為2.22w/m℃。 由雷諾數(shù)判斷流態(tài)均為紊流的水力光滑區(qū)。 根據(jù)以下公式求解所需的熱站數(shù)。 水力坡降 i= (2-5) a=

24、 (2-6) b= (2-7) L (2-8) 最終得熱站數(shù)： n (2-9) 最終向上取整得熱站數(shù)n。 式中：D--管道外徑(m)，取0.457m； K--熱油管道總傳熱系數(shù)(w/m℃)，取2.22w/m℃； C--油品比熱(J/(kg℃))，取2100 J/(kg℃)； i=0.003999m/m b=1.568℃ a=1.1910-5m LR=6.3721104m n=5.02向上取整得n=6 需要6座加熱站，站間距

25、為L=53.33 Km。 ②按平均布站反算出站溫度 設(shè)TZ = 30℃，b= 1.568℃，起點油溫計算公式： (2-10) 將各參數(shù)代入上式得：TR1=53.436℃。 則由公式(1-1)得平均溫度：T=37.812℃； 由公式(1-4)得計算動力粘度：ν=8.14810-5 m2/s； 由公式(1-3)得在計算溫度下的密度：ρ=847.64 kg/m3； 由公式(1-5)得在計算溫度下的最小體積流量：Q=0.1502m3/s； 將上述參數(shù)值帶入公式（2-5）得：i=0.00406 m/m； 由公式(2-7)得：b=1.591℃；

26、 由公式(2-8)得：LR =53.33km。 故取TR=56.69℃。則在最小輸量工況下的設(shè)計參數(shù)選取結(jié)果如表2-1： 表2-1最小輸量工況下熱力計算參數(shù)表 出站溫度TR（℃） 平均溫度T（℃） 平均密度ρ（kg/m3） 體積流量 Q（m3/s） 水力坡降i（m/m） b (℃) 站間距LR (km) 53.436 37.812 847.64 0.1502 0.00406 1.591 53.33 ③翻越點判斷 由沿程高程表3知(280km，68m)處可能存在翻越點。 在長輸管路中，局部摩阻總是占據(jù)很小的部分，一般占沿程摩阻的約1%，全線總壓頭

27、損失公式： (2-11) 式中：——全線壓頭損失，m； ——沿程摩阻，m； ——管道起點與終點的高程差，m； ——局部摩阻，m。 由公式(2-11)計算得： 全線總壓頭損失： H=1.010.00406320103+（35-28）=1319.192m。 到可能翻越點處壓頭損失: Hf=1.010.00406280103+（68-28）= 1188.168m。 由Hf < H，知在最小輸量工況下不存在翻越點。 ④確定泵站數(shù) 管道允許的最大操作壓力為： = =9.24MPa 管道最大承受壓力9.2

28、4Mpa時， H==1109.24m 即管道承壓為1109.24m，出站壓力要小于此值。參照《JBT10114-1999輸油離心泵 型式與基本參數(shù)》選擇型號為KSY800-190的泵，其特性方程為： H=240.56-0.00042Q1.75 最小輸量時，Q=540.7m3/h，則H=215.1m，泵站內(nèi)泵數(shù)為n==5.2，向下取整為5，則最大輸量工況下每個泵站應(yīng)選用5臺KSY800-190泵串聯(lián)，可增加一臺備用。 泵站特性方程為HC=5（240.56-0.00042Q1.75）=1075.44m，全程所需泵站數(shù)N==1.2向上取整為N=2，則最小輸量工況下需設(shè)置2個泵站。 2）最

29、大輸量工況計算 根據(jù)任務(wù)書的要求，設(shè)計最大輸量為Qmax =0.2149m3/s = 773.84m3/h 即Gmax =181.9 kg/s=6.4576105 kg/h。 ①熱力計算及確定加熱站 由公式(2-5)計算得：i = 0.00747m/m； 由公式(2-6)計算得：a =8.331910-6m； 由公式(2-7)計算得：b=4.181℃； 由公式(2-8)計算得：LR = 97.84km； 由公式(2-9)計算得：n=3.27，向上圓整為n=4； 由于最小輸量時加熱站數(shù)為六個，從經(jīng)濟環(huán)保角度考慮，最大輸量時可調(diào)整成六個加熱站。下面反算在最大輸量時設(shè)六個加熱站時的出

30、站溫度。 仍取進(jìn)站溫度TZ=30℃。 現(xiàn)令b=0，對出站油溫進(jìn)行第一次迭代試算： 由公式(2-10)計算得：TR1= 45.67℃； 由公式(1-1)計算得平均溫度：T= 35.22℃； 由公式(1-4)得計算動力粘度：ν=0.88710-4 m2/s； 由公式(1-3)得在計算溫度下的密度：ρ=849.43 kg/m3； 由公式(1-5)得在計算溫度下的最小體積流量：Q=0.2141m3/s； 將上述參數(shù)值帶入公式（2-5）得i=0.00771 m/m； 由公式(2-7)計算得：b=4.319℃； 由公式(2-10)得：TR2= 43.25℃。 由于|TR1-TR2|>

31、0.2，故對出站油溫進(jìn)行第二次迭代試算： 由公式(1-1)計算得平均溫度：T= 34.41℃； 由公式(1-4)得計算動力粘度：ν=0.910910-4 m2/s； 由公式(1-3)得在計算溫度下的密度：ρ=850.00kg/m3； 由公式(1-5)得在計算溫度下的最小體積流量：Q=0.2140m3/s； 將上述參數(shù)值帶入公式（2-5）得i=0.00775 m/m； 由公式(2-7)計算得：b=4.342℃； 由公式(2-10)得：TR3= 43.24℃。 由于|TR2-TR3|<0.2，故取TR= 43.24℃，即在最大輸量下原油出站溫度是TR= 43.24℃。則在最大輸量工

32、況下熱力計算參數(shù)如表2-2： 表2-2最大輸量工況下熱力計算參數(shù)表 出站溫度TR（℃） 平均溫度T（℃） 平均密度ρ（kg/m3） 體積流量Q（m3/s） 水力坡降i（m/m） b (℃) 站間距LR(km) 43.24 34.41 850.00 0.2140 0.00775 4.342 53.33 ②翻越點判斷 由沿程高程表3知(280km,68m)處可能存在翻越點。 由公式(2-11)計算得： 全線總壓頭損失： H=1.010.00775320103+（35-28）=2511.8m。 到可能翻越點處壓頭損失： Hf=1.010.007752

33、80103+（68-28）=2231.7m。 由Hf < H，知在最大輸量工況下不存在翻越點。 ③確定泵站數(shù) 最大輸量時，在平均溫度下，管道體積流量為Qmax =0.21403600=770.4 m3/h。參照《JBT10114-1999輸油離心泵 型式與基本參數(shù)》選擇型號為KSY800-190的泵，其特性方程為： H=240.56-0.00042Q1.75 最大輸量時，Q=770.4 m3/h，則H=193.23m，泵站內(nèi)泵數(shù)為n==5.7，向下取整為5，則最大輸量工況下每個泵站應(yīng)選用5臺KSY800-190泵串聯(lián)，可增加一臺備用。 泵站特性方程為HC=5（240.56-0.00

34、042Q1.75）=966.14m，全程所需泵站數(shù)N==2.6向上取整為N=3，則最大輸量工況下需設(shè)置3個泵站。 由兩種極端工況確定的應(yīng)設(shè)站數(shù)如表2-3： 表2-3 布站數(shù)量 —— 熱站數(shù) 泵站數(shù) 最小輸量 6 2 最大輸量 4 3 3）確定站址 根據(jù)地形的實際情況，本著熱泵合一的原則，進(jìn)行站址的調(diào)整：設(shè)置3個熱泵站與3個熱站。站址為：（0km,28m）、（53km,21m）、（107km,19m）、(160km,34m)、(213km,33m)、(267km,56m)。具體布站情況如表2-4： 表2-4 均勻布站表 站 里程（km） 高程（m） 布站情況

35、 首站 0 28 加熱站、泵站 2# 53 21 加熱站 3# 107 19 加熱站、泵站 4# 160 34 加熱站 5# 213 33 加熱站、泵站 6# 267 56 加熱站 末站 320 35 4.各種工況下各站參數(shù) 1）最大輸量 ①熱力參數(shù) 最大輸量時的基本熱力參數(shù)計算結(jié)果如表2-2。 由于是平均布站，故各個加熱站的進(jìn)站溫度、出站溫度都相同，即TR=43.24℃，TZ=30℃。加熱爐的熱負(fù)荷由下面的公式計算： (2-16) 式中：q——加熱爐的熱負(fù)荷

36、，kw； G——油品流量，kg/s； C——油品比熱，kJ/(kg℃)； 由公式(2-16)計算得熱泵站加熱爐的熱負(fù)荷為： q=181.92.1(43.24-30)=5055.6kw。 ②水力參數(shù) 全線總壓頭損失： H=1.010.00775320103+（35-28）=2511.8m。 設(shè)置3個泵站，則泵站揚程為： HC==837.27m 最大輸量下泵揚程H=193.23m，則每個泵站需開泵數(shù)： N===4.3,向上取整N=5，故最大輸量下選用型號為KSY800-190的泵6臺，5臺串聯(lián)，另有一臺備用。 2）90%輸量 ①熱力參數(shù) 取進(jìn)站溫

37、度TZ=30℃。 現(xiàn)令b=0，對出站油溫進(jìn)行第一次迭代試算： 由公式(2-10)計算得：TR1= 47.88℃； 由公式(1-1)計算得平均溫度：T= 35.96℃； 由公式(1-4)得計算動力粘度：ν=0.865910-4 m2/s； 由公式(1-3)得在計算溫度下的密度：ρ=848.92 kg/m3； 由公式(1-5)得在計算溫度下的最小體積流量：Q=0.1928m3/s； 將上述參數(shù)值帶入公式（2-5）得i=0.00638 m/m； 由公式(2-7)計算得：b=3.216℃； 由公式(2-10)得：TR2= 45.82℃。 由于|TR1-TR2|>0.2，故對出站油溫

38、進(jìn)行第二次迭代試算： 由公式(1-1)計算得平均溫度：T= 35.27℃； 由公式(1-4)得計算動力粘度：ν=0.885510-4 m2/s； 由公式(1-3)得在計算溫度下的密度：ρ=849.40kg/m3； 由公式(1-5)得在計算溫度下的最小體積流量：Q=0.1927m3/s； 將上述參數(shù)值帶入公式（2-5）得i=0.00641 m/m； 由公式(2-7)計算得：b=3.231℃； 由公式(2-10)得：TR3= 45.81℃。 由于|TR2-TR3|<0.2，故取TR= 45.81℃，即在最大輸量下原油出站溫度是TR= 45.81℃。則在90%輸量工況下熱力計算參數(shù)如

39、表2-5： 表2-5 90%輸量工況下熱力計算參數(shù)表 出站溫度TR（℃） 平均溫度T（℃） 平均密度ρ（kg/m3） 體積流量Q（m3/s） 水力坡降i（m/m） b (℃) 站間距LR(km) 45.81 35.27 849.40 0.1927 0.00641 3.231 53.33 由于是平均布站，故各個加熱站的進(jìn)站溫度、出站溫度都相同，即TR=45.81℃，TZ=30℃。由公式(2-16)計算得熱泵站加熱爐的熱負(fù)荷為： q=163.72.1(45.81-30)=5435.0037kw。 ②水力參數(shù) 全線總壓頭損失： H=1.010.0064132

40、0103+（35-28）=2078.712m。 設(shè)置3個泵站，則泵站揚程為： HC==692.904m 90%輸量下泵揚程： H=240.56-0.00042Q1.75=240.56-0.00042（0.19273600）1.75=201.17m 則每個泵站需開泵數(shù)： N===3.4,向上取整N=4，故90%輸量下開泵4臺。 3）80%輸量 ①熱力參數(shù) 取進(jìn)站溫度TZ=30℃。 現(xiàn)令b=0，對出站油溫進(jìn)行第一次迭代試算： 由公式(2-10)計算得：TR1= 47.88℃； 由公式(1-1)計算得平均溫度：T= 35.96℃； 由公式(1-4)得計算動力粘度：ν=0.8

41、65910-4 m2/s； 由公式(1-3)得在計算溫度下的密度：ρ=848.92 kg/m3； 由公式(1-5)得在計算溫度下的最小體積流量：Q=0.1714m3/s； 將上述參數(shù)值帶入公式（2-5）得i=0.00519 m/m； 由公式(2-7)計算得：b=2.617℃； 由公式(2-10)得：TR2= 46.21℃。 由于|TR1-TR2|>0.2，故對出站油溫進(jìn)行第二次迭代試算： 由公式(1-1)計算得平均溫度：T= 35.40℃； 由公式(1-4)得計算動力粘度：ν=0.881810-4 m2/s； 由公式(1-3)得在計算溫度下的密度：ρ=849.31kg/m3；

42、 由公式(1-5)得在計算溫度下的最小體積流量：Q=0.1713m3/s； 將上述參數(shù)值帶入公式（2-5）得i=0.00521 m/m； 由公式(2-7)計算得：b=2.627℃； 由公式(2-10)得：TR3= 46.20℃。 由于|TR2-TR3|<0.2，故取TR= 45.81℃，即在最大輸量下原油出站溫度是TR= 45.81℃。則在90%輸量工況下熱力計算參數(shù)如表2-5： 表2-6 80%輸量工況下熱力計算參數(shù)表 出站溫度TR（℃） 平均溫度T（℃） 平均密度ρ（kg/m3） 體積流量Q（m3/s） 水力坡降i（m/m） b (℃) 站間距LR(km) 4

43、6.20 35.40 849.31 0.1713 0.00521 2.627 53.33 由于是平均布站，故各個加熱站的進(jìn)站溫度、出站溫度都相同，即TR=46.20℃，TZ=30℃。由公式(2-16)計算得熱泵站加熱爐的熱負(fù)荷為： q=145.52.1(46.20-30)=4949.91kw。 ②水力參數(shù) 全線總壓頭損失： H=1.010.00521320103+（35-28）=1690.872m。 設(shè)置3個泵站，則泵站揚程為： HC==563.624m 80%輸量下泵揚程： H=240.56-0.00042Q1.75=240.56-0.00042（0.17133

44、600）1.75=208.5m 則每個泵站需開泵數(shù)： N===2.7,向上取整N=3，故80%輸量下開泵3臺。 4）最小輸量 ①熱力參數(shù) 最小輸量時的基本熱力參數(shù)計算結(jié)果如表2-1。 由于是平均布站，故各個加熱站的進(jìn)站溫度、出站溫度都相同，即TR=46.20℃，TZ=30℃。由公式(2-16)計算得熱泵站加熱爐的熱負(fù)荷為： q=127.32.1(53.44-30)=6266.2152kw。 ②水力參數(shù) 全線總壓頭損失： H=1.010.00406320103+（35-28）=1319.192m。 設(shè)置3個泵站，則泵站揚程為： HC==439.73m 最小輸量下泵揚程為

45、H=215.1m 則每個泵站需開泵數(shù)： N===2.04,向上取整N=3，故最小輸量下開泵3臺。 5.主要設(shè)備選型 1）輸油站儲油罐 首、末站的油罐分別用來調(diào)節(jié)來油、收油（轉(zhuǎn)運）單位與管道的輸量不平衡，罐容較大。罐容計算公式如下： (2-19) 式中：——輸油首站、輸入站、分輸站、末站原油儲罐總?cè)萘?，m3； ——輸油首站、輸入站、分輸站、末站原油年總運轉(zhuǎn)量，kg； ——利用系數(shù)，取0.9； ——儲存時間，d。 儲存溫度這里取30℃，由公式(1-2)計算得ρ=853.059kg/m3。 輸油首站

46、的原油來自油田或管道時，其儲備天數(shù)選為3d。則由公式(2-19)得輸油首站儲油罐總?cè)萘浚? =61403.7m3 所以，可以選取1座50000m3和1座15000m3鋼制浮頂罐。 末站為向用戶供油的管道專輸站時，油品儲備天數(shù)宜為4d。則由公式(2-19)得分輸站、末站儲油罐總?cè)萘浚? m3 所以，可以選取1座50000m3和2座20000m3鋼制浮頂罐。 2）加熱爐 因為是加熱站是均勻布站，所以相同流量下每站所需有效負(fù)荷是相同的。 由前述計算過程可以得到各種工況下各熱泵站所需熱量如表2-7： 表2-7 不同輸量下所需熱量表 輸量 100%輸量 90%輸量 80%輸量 7

47、0%輸量 管路所需熱量(kw) 5055.6 5435.00 4949.91 6266.22 綜合使用年限內(nèi)的輸送要求，在保證滿足加熱站的熱負(fù)荷要求且加熱效率高的前提下，以設(shè)置加熱爐數(shù)量最少、利用率最高為原則，最后選定直接加熱的臥式圓筒管式加熱爐，具體為：3500kw功率一座、2000kw兩座和1500kw兩座。個輸量工況下的加熱爐配置如表2-8： 表2-8 不同輸量下加熱爐配置表 輸量 100%輸量 90%輸量 85%輸量 70%輸量 管路所需熱量(kw) 5055.6 5435.00 4949.91 6266.22 加熱爐功率(kw) 3500+2

48、000 3500+2000 3500+1500 3500+15002 為便于檢修和相互替代，在3500kw加熱爐不能使用時，可以用一臺1500kw和一臺2000kw的加熱爐替代。若2000kw的加熱爐不能使用，則可以用兩臺1500kw或用一臺3500kw替代。若某臺1500kw的加熱爐不能正常使用時，可以用一臺2000kw互相替換。 3）輸油泵 由前計算所得選擇型號為KSY800-190的泵，每個泵站設(shè)置六臺，最大輸量下5臺串聯(lián)，另有一臺備用。 4）原動機 （1）根據(jù)機械的負(fù)載性質(zhì)和生產(chǎn)工藝對電動機的啟動、制動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速等要求，選擇電動機的類型。 （2）根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩、速度變

49、化范圍和啟動頻繁程度等要求，考慮電動機的溫升限制、過載能力和啟動轉(zhuǎn)矩，選擇電動機功率，并確定冷卻通風(fēng)方式。所選電動機功率應(yīng)留有余量，負(fù)荷率一般取0.8~0.9。 （3）根據(jù)使用場合的環(huán)境條件，如溫度、適度、灰塵、雨水、瓦斯以及腐蝕和易燃易爆氣體等考慮必要的保護方式，選擇電動機的機構(gòu)形式。 （4）根據(jù)企業(yè)的電網(wǎng)電壓標(biāo)準(zhǔn)和對功率因數(shù)的要求，確定電動機的電壓等級和類型。 （5）根據(jù)生產(chǎn)機械的最高轉(zhuǎn)速和對電力傳動調(diào)速系統(tǒng)的過渡過程性能的要求，以及機械減速機構(gòu)的復(fù)雜程度，選擇盯得緊的額定轉(zhuǎn)速。 除此之外，選擇電動機還必須符合節(jié)能要求，考慮運行可靠性、設(shè)備的供貨情況、備品備件的通用性、安裝檢修的難

50、易，以及產(chǎn)品價格、建設(shè)費用、運行和維修費用、生產(chǎn)過程中前期電動機功率變化關(guān)系等各種因素。 泵功率計算公式為： (2-20) 式中：——輸油泵軸功率，kw； ——輸送溫度下泵排量為qv時的輸油效率； ——輸送溫度下的排量（m3/s）； ——輸送溫度下介質(zhì)的密度（kg/m3）； —— 輸油泵排量為qv時的揚程。 電機功率計算公式為： (2-21) 式中：——輸油泵配電機額定功率，kw； ——輸油泵軸功率，kw

51、； ——傳動系數(shù)，取=0.95； ——電動機額定功率安全系數(shù)，取=1.1。 由公式(2-20)計算得KSY800-190的泵： 425.42kw 由公式（2-21）得輸油主泵電機功率： 492.6kw 由《JB/T 10444-2004》選擇電動機，型號為Y2 4501-4,其基本參數(shù)為：額定功率500kw，轉(zhuǎn)速3000r/min，額定頻率50Hz，結(jié)構(gòu)及安裝型式為IMB3，外殼防護等級IP54，冷卻方法IC411。 最優(yōu)管徑的確定 1)判斷流態(tài) 由于一般原油加熱溫度為60~70℃，考慮到最高出站溫度為60℃，故取TR =60℃ 。 由于最低進(jìn)站溫度比凝固點高7℃，且考

52、慮到反常溫度和最低進(jìn)站溫度都為30℃，故在最低進(jìn)站溫度時仍可以滿足牛頓流體的特性，故取TZ =30℃。 在加熱輸送條件下，計算溫度采用平均輸油溫度T，平均輸油溫度采用加權(quán)法，由式（1-1）得 ==40℃。 40℃的原油密度由式（1-2）計算 =860-0.6941（40-20）=846.12 kg/m3。 原油粘度由表1-1得 ν=6910-6m2/s 任務(wù)輸量Q=550100001000/（350243600） =181.9(kg/s) =0.2149(m/s) 根據(jù)規(guī)范，輸油管道經(jīng)濟流速范圍為1.5-2.0m/s，管徑計算公式如下

53、： d= (2-1) 式中：Q--額定任務(wù)輸量(m/s),0.2149m/s； V--管內(nèi)原油經(jīng)濟流速(m/s)； d--管道內(nèi)徑(m)； 根據(jù)輸量計算結(jié)果如下表1-13： 表1-13 初選管徑表 經(jīng)濟流速 (m/s) 計算結(jié)果 (mm) 初選管Ⅰ (mm) 初選管Ⅱ (mm) 初選管徑Ⅲ (mm) 1.5 427.2 406.4 457 508 根據(jù)《輸油管道工程設(shè)計規(guī)范》，輸油管道直管段鋼管管壁厚按下式計算： = (2-4) 式中：P--設(shè)計內(nèi)壓力(

54、MPa)； D--鋼管外徑(mm)； K--設(shè)計系數(shù)，取0.72； --材料的最低屈服強度(MPa)； --焊縫系數(shù)，取1.0； 管道系統(tǒng)設(shè)計壓力為7 MPa時，管道選用X60直縫電阻焊鋼管，屈服強度413MPa，壁厚計算結(jié)果如下表2-2： 表2-2 計算壁厚表 公稱直徑 (mm) DN406.4 DN457 DN508 計算壁厚 (mm) 4.783 5.379 5.979 考慮1mm的腐蝕余量后,實際選擇的壁厚尺寸列于表2-3: 表2-3 實選管壁壁厚表 公稱直徑 (mm) DN

55、406.4 DN457 DN508 實選壁厚(mm) 6.4 7.1 7.9 雷諾數(shù)計算公式為： (2-5) (2-6) (2-7) 計算結(jié)果見表2-4，2-5，2-6 表2-4 Φ406.4管徑下流態(tài)參數(shù) 管徑 流態(tài) Φ406.4 9762.57 6836.98 7.258105 水力光滑區(qū) 表2-5 Φ457管徑下流態(tài)參數(shù) 管徑 流態(tài) Φ457 8960.04 6274.95

56、 8.006105 水力光滑區(qū) 表2-6 Φ508管徑下流態(tài)參數(shù) 管徑 流態(tài) Φ508 8060.76 5645.16 9.035105 水力光滑區(qū) 由上表的數(shù)據(jù)，可以分析得各管徑不同輸量下，管內(nèi)原油都處于水力光滑區(qū)，以此來進(jìn)行設(shè)計計算，則有m=0.25，β=0.0246。 2)熱力計算 熱力計算按照最小輸量情況計算。 0.1505m3/s 由 (2-3) 式中：D--管道外徑(m)； --土壤導(dǎo)熱系數(shù)(w/m℃)，取1.45 w/m℃； h--管道中心埋深(m)，取1

57、.55 m； 得=2.434 K= (2-4) 式中：--瀝青防腐層(m)，0.006 m； --防腐層導(dǎo)熱系數(shù)(w/m℃)，取0.15w/m℃； 得總傳熱系數(shù)K=2.22 (w/m℃)； 有雷諾數(shù)判斷流態(tài)均為紊流的水力光滑區(qū)。 根據(jù)以下公式求解所需的熱站數(shù)。 水力坡降： i= (2-10) a= (2-11) b= (2-12) L (2-13) 最

58、終得熱站數(shù)： n (2-14) 最終向上取整得熱站數(shù)n。 式中：D--管道外徑(m)； K--熱油管道總傳熱系數(shù)(w/m℃)，取2.22 w/m℃； C--油品比熱(kj/kg)，取2100 kj/kg； 計算結(jié)果如下表2-9 表2-9 各管徑水力參數(shù)表 管道規(guī)格(mm) i (m/m) a (10) b(℃) L(km) n n L (km) Φ406.4 0.00699 10.58 3.085 74.67 4.3 5 64 Φ457 0.00399 11.19

59、 1.567 63.72 5.02 6 53.33 Φ508 0.00242 13.23 0.853 56.26 5.7 6 53.33 3）水力計算 通過水力計算來確定泵站數(shù)。 計算按照最大輸量(任務(wù)輸量)來確定。 根據(jù)初選的管徑、原油的任務(wù)輸量，用列賓宗公式進(jìn)行水力計算，并判斷是否存在翻越點，再由管道工作承壓，選擇輸油泵后，確定全線所需要的泵站數(shù)，并通過繪制水力坡降圖優(yōu)化布站，確定站址。 管路全線能耗為： H=iL+ΔZ+H (2-15) 泵站數(shù)： N= (2-16)

60、式中：H --任務(wù)流量下管道所需要的總壓頭(m液柱)； --任務(wù)輸量下泵站的揚程(m液柱)； H--末站剩余壓力(m液柱)，取20m液柱； h--泵站站內(nèi)損失(m液柱)，取30m液柱； 當(dāng)N不是整數(shù)，要向上取整。 經(jīng)過計算，Φ406.46.4、Φ4577.1、Φ5087.9的三條線路全線均不存在翻越點。 計算結(jié)果如表2-11 表2-11 各管徑下水力參數(shù)表 管道規(guī)格(mm) [H](m) H (m) Hc(m) n n Φ406.46.4 1129.5 4128.2 966.14 4.3 5 Φ4577.1 1114.3 2362.3

61、 966.14 2.4 3 Φ5087.9 1115.4 1432.1 966.14 1.5 2 4)燃料與電力費用的計算 生產(chǎn)期第1、2年，負(fù)荷為零。 故S、S為零。 燃料費用計算 燃料費用主要是指加熱設(shè)備(包括加熱爐和鍋爐)的燃料費用。 對于長距離輸油管道系統(tǒng)，燃料費用主要是原油加熱輸送工藝中加熱爐的燃料油費用。 可根據(jù)原油進(jìn)出站溫度計算，計算公式如下： SR= G Cy (TRi –Tzi) nR (2-18) 式中：SR --燃料費用，元/年； ey--燃料油價格，元/噸； Cy --原油比熱，J/

62、kg℃； BH--燃料油熱值，J/kg； TRi --第i加熱站的出站溫度，℃； TZi --第i加熱站的進(jìn)站溫度，℃； Ri--第i加熱站的加熱爐效率； G--管道年輸量，噸/年； nR--加熱站個數(shù)； 電力費用計算 電力費用是指用于支付泵的電力設(shè)備和電動機具所消耗電能的費用，主要是輸油泵等動力設(shè)備的電費。 對于長輸管道系統(tǒng)，電力費用主要是泵站輸油泵機組的電費。 全線的電力費用可采用下式計算： SP= (2-19) 式中：SP--全線泵機組所消耗的電力費用，元/年；

63、 H--第i泵站的揚程，m； ed--電力價格，元/kWh； ηpei--第i泵站泵機組的效率； G--年輸量，噸/年； 計算結(jié)果如下表2-12、表2-13、表2-14 表2-12 Φ406.46.4 年份 負(fù)荷(%) 輸量(萬噸/年) T(℃) SR(萬元) SP(萬元) 1,14 70 385 42.3 873.46 660.49 2,13 80 440 39.3 807.02 1100.80 3,12 90 495 36.9 732.35 1809.81 4~11 100 550

64、 36.3 649.93 2767.29 表2-13 Φ4577.1 年份 負(fù)荷(%) 輸量(萬噸/年) T(℃) SR(萬元) SP(萬元) 1,14 70 385 53.44 2205.77 575.72 2,13 80 440 46.20 1948.24 995.89 3,12 90 495 45.81 1710.25 1682.11 4~11 100 550 43.24 1484.41 2618.60 表2-14 Φ5087.9 年份 負(fù)荷(%) 輸量(萬噸/年) T(℃) SR(萬元)

65、 SP(萬元) 1,14 70 385 47.76 1256.60 618.48 2,13 80 440 43.17 1144.31 1048.72 3,12 90 495 39.73 1027.33 1746.24 4~11 100 550 37.29 905.14 2032.39 5)其他費用的計算 費用現(xiàn)值比較法簡稱現(xiàn)值比較法。使用該方法時，先計算各比較方案的費用現(xiàn)值，然后進(jìn)行對比，以費用現(xiàn)值較低的方案為優(yōu)。 費用現(xiàn)值法的計算公式為： (2-20) 式中：I--第t年的全部投資(包括固定資產(chǎn)和流動資金)；

66、 ’--第t年的經(jīng)營成本； S--計算期末回收的固定資產(chǎn)余值(此處為0)； W--計算期末回收的流動資金； N--計算期 N=14； i--行業(yè)基準(zhǔn)收益率 =12%； 根據(jù)輸量的大小，本次設(shè)計提出了3種可能的管徑，分別是Φ406.46.4、Φ4577.1、Φ5087.9。在這里采用費用現(xiàn)值來確定最經(jīng)濟管徑。 三種管徑的經(jīng)營成本計算結(jié)果見表2-15、2-16、2-17，費用現(xiàn)值計算結(jié)果見2-18，2-19，2-20 Φ406.46.4的費用現(xiàn)值為95048.32萬元。 Φ4577.1的費用現(xiàn)值為92318.52萬元。 Φ5087.9的費用現(xiàn)值為117601.28萬元。 顯然Φ4577.1的費用現(xiàn)值最小，所以采用Φ4577.1的管道進(jìn)行施工和投產(chǎn)運行更為經(jīng)濟。  表2-15 Φ406.46.4 年份 燃料費用 電力費用