原油管道輸送技術(shù)

1、原油管道輸送技術(shù),中國石油大學(xué)（華東）儲運(yùn)工程系2009年5月20日,安家榮,主要內(nèi)容一、輸油管道概況二、輸油泵站的工作特性三、輸油管道的壓降計(jì)算四、原油管道的溫降計(jì)算五、輸油管道運(yùn)行工況分析與調(diào)節(jié)六、熱油管道的日常運(yùn)行管理七、含蠟原油管道的石蠟沉積八、提高輸油系統(tǒng)效率的途徑,管道是石油生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)，是石油工業(yè)的動(dòng)脈。在石油的生產(chǎn)過程中，自始至終都離不開管道。我們可以把石油的生產(chǎn)過程簡單的表示為：,一、輸油管

2、道概況,長輸管道是長距離輸油管道的簡稱，它是指流量大，管徑大，運(yùn)距長的自成體系的管道系統(tǒng)?？珊唵蔚乇硎緸椋?首站,,收油,,計(jì)量,,加壓,,加熱,中間站,,收油,,加壓,,加熱,,,,,末站,,收油,,計(jì)量,,發(fā)油,長輸管道總是由輸油站和線路組成。首站、末站和中間站統(tǒng)稱為輸油站。,對于原油管道，首站一般在油田，末站一般為煉廠和港口。,為了保證管道的連續(xù)運(yùn)行，首末站一般建有較大的庫容，而中間站一般只設(shè)一座旁接油罐或事故罐，用以調(diào)節(jié)流量的不

3、平衡（旁接油罐流程）或事故泄壓（密閉流程）。,輸油管道一般由離心泵提供壓能，電動(dòng)機(jī)為原動(dòng)機(jī)。對于加熱輸送的管道，由于沿程散熱，為了保持油品的溫度，沿線還要設(shè)加熱站，所用燃料一般為所輸原油或渣油。,為了保證管道的正常運(yùn)行，全線設(shè)有有效的通訊系統(tǒng)，以調(diào)度、指揮生產(chǎn)。通訊線路是長輸管道的生命線，主要的通訊方式有：有線電話、微波通訊、衛(wèi)星通訊、網(wǎng)絡(luò)通訊、無線電通訊。通訊方式的選擇主要根據(jù)管線所處地區(qū)的環(huán)境和管線的具體情況確定，一般多采用微波通信

4、系統(tǒng)。對于多霧山區(qū)，可采用網(wǎng)絡(luò)通訊為主，衛(wèi)星通訊為輔的通訊系統(tǒng)，以確保通訊的安全和暢通。,之所以說通訊線路是長輸管道的生命線，是因?yàn)槿绻ㄓ嵪到y(tǒng)不暢通就會給管道造成重大安全事故。,1、輸油管道發(fā)展概況,管道工業(yè)有著悠久的歷史。中國是最早使用管道輸送流體的國家。早在公元前的秦漢時(shí)代，在四川的自貢地區(qū)就有人用打通了節(jié)的竹子連接起來輸送鹵水，隨后又用于輸送天然氣。據(jù)考證，最早的輸氣管道是在1875年前后在中國四川建成, 當(dāng)時(shí)的人們?yōu)榱溯斔吞烊?/p>

5、氣，把竹子破成兩半，打通中央的竹節(jié)再重新組合起來，并用麻布繞緊，石灰糊縫將其用做輸氣管道，長達(dá)100多公里?，F(xiàn)代油氣管道始于19世紀(jì)中葉，1859年，在美國賓夕法尼亞州的泰特斯維爾油田打出了第一口工業(yè)油井，所生產(chǎn)的原油起初用馬車?yán)\(yùn)，導(dǎo)致了嚴(yán)重的交通擁擠。,1886年，美國又鋪設(shè)了一條口徑為200mm，長為139km的輸油管道。,美國在1879年建成了泰德—瓦特輸油管道(Tide—Water Pipeline)，被稱為全世界第一條長距離

6、輸油管。該管道從柯里亞爾通往威廉港，管道直徑152mm，全長174km，年輸量50×104ｔ。,1865年，在該油田建造了第一條用于輸送原油的管道，管道直徑為50mm，長約8km，輸量127 m3/d，用往復(fù)泵驅(qū)動(dòng),每桶油的運(yùn)價(jià)由馬車運(yùn)輸時(shí)的2.5～5美元降至1美元 。,,,,1920年前，管道均采用絲扣連接，因此管徑較小。1920年，在管道鋪設(shè)中開始采用氣焊，隨后又被電焊所取代。金屬焊接工藝的發(fā)展和完善促進(jìn)了大口徑、長距離管

7、道的發(fā)展，同時(shí)也促進(jìn)了新管材的使用。但真正具有現(xiàn)代規(guī)模的長輸管道始于第二次世界大戰(zhàn)。當(dāng)時(shí)由于戰(zhàn)爭的需要，美國急需將西南部油田生產(chǎn)的油運(yùn)往東海岸，但由于戰(zhàn)爭，海上運(yùn)輸常常被封鎖而中斷，這就促使美國鋪設(shè)了兩條輸油管道。一條是原油管道，叫“Big Inch” ，管徑610mm，全長2016km，日輸油能力47700m3，投資近1億美元，由德克薩斯到賓夕法尼亞。另一條為成品油管道，叫“Little Big Inch”，管徑500mm，全長264

8、0km，日輸能力為37360m3，政府投資7500萬美元。其中原油管道于1943年建造投產(chǎn)，成品油管道1944年投產(chǎn)運(yùn)行。,從20世紀(jì)60年代起，輸油管道向大口徑、長距離的方向發(fā)展，并出現(xiàn)許多跨國管線。較著名的有：,1964年，原蘇聯(lián)建成了蘇聯(lián)－東歐的“友誼”輸油管道，口徑為1020mm,長為5500km。,1977年，建成了第二條“友誼”輸油管道，在原蘇聯(lián)境內(nèi)與第一條管線平行，口徑為1220mm，長為4412km，經(jīng)波蘭至東德。兩條管

9、線的輸量約為1億噸/年。,1977年，美國建成了世界上第一條伸入北極圈的橫貫阿拉斯加管道，口徑為1220mm，全長為1287km，其中900km管道采用架空保溫鋪設(shè)。年輸量約為1.2億m3，不設(shè)加熱站，流速達(dá)3m/s，靠摩擦熱保持油溫不低于60℃，投資77億美元。,1988年，美國建成了從西部圣巴巴拉至休斯頓的原油管道，管徑762mm，總長2731km，年輸油能力約為1600萬噸。,同時(shí)，成品油管道也獲得了迅速發(fā)展。典型的是美國的科羅尼

10、爾成品油管道系統(tǒng)。干線口徑為750、800、900、1000mm，總長為8413km，輸油能力為1.4億噸/年，采用順序輸送，輸送的油品種類多達(dá)100多種。,2、長輸管道的發(fā)展趨勢,1、建設(shè)高壓力、大口徑的大型輸油管道 ；,2、采用高強(qiáng)度、高韌性、可焊性良好的管材 ；,4、采用先進(jìn)的輸油工藝和技術(shù) ；,3、采用新型、高效、露天設(shè)備；,a. 設(shè)計(jì)方面，采用航空選線； b.采用密閉輸送工藝流程，減少油氣損耗和 壓 能損耗；

11、 c.采用計(jì)算機(jī)自控、遙控技術(shù)； d.用化學(xué)藥劑（減阻劑、降凝劑）降低能耗。,3、管道運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn),(1) 長距離輸油管道分類,① 原油管道(crude oil trunk line)：特點(diǎn)是輸量大，運(yùn)距長，管徑大，分輸點(diǎn)少。起點(diǎn)一般為油田，終點(diǎn)一般是煉廠或港口。,② 成品油管道(products pipeline)：特點(diǎn)是所輸油品品種多，批量多，分油點(diǎn)多，采用順序輸送。起點(diǎn)一般為煉廠，終點(diǎn)一般為消

12、費(fèi)地區(qū)的儲油庫和分配油庫。,(2) 管輸?shù)奶攸c(diǎn),下表是美國1975－1980年各年原油和成品油運(yùn)輸中各種運(yùn)輸工具所占的比例：％,年 管道 水運(yùn) 公路 鐵路 總運(yùn)量(億噸)1975 48.02 22.06 28.42 1.50 18.321976 48.02 21.86 28.75 1.37 19.451977 47.95 2

13、1.72 28.94 1.39 20.561978 46.24 23.68 28.88 1.20 21.241979 46.66 23.45 28.68 1.21 20.961980 46.21 25.57 27.04 1.18 19.92,由上表看出，管道運(yùn)輸是原油和成品油的主要運(yùn)輸方式。我國已把管道、

14、鐵路、水路、公路和空運(yùn)并列為5種主要的運(yùn)輸方式。,下表為我國1991~2000年原油運(yùn)輸中的各種運(yùn)輸工具所占的比例.,年份 運(yùn)輸總量 鐵路 水運(yùn) 管道 年 萬噸 % % %

15、1991 18615.60 7.20 26.90 1992 18311.50 7.20 26.20 66.60 1993 18309.13 9.10 24.20

16、 66.70 1994 17790.98 8.28 25.27 66.45 1995 17507.09 9.80 23.00 67.20 1996 17125.96

17、9.90 21.15 68.97 1997 17037.00 10.40 19.30 70.20 1998 18186.53 9.71 17.59 72

18、.70 1999 17811.27 10.14 15.19 74.67 2000 18911.28 8.97 12.36 78.67注: (1)1998-2000 年水運(yùn)不包括進(jìn)口運(yùn)量 390kt、 2640kt和 1

19、6950kt。 (2) 運(yùn)輸總量均未包括汽車運(yùn)量 ( 每年 300 0kt-5000kt) 。,下表為2000年國內(nèi)成品油運(yùn)輸中各種運(yùn)輸方式比例 鐵路 水運(yùn) 公路 管道 % % % %中國石油 62.9

20、 19.4 11.8 5.9中國石化 61.6 23.9 14.5 1.8全國 61.4 22.7 13.3 2.6,管道運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)：,① 運(yùn)量大，固定資產(chǎn)投資小（與鐵路相比） 。,⑥ 管道運(yùn)輸適于大量、單向、定點(diǎn)的運(yùn)輸，不如鐵路、公路運(yùn)輸靈活。,⑤ 占地少，受地形限制小。,④ 運(yùn)價(jià)低，

21、耗能少。,③ 便于管理，易于實(shí)現(xiàn)集中控制，勞動(dòng)生產(chǎn)率高。,② 受外界限制少，可長期穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行，對環(huán)境 的污染小。,一條720管線的輸量約等于一條單線鐵路的運(yùn)量，但造價(jià)不如鐵路的1/2。,管線埋于地下，基本不受惡劣氣候的影響，油氣污染和噪聲污染都比鐵路小得多。,原蘇聯(lián)管線運(yùn)價(jià)約為鐵路的1/2，美國約為鐵路的1/7-1/10 ，我國目前基本與鐵路持平。,管線埋于地下，地面仍可耕種。鐵路的坡度一般不能超過30度，而管線不受坡度的限制，有利于

22、翻山越嶺，取捷徑，起終點(diǎn)相同的兩地間，管線的長度一般要比鐵路短30%。,4、我國輸油管道概況,1958年以前，我國輸油管道還是一個(gè)空白。1958年，我國修建了第一條長輸管道：克拉瑪依—獨(dú)山子原油管道。隨著我國石油工業(yè)的發(fā)展，20世紀(jì)70年代開始興建大型輸油管道，我國管道工業(yè)進(jìn)入第一個(gè)發(fā)展高潮,建設(shè)的管道主要是原油管道。到目前為止,我國鋪設(shè)的百公里以上的原油長輸管道60余條,管徑為159～720，形成了具有一定規(guī)模的原油管網(wǎng)(見全國油氣管

23、線分布圖)。,我國管道工業(yè)繼第一個(gè)發(fā)展高潮之后，于20世紀(jì)90年代中期逐漸進(jìn)入第二個(gè)發(fā)展高潮，而且目前已經(jīng)處在發(fā)展高潮之中。此次發(fā)展高潮以天然氣管道和成品油管道建設(shè)為主。近幾年來，我國已經(jīng)建成的或正在興建中的成品油管道有：1973年建成的跨越世界屋脊的格爾木-拉薩的成品油管道（也是我國的第一條成品油管道）、撫順至營口的成品油管道、北京至塘沽的成品油管道、蘭州-成-渝成品油管道、鎮(zhèn)海至蕭山成品油管道、魯皖成品油管道（起點(diǎn)為青島大煉油）、珠

24、江三角洲成品油管道、茂名至昆明成品油管道、烏魯木齊-蘭州的西部成品油管道、蘭州-鄭州-長沙的成品油管道、和計(jì)劃建設(shè)的撫順-鄭州的成品油管道等，逐步形成了規(guī)模較大的成品油管網(wǎng)（全國油氣管道分布圖）。,已經(jīng)建成和正在興建的大型輸氣管道有：陜京輸氣管道、西氣東輸管道（正在建二線）、澀北西寧蘭州天然氣管道、忠縣至武漢天然氣管道、安平-濟(jì)南-青島輸氣管道、川氣東送管道、環(huán)珠江三角洲液化天然氣管道、海南-香港天然氣管道、平湖至上海的海底天然氣管道等

25、（全國油氣管道分布圖）。,正準(zhǔn)備興建的管道還有中俄天然氣管道、中俄原油管道(正在建設(shè))，遠(yuǎn)景規(guī)劃可能還有吐庫曼斯坦至中國的天然氣管道、西西伯利亞至中國天然氣管道，以及蘇里格氣田的外輸管道等。截止2003年底，我國油氣管道總長45899km，其中大陸地區(qū)的原油管道總長15915km，成品油管道共計(jì)6525km，海底管道2126km。加上近幾年修建的成品油和原油管道，總里程已超過55000km。,由于離心泵具有排量大、揚(yáng)程高、效率高、流量

26、調(diào)節(jié)方便、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，在長輸管道上得到廣泛應(yīng)用。長距離輸油管道均采用離心泵，很少使用其他類型的泵。,離心泵的型式有兩種：,(1)多級（高壓）泵:排量較小,又稱為并聯(lián)泵；,(2)單級（低壓）泵:排量大，揚(yáng)程低，又稱為串聯(lián)泵。,1、長輸管道用泵,一般來說，輸油泵站上均采用單一的并聯(lián)泵或串聯(lián)泵，很少串并聯(lián)泵混合使用，有時(shí)可能在大功率并聯(lián)泵或串聯(lián)泵前串聯(lián)低揚(yáng)程大排量的給油泵，以提高主泵的進(jìn)泵壓力。,二、輸油泵站的工作特性,長距離輸油管道是耗

27、能大戶，而輸油主泵輸油管道的主要耗能設(shè)備，因此提高輸油主泵的效率是提高輸油管道經(jīng)濟(jì)效益的重要途徑。如果將我國目前輸油管道的輸油主泵效率由70%左右提高85%左右，輸油電耗將減少20%以上。因此，在輸油管道的日常管理中，加強(qiáng)對輸油主泵的維修保養(yǎng)，使其始終處于高效狀態(tài)，對提高輸油管道的經(jīng)濟(jì)效益非常重要。,輸油泵原動(dòng)機(jī),⑴ 電動(dòng)機(jī),⑵ 柴油機(jī),⑶ 燃?xì)廨啓C(jī),輸油泵的原動(dòng)機(jī)應(yīng)根據(jù)泵的性能參數(shù)、原動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)、能源供應(yīng)情況、管道自控及調(diào)節(jié)方式等因素

28、決定。分為 ：,電動(dòng)機(jī)具有體積小、重量輕、噪音低、運(yùn)行平穩(wěn)可靠、便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制等優(yōu)點(diǎn)，對于電力供應(yīng)充足的地區(qū)一般均采用電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)。其缺點(diǎn)是調(diào)速困難，需要專門的調(diào)速裝置。但對于電網(wǎng)覆蓋不到的地區(qū)，是否采用電動(dòng)機(jī)要進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較。如果需要架設(shè)長距離輸電線路，采用電動(dòng)機(jī)是不合適的。,與電動(dòng)機(jī)相比，柴油機(jī)有許多不足之處：體積大、噪音大、運(yùn)行管理不方便、易損件多、維修工作量大、需要解決燃料供應(yīng)問題。其優(yōu)點(diǎn)是可調(diào)速。對于未被電網(wǎng)覆蓋或電力供應(yīng)

29、不足的地區(qū)，采用柴油機(jī)可能更為經(jīng)濟(jì)。,燃?xì)廨啓C(jī)單位功率的重量和體積都比柴油機(jī)小得多，可以用油品和天然氣作燃料，不用冷卻水，便于自動(dòng)控制，運(yùn)行安全可靠，功率大，轉(zhuǎn)速可調(diào)。一些退役的航空發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)改型后可用于驅(qū)動(dòng)離心泵。對于偏遠(yuǎn)地區(qū)的大型油氣管線，采用燃?xì)廨啓C(jī)可能是比較好的選擇。如橫貫阿拉斯加管線采用的就是改型后的航空燃?xì)廨啓C(jī)。,2、離心泵的工作特性,(1) 離心泵的特性方程,對于電動(dòng)離心泵機(jī)組，目前原動(dòng)機(jī)普遍采用異步電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)速為常數(shù)。因此

30、H=f(q)，揚(yáng)程是流量的單值函數(shù)，一般可用二次拋物線方程H=a-bq2表示。,對于長輸管道，常采用H=a-bq2-m的形式，其中a、b為常數(shù)，可根據(jù)泵特性數(shù)據(jù)由最小二乘法求得；m與流態(tài)有關(guān)；q為單泵排量。采用上式描述泵特性，與實(shí)測值的最大偏差≯2%。,(2) 改變泵特性的方法,改變泵特性的方法主要有：,①切削葉輪,式中：D0、D —變化前后的葉輪直徑，mm a、b—與葉輪直徑D0 對應(yīng)的泵特性方程中的常系數(shù),②改

31、變泵的轉(zhuǎn)速,n－調(diào)速后泵的轉(zhuǎn)速，r/min,n0－調(diào)速前泵的轉(zhuǎn)速，r/min,a、b－與轉(zhuǎn)速n0 對應(yīng)的泵特性方程中的常系數(shù),式中：,③多級泵拆級 多級泵的揚(yáng)程與級數(shù)成正比，拆級后，泵的揚(yáng)程按比例降低。但級數(shù)不能拆得太多，否則，泵的效率會降低。,④進(jìn)口負(fù)壓調(diào)節(jié),進(jìn)口負(fù)壓調(diào)節(jié)一般只用于小型離心泵，大型離心泵一般要求正壓進(jìn)泵，不能采用此方法。多數(shù)采用切削葉輪或改變泵的轉(zhuǎn)速（串級調(diào)速和液力藕合器等）。對于多級泵可首先考慮采用拆級的方法改變

32、泵特性。,⑤油品粘度對離心泵特性的影響,一般當(dāng)粘度大于60×10-6m2/s時(shí)要進(jìn)行泵特性的換算。,3、輸油泵站的工作特性,輸油泵站的工作特性可用H=f(Q)表示,輸油泵的基本組合方式一般有兩種：串聯(lián)和并聯(lián),(1) 并聯(lián)泵站的工作特性,,并聯(lián)泵站的特點(diǎn) ：,泵站的流量等于正在運(yùn)行的輸油泵的流量之和，每臺泵的揚(yáng)程均等于泵站的揚(yáng)程。即：,設(shè)有n1臺型號相同的泵并聯(lián)，即,,注意 ：,泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，在改變運(yùn)行的泵機(jī)組數(shù)時(shí)，要防止電機(jī)過

33、載。,即：,例如兩臺泵并聯(lián)時(shí)，若一臺泵停運(yùn)，由特性曲線知，單泵的排量q>Q/2，排量增加，功率上升，電機(jī)有可能過載。,(2) 串聯(lián)泵站的工作特性,,① 各泵流量相等，q=Q,設(shè)有n2臺型號相同的泵串聯(lián)，則：,② 泵站揚(yáng)程等于各泵揚(yáng)程之和：,特點(diǎn)：,(3) 串、并聯(lián)泵機(jī)組數(shù)的確定,選擇泵機(jī)組數(shù)的原則主要有四條：,①滿足輸量要求；,②充分利用管路的承壓能力；,③泵在高效區(qū)工作；,④泵的臺數(shù)符合規(guī)范要求（一般不超過四臺）。,① 并聯(lián)泵機(jī)

34、組數(shù)的確定,其中 :,Q為設(shè)計(jì)輸送能力，q為單泵的額定排量 。,顯然 不一定是整數(shù) ，只能取與之相近的整數(shù)，這就是泵機(jī)組數(shù)的化整問題。,如果管線的發(fā)展趨勢是輸量增加，則應(yīng)向大化，否則向小化。一般情況下要向大化。,由此可見并聯(lián)泵的臺數(shù)主要根據(jù)輸量確定，而泵的級數(shù)（揚(yáng)程）則要根據(jù)管路的設(shè)計(jì)工作壓力確定。另外根據(jù)規(guī)范規(guī)定，泵站至少設(shè)一臺備用泵。,② 串聯(lián)泵,,其中：[H] 為管路的許用強(qiáng)度（或設(shè)計(jì)工作壓力）

35、H 為單泵的額定揚(yáng)程。,一般來說，串聯(lián)泵的臺數(shù)應(yīng)向小化，如果向大化，則排出壓力可能超過管子的許用強(qiáng)度，是很危險(xiǎn)的。串聯(lián)泵的額定排量根據(jù)管線設(shè)計(jì)輸送能力確定。,(4)串、并聯(lián)組合形式的確定,① 從經(jīng)濟(jì)方面考慮，串聯(lián)效率較高，比較經(jīng)濟(jì)。我國并聯(lián)泵的效率一般只有70%-80%，而串聯(lián)泵的效率可達(dá)90%。串聯(lián)泵的特點(diǎn)是：揚(yáng)程低、排量大、葉輪直徑小、流通面積大，故泵損失小，效率高。,② 串聯(lián)泵便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和優(yōu)化運(yùn)行。,目前國內(nèi)管線使用的基本上

36、都是并聯(lián)泵組合形式，節(jié)流損失大，調(diào)節(jié)困難，不易實(shí)現(xiàn)密封輸送。因此，東部管線改造的一個(gè)重要任務(wù)是并聯(lián)泵改串聯(lián)泵，進(jìn)而改旁接油罐流程為密閉流程，實(shí)行優(yōu)化運(yùn)行。,不存在超載問題調(diào)節(jié)方便流程簡單調(diào)節(jié)方案多,1、輸油管道的壓降組成,根據(jù)流體力學(xué)理論，輸油管道的總壓降可表示為：,其中：hL為沿程摩阻 hξ為局部摩阻 (zj-zQ) 為計(jì)算高程差,三、輸油管道的壓降計(jì)算,2、水力摩阻系數(shù)的計(jì)算,計(jì)

37、算長輸管道的摩阻損失主要是計(jì)算沿程摩阻損失 hL 。,達(dá)西公式 ：,對于一條給定的長輸管道，L和D都是已知的，輸量（或流速）也是已知的，現(xiàn)在的問題就是如何計(jì)算水力摩阻系數(shù) λ。,根據(jù)流體力學(xué)理論,其中：e為管壁的絕對粗糙度，D為管道內(nèi)徑。,λ是Re和e/D 的二元函數(shù)，具體的函數(shù)關(guān)系視流態(tài)而定。,在解決工程實(shí)際問題時(shí)，為了安全，一般盡量避開過渡區(qū)，因該區(qū)的流態(tài)不穩(wěn)定。實(shí)在無法避開時(shí)，該區(qū)的λ可按紊流光滑區(qū)計(jì)算。,流態(tài)：分為層流和紊流，中

38、間還存在一個(gè)過濾區(qū)。,(1) 流態(tài)劃分和輸油管道的常見流態(tài),層流：Re≤2000 過渡流：2000Re2 （簡稱粗糙區(qū)）,我國《輸油管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的流態(tài)劃分標(biāo)準(zhǔn)是：,其中：,輸油管道中所遇到的流態(tài)一般為：,熱含蠟原油管道、大直徑輕質(zhì)成品油管道：水力光滑區(qū) 小直徑輕質(zhì)成品油管道：混合摩擦區(qū) 高粘原油和燃料油管道：層流區(qū),長輸管道一般很少工作在粗糙區(qū)。,(2) 管壁粗糙度的確定,管壁粗糙度 ：,相對粗糙度：絕

39、對粗糙度與管內(nèi)徑的比值(e/D或2e/D)。,絕對粗糙度：管內(nèi)壁面突起高度的統(tǒng)計(jì)平均值。,紊流各區(qū)分界雷諾數(shù)Re1、Re2及水力摩阻系數(shù)都與管壁粗糙度有關(guān)。我國《輸油管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定的各種管子的絕對粗糙度如下：,無縫鋼管：0.06mm直縫鋼管：0.054mm 螺旋焊縫鋼管：DN=250～350時(shí)取0.125mm DN>400時(shí)取0.1mm,(3) 水力摩阻系數(shù)的

40、計(jì)算,我國輸油管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的各區(qū)水力摩阻系數(shù)的計(jì)算公式見下表：,普朗特-卡門公式,勃拉休斯公式,伊薩耶夫公式,尼古拉茲公式,3、流量壓降綜合計(jì)算公式—列賓宗公式,令,整理得,即得到列賓宗公式：,不同流態(tài)下的A、m、β值,不論是采用列賓宗公式還是達(dá)西公式計(jì)算壓降，都必須先確定計(jì)算溫度，以便計(jì)算油品粘度。計(jì)算溫度可根據(jù)管道的起終點(diǎn)溫度（或加熱站間進(jìn)出站溫度）按加權(quán)平均法計(jì)算：,4、管路的水力坡降,定義：管道單位長度上的摩阻損失

41、稱為水力坡降。用 i 表示：,或,水力坡降與管道長度無關(guān)，只隨流量、粘度、管徑和流態(tài)不同而不同。,在計(jì)算和分析中經(jīng)常用到單位輸量(Q=1m3/s)的水力坡降f，即單位流量下、單位管道長度上的摩阻損失：,5、管路工作特性,定義：,已定管路（D , L , △Z 一定）輸送某種已定粘度油品時(shí)，管路所需總壓頭（即壓頭損失）與流量的關(guān)系（H-Q關(guān)系）稱為管路工作特性。,6、離心泵與管路的聯(lián)合工作,確定泵站與管路的工作點(diǎn)（即流量、泵站揚(yáng)程）的

42、方法有兩種，即圖解法和解析法。,圖解法：,下面重點(diǎn)討論解析法。,(1) 一個(gè)泵站的管道,由斷面1-1到2-2列能量方程有：,式中：,HS1－泵的吸入壓力，為常數(shù)。,HC －泵站揚(yáng)程,hc －站內(nèi)損失,hL －沿程摩阻,Z2-Z1－起終點(diǎn)計(jì)算高差,即：,(2) 多泵站與管路的聯(lián)合工作,① 旁接油罐輸油方式（也叫開式流程）,,優(yōu)點(diǎn),,水擊危害小，對自動(dòng)化水平要求不高。,缺點(diǎn),流程和設(shè)備復(fù)雜，固定資產(chǎn)投資大；,油氣損耗嚴(yán)重；,全線難

43、以在最優(yōu)工況下運(yùn)行，能量浪費(fèi)大 。,工作特點(diǎn),每個(gè)泵站與其相應(yīng)的站間管路各自構(gòu)成獨(dú)立的水力系統(tǒng);,上下站輸量可以不等（由旁接罐調(diào)節(jié)）；,各站的進(jìn)出站壓力沒有直接聯(lián)系 ；,站間輸量的求法與一個(gè)泵站的管道相同 ：,Lj、△Zj－第j站至第j＋1站間的計(jì)算長度和計(jì)算高差;,Aj、Bj－第 j 站的站特性方程的系數(shù)。,式中：,② 密閉輸油方式（也叫泵到泵流程）,優(yōu)點(diǎn):,全線密閉，中間站不存在蒸發(fā)損耗；,流程簡單，固定資產(chǎn)投資?。?可全部利用上

44、站剩余壓頭，便于實(shí)現(xiàn)優(yōu)化運(yùn)行。,缺點(diǎn)：,要求自動(dòng)化水平高，要有可靠的自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)。,工作特點(diǎn),全線為一個(gè)統(tǒng)一的水力系統(tǒng)，全線各站流量相同；,輸量由全線所有泵站和全線管路總特性決定；,設(shè)全線有n個(gè)泵站，各站特性相同，則輸量為：,,式中：,Lj為管道計(jì)算長度,△Z為管道計(jì)算高程差,當(dāng)各站特性不同時(shí)：,各站進(jìn)、出站壓力相互影響。,首站：,第二站：由站間能量平衡方程 :,,第 j 站：,式中：,Lj-1為第j -1站到第j 站的管道長度，,△Z

45、j-1為第j站與第j -1站的高程差,設(shè)有一條熱油管道 ，管外徑為 D ，周圍介質(zhì)溫度為 T0 , 總傳熱系數(shù)為 K ,輸量為 G ，油品的比熱為C ，出站油溫為 TR，加熱站間距為 LR。則距加熱站為L的地方的油溫為：,上式為考慮摩擦熱時(shí)的軸向溫降計(jì)算公式，又叫列賓宗溫降公式。,式中,四、原油管道的溫降計(jì)算,1、軸向溫降公式,右圖為軸向溫降曲線，其特點(diǎn)是：,①溫降曲線為一指數(shù)曲線，漸近線為 T=T0+b,②在兩個(gè)加熱站之間的管路上，

46、各處的溫度梯度不同，加熱站出口處，油溫高，油流與周圍介質(zhì)的溫差大，溫降快，曲線陡。,隨油流的前進(jìn)，溫降變慢，曲線變平。因此隨出站溫度的提高，下一站的進(jìn)站油溫TZ變化較小。一般如果TR提高10℃，下一站進(jìn)站油溫TZ只升高2～3℃ 。因此為了減少熱損失，出站油溫不宜過高。,2、溫度參數(shù)的確定,確定加熱站的進(jìn)、出站溫度時(shí)，需要考慮三方面的因素：,①油品的粘溫特性和其它的物理性質(zhì)；,②管道的停輸時(shí)間，熱脹和溫度應(yīng)力等因素；,③經(jīng)濟(jì)比較，使總的能

47、耗費(fèi)用最低。,⑴ 加熱站出站油溫的選擇,考慮到原油中難免含水，加熱溫度一般不超過100℃。如原油加熱后進(jìn)泵，則其加熱溫度不應(yīng)高于初餾點(diǎn)，以免影響泵的吸入。,含蠟原油在凝點(diǎn)附近粘度隨溫度變化很大，而當(dāng)溫度高于凝點(diǎn)30-40℃時(shí)，粘度隨溫度的變化很小，而且含蠟原油管道常在紊流光滑區(qū)運(yùn)行，摩阻與粘度的0.25次方成正比，高溫時(shí)提高溫度對摩阻的影響很小，而熱損失卻顯著增大，故加熱溫度不宜過高。,確定出站溫度時(shí)，還必須考慮由于運(yùn)行和安裝溫度的溫差

48、而使管路遭受的溫度應(yīng)力是否在強(qiáng)度允許的范圍內(nèi)，以及防腐保溫層的耐熱能力是否適應(yīng)等。,⑵ 加熱站進(jìn)站油溫的選擇,加熱站進(jìn)站油溫首先要考慮油品的性質(zhì)，主要是油品的凝固點(diǎn)，必須滿足管道的停輸溫降和再啟動(dòng)的要求，但主要取決于經(jīng)濟(jì)比較，故其經(jīng)濟(jì)進(jìn)站溫度常略高于凝點(diǎn)。,⑶ 周圍介質(zhì)溫度 T0 的確定,對于架空管道，T0 就是周圍大氣的溫度。,對于埋地管道，T0則取管道埋深處的土壤自然溫度。,設(shè)計(jì)原油管道時(shí), T0取管道中心埋深處的最低月平均地溫，運(yùn)

49、行時(shí)按當(dāng)時(shí)的實(shí)際地溫進(jìn)行計(jì)算。,3、軸向溫降公式的應(yīng)用,⑴ 設(shè)計(jì)時(shí)確定加熱站間距(加熱站數(shù)),設(shè)計(jì)時(shí)，L、D、G、K、C、T已定, 按上述原則選定TR和 TZ ，則加熱站間距為:,設(shè)計(jì)的加熱站間距為:,,然后重新計(jì)算TR。,⑵ 運(yùn)行中計(jì)算沿程溫降, 特別是計(jì)算為保持要求的進(jìn)站溫度 TZ 所必須的加熱站出站溫度 TR 。,⑶ 校核站間允許的最小輸量Gmin,⑷ 運(yùn)行中反算總傳熱系數(shù) K 值,總傳熱系數(shù)是熱油管線設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理中的重要參數(shù)

50、，在管線的日常運(yùn)行管理中定期反算和分析管線的總傳熱系數(shù)不僅可為新建管線提供選擇總傳熱系數(shù)的依據(jù)，而且還可根據(jù)總傳熱系數(shù)的變化分析管線沿線的散熱和結(jié)蠟情況，幫助指導(dǎo)生產(chǎn)：,若K↓，如果此時(shí)Q↓，H↑，則說明管壁結(jié)蠟可能較嚴(yán)重，應(yīng)采取清蠟措施。,若K↑，則可能是地下水位上升，或管道覆土被破壞、保溫層進(jìn)水等。,在熱油管道的運(yùn)行管理中，通常根據(jù)管線的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)（管線的輸量、站間起終點(diǎn)溫度和壓力、管線中心埋深處的自然地溫等）利用軸向溫降公式來反

51、算管道總傳熱系數(shù)。計(jì)算方法如下：,式中：K ── 管線的總傳熱系數(shù)，W/m2℃； TR ── 管線起點(diǎn)油溫，℃； Tz ── 管線終點(diǎn)油溫，℃； G ── 原油質(zhì)量流量，kg/s； C ── 原油比熱，J/kg℃； T0 ── 管線中心埋深處自然地溫，℃； i ── 管線的水力坡降；

52、 g ── 重力加速度，g=9.8m/s2； D ── 管線外徑，m； L ── 管線長度，m。,管線的水力坡降可根據(jù)實(shí)測的站間壓降和站間高程差計(jì)算：,式中：P1 ── 管線起點(diǎn)壓力，MPa； P2 ── 管線終點(diǎn)壓力，MPa； z1 ── 管線起點(diǎn)高程，m； z2 ── 管線起點(diǎn)高程，m；

53、 ρ ── 原油密度，kg/m3。,由于軸向溫降公式的前提是穩(wěn)定運(yùn)行工況，因此管線運(yùn)行工況的穩(wěn)定性對總傳熱系數(shù)測試結(jié)果有重大影響，運(yùn)行工況不穩(wěn)定可能會導(dǎo)致極不合理的總傳熱系數(shù)計(jì)算結(jié)果。因此，在反算總傳熱系數(shù)時(shí)，應(yīng)當(dāng)選取管線穩(wěn)定運(yùn)行期間的運(yùn)行參數(shù)。由軸向溫降公式可知，影響總傳熱系數(shù)計(jì)算結(jié)果的運(yùn)行參數(shù)包括輸量、管線起終點(diǎn)壓力和溫度，其中影響最大、測量精度最難保證的是管線起終點(diǎn)溫度。目前大多數(shù)輸油管線仍然采用套管中插玻璃溫度

54、計(jì)的方法測量油度，由于套管熱阻、溫度計(jì)本身誤差和讀數(shù)誤差等原因，測量結(jié)果很難反映管線中的實(shí)際油溫，誤差常在1℃以上，當(dāng)站間溫降較小時(shí)，會給總傳熱系數(shù)測試結(jié)果帶來較大誤差。另外，站間溫降越小，抵抗運(yùn)行參數(shù)波動(dòng)和測量誤差的能力越差，總傳熱系數(shù)計(jì)算結(jié)果的誤差就越大。,輸油管線中心埋深處的自然地溫是影響總傳熱系數(shù)計(jì)算結(jié)果的重要因素。為了保證測量精度，必須選擇合適的測溫地點(diǎn)和測溫儀表。在某些管線上，目前測量地溫的方法仍然是在套管中懸掛玻璃地溫計(jì)的

55、方法，由于地溫計(jì)不直接與土壤接觸，且讀數(shù)時(shí)常常需要將地溫計(jì)向上提升一段距離，測量結(jié)果與實(shí)際地溫有時(shí)偏差相當(dāng)大。例如對于東辛管線，夏季地溫計(jì)的讀數(shù)經(jīng)常高達(dá)29～30℃，而氣象臺的測量結(jié)果僅為24～25℃。,4、油流過泵的溫升,油流經(jīng)過泵時(shí)，由于流道、葉片摩擦、液體內(nèi)部的沖擊和摩擦，會產(chǎn)生能量損失，轉(zhuǎn)化為摩擦熱加熱油流。,輸油泵內(nèi)能量損失包括機(jī)械、水力、容積和盤面摩擦等項(xiàng)損失，泵效ηp就是考慮了上述損失計(jì)算出來的。除機(jī)械損失所產(chǎn)生的熱量主要

56、由潤滑油和冷卻水帶走外，其余三部分能量損失大都轉(zhuǎn)化為摩擦熱加熱油流。,設(shè)泵效為ηp、揚(yáng)程為H、質(zhì)量流量為G、原油比熱為C，則油流過泵的溫升為：,式中,對于揚(yáng)程為600m, ηp=70%的離心泵，原油過泵的溫升約為1℃。,閥門節(jié)流引起的溫升可按同樣的方法計(jì)算：,5、熱力計(jì)算所需的主要物性參數(shù),(1)原油比熱,我國含蠟原油的比熱容隨溫度的變化趨勢均可用下圖所示的曲線描述，,Ⅰ區(qū) ：,油溫 T 高于析蠟點(diǎn)TsL，比熱容CLY 隨溫度升高而緩慢

57、升高。在這個(gè)區(qū), 石蠟還未析出，可用下式表示:,式中 ：,d415為15℃時(shí)原油的比重 。,可將其分為三個(gè)區(qū):,(kJ/kg ℃),Ⅱ區(qū):,Tcmax<T<TsL。Tcmax為比熱容達(dá)到最大值時(shí)的溫度。在該區(qū)，隨油溫的降低，比熱容急劇上升。該區(qū)內(nèi)有大量石蠟析出，比熱容溫度關(guān)系可表示為:,其中A、n為與原油有關(guān)的常數(shù)。,Ⅲ區(qū):,0≤T≤Tcmax。在該區(qū)內(nèi)，隨油溫的降低比熱容減小，其關(guān)系可表示為:,式中B、m為與原油有關(guān)的常數(shù)

58、。,(kJ/kg ℃),(kJ/kg ℃),(2)原油導(dǎo)熱系數(shù),液態(tài)石油產(chǎn)品的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度而變化，可按下式計(jì)算,式中：,λy—油品在 T ℃時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)，W/m℃；,T —油溫，℃；,,d415—15℃時(shí)原油的比重 。,(3)原油粘度,粘溫指數(shù)關(guān)系式,式中：,υ1、υ2—溫度 T1、T2 時(shí)油品的運(yùn)動(dòng)粘度,u —粘溫指數(shù),該式適用于低粘度的成品油及部分重燃料油，不適用于含蠟原油。對于含蠟原油，采用該公式時(shí)可分段寫出其粘溫指數(shù)方程。不

59、同的油品有不同的u值，一般規(guī)律是低粘度的油u值小，約在0.01～0.03之間；高粘度的油u值大，約在0.06～0.10之間,(4)原油品密度,6、熱油管道的總傳熱系數(shù)K,管道總傳熱系數(shù)K系指油流與周圍介質(zhì)溫差1℃時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)通過管道單位面積所傳遞的熱量。它表示了油流向周圍介質(zhì)散熱的強(qiáng)弱 。,,以埋地管道為例，管道散熱的傳熱過程由三部分組成：即油流至管壁的放熱，鋼管壁、防腐絕緣層或保溫層的熱傳導(dǎo)，管外壁至周圍土壤的傳熱（包括土壤的導(dǎo)熱和

60、土壤對大氣和地下水的放熱）。其總傳熱系數(shù)可用下式計(jì)算：,在輸油管道的各層熱阻中，管內(nèi)油流至管內(nèi)壁的對流放熱熱阻占的比例很小，不到1%，鋼管壁的熱阻占的比例更小，這兩項(xiàng)熱阻通?？珊雎圆挥?jì)。對于埋地不保溫管道，防腐絕緣層的熱阻約占10%左右，管外壁至土壤的放熱熱阻約占90%左右。保溫管道的熱阻主要取決于保溫層。由于計(jì)算埋地管道的總傳熱系數(shù)時(shí)要用到土壤的導(dǎo)熱系數(shù)，而土壤的導(dǎo)熱系數(shù)受許多因素的影響，不同季節(jié)、不同地方的導(dǎo)熱系數(shù)相差很大，故在實(shí)

61、際應(yīng)用中，一般不采用上述公式計(jì)算管道的總傳熱系數(shù)，而是根據(jù)已有管道反算得到的總傳熱系數(shù)選取。,五、輸油管道運(yùn)行工況分析與調(diào)節(jié),1、工況變化原因及運(yùn)行工況分析方法,以“密閉輸送”方式運(yùn)行的輸油管道，有許多因素可以引起運(yùn)行工況的變化，可將其分為正常工況變化和事故工況變化。,(1) 正常工況變化,① 季節(jié)變化、油品性質(zhì)變化引起的全線工況變化，如油品的ρ、ν變化；,② 由于供銷的需要，有計(jì)劃地調(diào)整輸量、間歇分油或收油導(dǎo)致的工況變化。,(2) 事

62、故工況變化,① 電力供應(yīng)中斷導(dǎo)致某中間站停運(yùn)或機(jī)泵故障使某臺泵機(jī)組停運(yùn)；,② 閥門誤開關(guān)或管道某處堵塞；,③ 管道某處漏油。,不論是正常工況變化還是事故工況變化，都會引起運(yùn)行參數(shù)的變化。這些參數(shù)主要包括輸量，各站的進(jìn)出站壓力及泵效等。嚴(yán)重時(shí)，會使某些參數(shù)超出允許范圍。為了維持輸送，必須對各站進(jìn)行調(diào)節(jié)。為了對各站進(jìn)行正確無誤的調(diào)節(jié)，事先必須知道工況變化時(shí)各種參數(shù)的變化趨勢。因此，掌握輸油管運(yùn)行工況的分析方法，對于管理好一條輸油管道是十分重

63、要的。,(3) 運(yùn)行工況的分析方法,突然發(fā)生工況變化時(shí)（如某中間站停運(yùn)或有計(jì)劃地調(diào)整輸量而啟、停泵），在較短時(shí)間內(nèi)全線運(yùn)行參數(shù)劇烈變化，屬于不穩(wěn)定流動(dòng)。我們這里不討論不穩(wěn)定流動(dòng)工況，只討論變化前后的穩(wěn)定工況。為此，我們假設(shè)在各種工況變化的情況下，經(jīng)過一段時(shí)間后，全線將轉(zhuǎn)入新的穩(wěn)定工況。,運(yùn)行分析的出發(fā)點(diǎn)是能量供求平衡。,2、幾種事故工況下的運(yùn)行參數(shù)變化趨勢,(1) 中間泵站停運(yùn)時(shí)的工況變化,對于密閉輸送的長輸管道，當(dāng)中間某泵站停運(yùn)時(shí)，管

64、線的輸量將減小，停運(yùn)站前各站的進(jìn)出站壓力均升高，停運(yùn)站后各站的進(jìn)出站壓力均下降，離停運(yùn)站越近的站進(jìn)出站壓力變化越大。對于以旁接油罐方式運(yùn)行的長輸管道，中間某站停運(yùn)后，停運(yùn)站后面一站的來油量將明顯減小，具體表現(xiàn)是該站旁接油罐的罐位將不斷下降，各個(gè)站的進(jìn)出站壓力無明顯變化。,密閉輸送的長輸管道發(fā)生泄漏后，漏點(diǎn)前的流量增大，漏點(diǎn)后流量減小，全線各站進(jìn)出站壓力均下降，且距漏點(diǎn)越近的站進(jìn)出站壓力下降幅度愈大。根據(jù)進(jìn)出站壓力的變化可判斷泄漏點(diǎn)的

65、大體位置。但這種方法只能判斷較大的泄漏量，因?yàn)樾÷c(diǎn)引起的壓力變化不明顯。如果出現(xiàn)全線壓力有較大下降、且全線各站輸油泵運(yùn)轉(zhuǎn)正常這種情況，就可以斷定管線某處發(fā)生了較大的泄漏，此時(shí)應(yīng)根據(jù)各站壓力變化的幅度判斷出泄漏點(diǎn)所處的站間，然后排出巡線隊(duì)伍查找漏點(diǎn)，同時(shí)為了減少泄漏量，應(yīng)降低管道的運(yùn)行壓力。,(2) 干線泄漏后的工況變化,3、輸油管道的調(diào)節(jié),輸油管道的調(diào)節(jié)是通過改變管道的能量供應(yīng)或改變管道的能量消耗，使之在給定的輸量條件下，達(dá)到新的能量

66、供需平衡，保持管道系統(tǒng)不間斷、經(jīng)濟(jì)地輸油。,(1) 調(diào)節(jié)的分類,管道的調(diào)節(jié)就是人為地對輸油工況加以控制。從廣義上說，調(diào)節(jié)分為輸量調(diào)節(jié)和穩(wěn)定性調(diào)節(jié)兩種情況。,① 輸量調(diào)節(jié),首站從油田的收油是不均衡的，一年之內(nèi)各季不均衡，甚至各個(gè)月份也有差別；末站向外轉(zhuǎn)油受運(yùn)輸條件或煉廠生產(chǎn)情況的影響，有時(shí)出路不暢。這些來油和轉(zhuǎn)油的不均衡必然使管道的輸量相應(yīng)變化，這些輸量的改變要靠調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)。 旁接油罐輸送的管道要求各泵站的排量接近一致，否則旁接油罐容納

67、不了過大的輸差量，而要保持各站排量一致也要對全線進(jìn)行調(diào)節(jié)。,② 穩(wěn)定性調(diào)節(jié)（即自動(dòng)調(diào)節(jié)）,密閉輸送的管道為了維持輸油泵的正常工作和管道的安全運(yùn)行，要求中間站的入口壓力不能過低，出口壓力不能過高。輸送工況不穩(wěn)定表現(xiàn)在泵站進(jìn)出口壓力的波動(dòng)。當(dāng)壓力波動(dòng)超出規(guī)定值時(shí)，就要對管線進(jìn)行調(diào)節(jié)。工況不穩(wěn)定不包括前面所說的調(diào)節(jié)輸量的情況，因調(diào)節(jié)輸量產(chǎn)生的大幅度工況變化是由計(jì)劃產(chǎn)生的，并通過調(diào)整各泵站的輸油泵機(jī)組工作狀況加以實(shí)現(xiàn)；也不包括由于某個(gè)泵站突然中

68、斷運(yùn)行或管道閥門誤動(dòng)作突然關(guān)閉造成的突發(fā)性壓力波動(dòng)，這種突發(fā)性壓力波動(dòng)叫水擊，對水擊另行采取保護(hù)措施，不是調(diào)節(jié)解決的問題。,造成壓力不穩(wěn)定的原因有：各泵站泵機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)臺數(shù)或運(yùn)轉(zhuǎn)泵性能變動(dòng)；泵站輸油泵因調(diào)速使其工況變化；所輸油品種類改變或因溫度改變造成油品粘度變化；管道因結(jié)垢、氣袋或其它原因造成一定程度的阻塞等。,這些不穩(wěn)定工況都發(fā)生在密閉輸送管道上，旁接油罐管道因旁接管的緩沖，進(jìn)出站壓力不會有大的波動(dòng)，只要保持各站輸量接近一致即可。,(2