某热油管道工艺设计计算与分析
课程设计某热油管道工艺设计2010年12月31日
目录
1 总论 (4)
1.1 设计依据及原则 (4)
1.1.1 设计依据 (4)
1.1.2 设计原则 (4)
1.2 总体技术水平 (4)
2工程概况 (6)
3输油工艺 (7)
2.1 主要工艺参数 (7)
2.2 主要工艺技术 (7)
4工艺计算 (8)
4.1输油量换算 (8)
4.1.1油品平均温度[1] (8)
4.1.2油品密度计算[1] (8)
4.1.3计算流量[1] (9)
4.2 管径规格选择 (9)
4.2.1 选择管径 (9)
4.2.2 选择管道壁厚[2] (10)
4.3 热力计算（方案一） (11)
4.3.1管道中实际流速的计算 (11)
4.3.2 总传热系数K的确定[1] (11)
4.3.3加热站间距的确定 (13)
4.3.4计算出站温度[1] (15)
4.4 水力计算（方案一） (16)
4.4.1 计算输油平均温度下的原油运动粘度 (16)
4.4.2流态判断 (17)
4.4.3摩阻计算[1] (18)
4.5热力计算（方案二） (19)
4.5.1管道中实际流速的计算 (19)
4.5.2 总传热系数K的确定 (19)
4.5.3加热站间距的确定 (20)
4.5.4计算出站温度[1] (20)
4.6 水力计算（方案二） (21)
4.6.1 计算输油平均温度下的原油运动粘度 (21)
4.6.2流态判断 (21)
4.6.3摩阻计算 (22)
5 设备选型 (23)
5.1 设备选型计算（方案一） (23)
5.1.1 泵的选型 (23)
5.1.2 原动机的选型 (24)
5.1.3 加热设备选型 (24)
5.2 站场布置（方案一） (24)
5.2.1泵站数计算[1]： (24)
5.2.2管路的水力坡降[1] (25)
5.2.3泵站布置 (25)
5.3 设备选型计算（方案二） (27)
5.3.1 泵的选型（同方案一） (27)
5.3.2 原动机的选型（同方案一） (27)
5.3.3 加热设备选型 (27)
5.4 站场布置（方案二） (27)
5.4.1泵站数计算 (27)
5.4.2管路的水力坡降 (28)
5.4.3泵站布置 (28)
6 泵站及管道参数校核 (29)
6.1 动、静水压的校核（方案一） (29)
6.2 最小输量（方案一） (29)
6.3 动、静水压的校核（方案二） (30)
6.4最小输量（方案二） (31)
7 动态技术经济评价[6] (32)
8设计结果 (33)
参考文献 (34)
1 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）采用黄夹克保温层，厚度40mm。
2工程概况
本设计为某油田计划铺设一条280公里、年输量为320万吨的热油管道，管线经过区域地势平坦。
地温资料见下表表一
3输油工艺
2.1 主要工艺参数
（1）设计年输量为G = 320万吨； （2) 保温层(采用黄夹克)厚度40mm ；
（3）管道埋地深1.6m ；土壤导热系数1.3 W/(m ·℃)； （4）管道埋深处的年平均地温：
℃
67.6)
5.357811105.887543(12
1)
(12
10120201=+++++++++++?=
+???++=t t t t ocp （5）年输送天数：350天；
（6）最大运行压力8Mpa ；
（7）进站温度39℃；最高输送温度70℃；最低输送温度36℃； （8）末站剩余压头60m ；局部摩阻按1.2%，20℃相对密度0.880；50℃
粘度10.3m Pa ·s ；粘温指数0.039。
2.2 主要工艺技术
本设计输油干线拟采用密闭输油方式。即“从泵到泵”输送。在这种输油工艺中，中间输油站不设供缓冲用的旁接油罐，上站来油全部直接进泵。其特点是：整条管道构成一个密闭的水力系统，可充分利用上站余压，节省能量，还可基本消除中间站的轻质油蒸发损耗；但对自动化程度和全线集中监控要求较高；存在水击问题，需要全线的水击监测与保护。
4工艺计算
4.1输油量换算
4.1.1油品平均温度[1]
Z
R pj T T T 3231+
=
（4-1）
式中 pj T ——平均温度，C
Z R T T ,——加热站的起点、终点温度，C
。
则由公式（4-1）得：
)
(47363
27031C T pj
=?+
?=
4.1.2油品密度计算[1] 油品在20℃时的密度为
3
20/8801000880.0m kg =?=ρ
)20(20--=t t ξρρ （4-2）
式中 48ρ——温度为48C 时的油品密度，3/m kg ； ξ——温度系数，)/(3C m kg ?；
20ρ——温度为20C 时的油品密度，3/m kg ； t ——油品温度，C 。 温度系数
20001315.0825.1ρξ-= （4-3）
式中 ξ——温度系数，)/(3C m kg ?；
20ρ——温度为20C 时的油品密度，3/m kg 由式（4-3）得：
)/(6678.0880001315.0825.1001315.0825.13
20℃?=?-=-=m kg ρξ
则油品在47℃时的密度为 由式（4-2）得
）
（3
2047/862)2047(6678.0880)20(m kg t =-?-=--=ξρρ 4.1.3计算流量[1]
8400
10
7
??=
cp G Q ρ h m /3
或 3600
840010
7
???=
cp G Q ρ （4-4）
式中 G ——年输量，a t /104；
Q
——体积流量，h m /3；或s m /3
cp ρ——年平均地温下的油品密度，3/m kg ； 由式（4-4）得：
)/(94.4418400
86210
3208400
10
3
7
7
h m G Q =??=
??=
ρ
)/(123.03600
840086210
3203600
840010
3
7
7
s m G Q =???=
???=
ρ
4.2 管径规格选择
4.2.1 选择管径 管道管径 [3]
v
Q
d π4=
（4-5）
式中 d ——管道内径，m ； Q ——体积流量，s m /3； V ——经济流速，s m /。
根据大量经济计算及运行实践结果，现假设本设计取经济流速为V=1.8m/s,
由公式（4-5）得：
)(295)(295.08
.114.3123.04mm m d ==??=
4.2.2 选择管道壁厚[2]
该管道选用X70钢，经查表得其最低屈服度MPa s 482=σ，焊缝系数0.1=K ，钢管壁的导热系数为)/(5.45C m W ?
输油气管道直管段的钢管管壁厚度计算公式
]
[2σδpD =
（4-6）
式中 δ——壁厚，m ；
P ——设计压力（取工作压力的1.15倍）MPa; D ——钢管外径，m ；
][σ——钢管许用压力，MPa ；
许用应力
t
K s φσσ=][ （4-7）
][σ——许用应力，Mpa ；
K ——设计系数，（输油站一般地段取0.72）； φ——焊缝系数； s σ——钢管的最低屈服度；
t ——温度折减系数，当管内介质温度低于120℃时，t 取1.0.
则该管道直管段的许允应力由公式（4-7）得： )(04.3470.14820.172.0][MPa t K s =???==φσσ
则设计管壁厚度由式（4-7）得：
]
[2)2(]
[2σδσδ+=
=
d p pD 得mm p pd 0.4)
804.347(22950.815.1)
]([2=-???=
-=
σδ
根据以上计算，根据SY/T5037-2000标准选取标准管道管径有两种方案：方
案一为Ф325×5.0；方案二为Ф355×5.0。.
4.3 热力计算（方案一）
4.3.1管道中实际流速的计算 由式（4-5）知管道中的实际流速为：
)
/(57.1315
.014.3123.0442
2
s m d
Q
V =??=
=
π
4.3.2 总传热系数K 的确定[1]
对于有保温层的管路，不能忽略内外径的差异。此时一般用单位长度的总传热系数L K 来代替
w
i
i i
L D d D d
K παπλ
πα211
ln
211
1
+
∑
+=
（4-8）
式中 L K ——单位长度的总传热系数，)/(2C m W ?； 1α——油流至管内壁的放热系数，)/(2C m W ?； 2α——管最外层至周围介质的放热系数，)/(2C m W ?；
i λ——第i 层（结蜡层、钢管壁、防腐绝缘层等）导热系数，)/(C m W ? d ——管内径，m ； i D ——第i 层的外径，m ； i d ——第i 层的内径，m ； w D ——最外层的管外径，m ；
D ——管径，m ；若21αα>>，D 取外径；若21αα≈，D 取算数平均值；
若21αα<，D 取内径。
管道最外层至周围介质的放热系数为：
]
1)2(2ln[
22
2-+
=
w
t w
t w t
D h D h D λα （4-9）
式中 t λ——土壤导热系数，)/(C m W ?； t h ——管中心埋深，m ； w D ——最外层的管外径，m 。 由公式（4-9）得：
33
.2108
.0325.0(6.12)08.0325.0(6
.12ln )08.0325.03
.12122ln 22
22=???
????
?
-???
?
??+?+
+?+?=
???
????
?-???
?
??+
=
（w
t W t w t
D h D h
D λα
在紊流情况下，1α对总传热系数影响很小，可忽略不计（经查表得保温层黄夹克导热系数为0.035）。 由公式（4-8）得：
i
i i
d D ln 21πλ∑
00
.1325
.0405.0ln 035
.014.321
315
.0325.0ln 5
.4514.321
=??+
??=
337
.0405.014.333.21
1
2=??=
w
D πα
)]/([75.0337
.000.11
C m w K L
?=+=
管道总传热系数为[1]：
D
K
K L π=
（4-10）
式中 K ——管道总传热系数，)/(C m W ?； L K ——单位长度的总传热系数，)/(2C m W ?； D ——管道内径，m 。
由式（4-10）得：
)]/([95.0405.014.375.0C m W D K K L
?=??==π
4.3.3加热站间距的确定 C 15时原油的密度为： 由式（4-2）得：
)/(88320156678.0880)20(3
20m kg t t =-?-=--=）（ξρρ
C
15时原油的相对密度为(4C 水的密度为10003/m kg )：
883.01000
8831000
15
15
4==
=
ρd
原油的比热容为[1]：
)10
39.3687.1(13
15
4
T d
c -?+=
（4-11）
式中 15
4d ——原油15C 时的相对密度；
c ——比热容，)/(C kg kJ ?； T ——原油温度，C 。 由公式（4-11）得：
)]/([99.1)4710
39.3687.1(883
.013
C kg kJ c
?=??+?=
-
质量流量为( 每年按350天计算) [1]：
3600
840010
7
??=
G q m (4-12)
式中 m q ——原油质量流量，s kg /；
G ——年输量，t 4
10；
由公式（5-14）得：
)/(82.1053600
840010
3207
s kg q m =??=
加热站间距为[1]：
0ln T T T T DK
Gc
L z R R --=
π （4-13）
式中 G ——原油质量流量，s kg /；
K ——管道总传热系数，)/(C m W
?；
D
——管道内径，m ；
R T ——加热站的出站温度，C
；
0T ——管道周围的自然温度，C
；
Z T ——加热站的进站温度，C
；
R L ——加热站间距，km 。
c ——原油的比热容，)/(C kg J
?
由公式（4-13）得：
)(16767
.63667.670ln
95
.0405.014.310
99.182.1053
km L R =--????=
加热站数[1]：
R
L L n =
（4-14）
式中 n ——加热站数，个；
L ——输油管道总长，km ； R L ——加热站间距，km ； 由公式（4-14）得：
)(7.1167
280个==n 取
2个加热站
则加热站间距为 )(1402
280km n L L R ===
每个加热站热负荷[1]：
η
T
Gc △=
Q （4-15）
式中 Q ——加热站的热负荷，J/s ；
△T ——加热站的进、出站温度之差，C ；
η——加热炉的效率；
G ——原油质量流量，s kg /；
c ——比热容，)/(C kg J
?
由公式（4-15）得：
)/(88497268
.0)
3670(1099.182.1053
s J Q =-???=
4.3.4计算出站温度[1]
计算出站温度令(b = 0),变为苏霍夫公式为：
)
/(00)(Gc DL K Z R e
T T T T π-+= （4-16）
式中 G ——原油质量流量，s kg /；
Z T ——加热站的进站温度，C
；
R T ——加热站的出站温度，C
。
c ——比热容，)/(C kg J
?
L
——管道加热输送的距离，m ；
K ——管道总传热系数，)/(C m W ?；
D
——管道外径，m 。
0T ——管道周围的自然温度，C
；
由公式（4-16）得：
)(79)639(6)
1099.182.105/10140405.014.395.03
3
C e
T R
=-+=??????（
则热站的热负荷较大，超出最高输送温度，故需增加热站数，取n=3个加
热站。则热站间距为：
)(3.933
280km n L L R ===
由公式（4-16）得：
)(62)639(6)
1099.182.105/103.93405.014.395.03
3
C e
T R
=-+=??????（
由公式（4-15）得加热站热负荷为：
)/(60542268
.0)
3962(1099.182.1053
s J Q =-???=
4.4 水力计算（方案一）
4.4.1 计算输油平均温度下的原油运动粘度 由公式（4-1）得输送油品平均温度为：
)(47393
26231C T pj
=?+
?=
由公式（4-2）得C 47时原油的密度为：
)/(862)2047(6678.08803
47m kg =-?-=ρ
粘度的转换[3]：
ρ
μ=
v （4-17）
v ——运动粘度，s m /2
μ——动力粘度，Pa ·s
ρ——油品密度，3
/m kg
则该设计油品运动粘度由公式（4-17）得： )/1095.11862
10
3.102
63
s m v （--?=?=
某一温度下的运动粘度为[1]：
)
(00
t t u pj e --=νν （4-18）
式中 0νν，t ——温度为t 、0t 时油品的运动黏度，s m /2；
u ——黏温指数，C /1。
则平均温度下的油品运动粘度由公式（4-18）得：
)/(10
38.1310
95.112
6
)
5047(039.06
s m e
pj
----?=?=ν
4.4.2流态判断
雷诺数为： ν
πd Q
4Re =
（4-19） 7
8
1)2(
9.57Re d
e =
（4-20）
5
.12
)
2(
11Re
d e = （4-21）
式中 R ——由光滑区向混合摩擦区过渡的临界雷诺数； 2R ——由混合摩擦区向粗糙区过渡的临界雷诺数；
μ——黏温指数，C /1；
ν——输送温度下原油的运动粘度，s m /2；
Q ——管路中原油的体积流量，s m /3；
e ——管壁的绝对粗糙度，m ；(螺旋缝钢管DN250~DN350：e 取0.125mm) d ——管内径，m 由公式（4-19）得：
34176
10
38.13315.014.3123
.04Re 6
=????=
-
由公式（4-20）得：
202447)315
.010
125.02(
9.57Re 7
8
3
1=??=
-
由以上计算知1Re Re 3000<<,故其管道中油品的流态是处于紊流水力光滑
区，所以前面的假设是正确的。
4.4.3摩阻计算[1] 一个加热站间的摩阻为：
R m
m
pj
m
R L d
Q
h --=521υβ
（4-22）
全线所需总压头为：
sz
R R H Z h h H +?++=%2.1 （4-23）
式中 R h ——沿程总摩阻，m ； 1R h ——加热站间距的摩阻，m ； H ——任务流量下所需要的总压头，m 。 d ——管内径，m
pj v ——输送温度下原油的运动粘度，s m /2
；
Q ——管路中原油的体积流量，s m /3；
R L ——加热站间距，m ；
不同流态区的m 、β值 表二
由公式（4-22）得：
)(857103.93315
.0)
10
38.13(123
.00246.03
25
.0525
.06
25
.021m h R =?????
=---
总摩阻为： )(257185731m nh h R R =?==
本设计中地势差0=?Z ;则任务流量下所需要的总压头由公式（4-23）得：
)(2662600%2.125712571m H =++?+=
4.5热力计算（方案二）
4.5.1管道中实际流速的计算 由式（4-5）知管道中的实际流速为：
)
/(32.1345
.014.3123.0442
2
s m d
Q
V =??=
=
π
4.5.2 总传热系数K 的确定
管最外层至周围介质的放热系数由公式（4-9）得：
22
.2108
.0355.0(6.12)08.0355.0(6
.12ln )08.0355.03
.12122ln 22
22=???
????
?
-???
?
??+?+
+?+?=
???
????
?-???
?
??+
=
（w
t W t w t
D h D h
D λα
在紊流情况下，1α对总传热系数影响很小，可忽略不计（经查表得保温层黄夹克导热系数为0.035）。
由公式（4-8）得：
i
i i
d D ln 21πλ∑
92
.0355
.0435.0ln 035
.014.321
345
.0355.0ln 5
.4514.321
=??+
??=
328
.0435
.014.322.21
1
2=??=
w
D πα
单位长度的总传热系数由公式（4-9）得：
)]/([80.0328
.092.01C m w K L
?=+=
管道总传热系数由公式（4-10）得：
)]/([09.1435.014.380.0C m W D K K L
?=??==π
4.5.3加热站间距的确定
C 15时原油的密度由式（4-2）得：
)/(88320156678.0880)20(3
20m kg t t =-?-=--=）（ξρρ
C
15时原油的相对密度为(4C 水的密度为10003/m kg )：
883.01000
8831000
15
15
4==
=
ρd
原油的比热容由公式（4-11）得：
)]/([99.1)4710
39.3687.1(883
.013
C kg kJ c
?=??+?=
-
质量流量为( 每年按350天计算) 由公式（4-14）得：
)/(82.1053600
840010
3207
s kg q m =??=
加热站间距为由公式（4-13）得：
)(10967
.63667.670ln
09
.1435.014.310
99.182.1053
km L R =--????=
加热站数由公式（4-14）得：
)(6.2109
280个==n 取
3个加热站
则加热站间距为 )
(3.933
280km n L L R ===
每个加热站热负荷由公式（4-15）得：
)/(88497268
.0)
3670(1099.182.1053
s J Q =-???=
4.5.4计算出站温度[1]
计算出站温度令(b = 0), 由公式（4-16）得：
)(70)639(6)
1099.182.105/103.93435.014.309.13
3
C e
T R
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则热站的热负荷较大，超出最高输送温度，故需增加热站数，取n=4个加