成品油管道总体工艺方案设计常识

成品油管道总体工艺方案设计常识长输管道通常具有距离长、输量大、输送油品种类多、输送工艺复杂等特点。它的建设是涉及到政治、经济、社会、技术、生态环境等多方面的大型系统工程。其整体设计方案将在很大程度上影响工程在整个设计寿命期内的技术经济效果。因此，合理制定成品油管道的工艺设计方案，对这类管道的建设和运行具有重要意义。由于工艺设计方案涉及的因素较多，各因素间存在错综复杂的制约关系，因此最优工艺设计方案的确定既有很大的工作量，又有相当大的技术难度，需要采用专门的优化设计方法和工具。单根成品油管道工艺系统的功能是将不同性质的成品油由管道起点输送到终点，目的是在预规定的运行寿命期内完成输油任务并获得最佳的经济效益。一、工艺系统的结构特点长输成品油管道的工艺系统主要由管道、首站、中间泵站、中间接收站、分输站和末站构成，在某些大落差地段还需要设置减压站。系统的外部环境包括埋地管段经过的土壤、输油任务委托方及管道的其它子系统。长输成品油管道的工艺系统是一个统一的、连续的水力系统。对于不带分支的单根成品油管道，在其走向已定的情况下，其工艺设计方案主要取决于钢管规格的选择及管道沿线泵站的布置。在成品油管道的建设中，工艺系统的投资是管道总投资的主体部分，而管道和泵站的投资又在工艺系统总投资中占有很大比例，因此，选择这两者作为成品油管道工艺优化设计的主要对象。另外，由于成品油管道一般需要输送多种油品，而各种油品的物理性质又各不相同，因此要分别考虑它们对管道水力系统的影响。单根成品油管道工艺设计方案主要由以下几个方面构成：(1)管径、壁厚、管材；(2)线路长度；(3)泵站的数量及位置；(4)设计输量下泵站的稳态运行参数；(5)顺序输送时首、末站的罐区容量。二、工艺设计方案优化的决策变量用于描述设计方案的变量即为工艺方案优化设计的变量或决策变量。选择决策变量的基本原则是，一旦所有的决策变量的值确定以后，设计方案就被唯一确定了。对于成品油管道，其总体工艺设计方案涉及管道和泵站两个方面。管道部分可以用管材、管径及管壁厚三个要素来描述，而泵站部分可以用每个泵站内的泵机组配置、泵组合的连接方式(串联或并联)、进出站压力及泵站位置等要素来描述。在管道的线路走向、所输油品种类、流量等外部因素已定的前提下，一旦上述设计要素确定，整条管道的总体工艺设计方案随之确定。然而，这些要素并不是互相独立的，它们彼此之间按照特定的物理规律互相制约。虽然从数学上讲，这些要素均可对应优化数学模型中的决策变量，但为了使所建立的数学模型结构简单、物理意义明确、便于求解，根据管道工艺系统的物理规律及设计准则，选择一组数目最少、关联程度最低的决策变量描述成品油管道的总体工艺设计方案。在输油管道设计中，一般需要在沿线设置若干个泵站来提供压力能，每个泵站所能提供的压头决定于泵站的工作特性和流量，这个压头值应该充分利用管路的强度，将泵站的出站压力作为决策变量。其理由如下。(1)通常每个泵站所提供的压头要尽可能接近，这样全线各段钢管的承压变化不大，而且各泵站泵的配置也基本相同，有利于设备的选购和维修，减少投资和运行维护费用。(2)泵站的工作特性取决于各站的泵配置，考虑选泵及运行时泵的组合方式，将增加决策变量的数目，加大建立数学模型及求解的难度。(3)国内外可供选择的输油泵已有许多系列，泵配置的选择余地很大。(4)国内外一些管道设计公司采用的设计程序就是先确定管道的基本设计方案，包括管径、壁厚、管材、泵站位置、进站压力、出站压力等，在此基础上确定各泵站的泵配置。对于不带分支的单根成品油管道，其全线的管材和管径应尽可能一致，而管壁厚取决于泵站的出站压力、进站压力以及沿线的地形变化。在管道设计中，泵站站址的选择应能充分利用泵所提供的压能，即下一站的进站压力接近最小允许进站压力，因此对于线路走向已确定的成品油管道，选定了管材和管径后，由出站压力可以计算出管壁厚。对于不带分支的成品油管道，可选择管材、管径及出站压力作为决策变量。三、工艺方案优化设计的最优准则最优准则是用于评价决策方案优劣的标准和尺度。用于评价设计方案优劣的技术经济指标很多，例如净现值、内部收益率、投资回收期〔1〕等。此外，可以分别从国民经济评价和财务评价两个角度来计算这些指标〔2〕。考虑到我国目前的实际情况，选用管道系统寿命期内总费用现值最小作为优化设计的最优准则，其它技术经济指标可以作为决策者最后选定方案的参考指标。总费用现值包括初始投资费用、运行维护费用现值和能耗费用现值。因此，成品油管道工艺设计方案优化的目标函数为：minCt＝Ci＋Cm＋Ce（1）式中Ct——总费用现值；Ci——初始投资费用；Cm——运行维护费用现值；Ce——能耗费用现值。四、约束条件成品油管道设计优化问题的约束条件很多，主要有以下几类。(1)水力约束条件——管道中压降规律。(2)强度约束条件——管道中各点的动水、静水压力不得超过该处管道的最大允许压力。(3)泵站特性约束条件——泵站的进、出站压力约束。(4)钢管规格约束条件——所选用钢管的管材、外径及壁厚必须符合标准规格。另外为防止产生过多的混油，在输送多种油品的管道中，两种油品交替时，要求其雷诺数要大于临界雷诺数。成品油管道与原油管道设计的差异一、管道输量的确定原油管道的输量根据油田的产量和炼厂的加工能力确定，即以产定量。而成品油是以销定量，在管道设计前首先要调查、论证管道下游市场的需求情况，基本上是市场需求多少就输多少，而后才根据上游炼厂的产量来确定管道的输量。另外，在确定原油输量时，往往以年输量来计算，这是因为油田的产量和炼厂的加工量相对平衡。而成品油消费市场的需求存在波动，幅度很大，所以用年输量来计算是不科学的。二、线路走向的确定对于从油田到炼厂的原油管道，设计时主要考虑在这两点之间选择一条地形、地质条件好的，并且相对较短的线路走向。而成品油管道长度的确定除了考虑这些因素外，还要考虑消费市场所处的位置，要尽量将消费市场连接起来。这样管道长度可能会增加，或管道要通过复杂地段，需要对具体情况进行综合分析，论证后再行确定。三、输送介质和输送次序的确定原油管道不存在顺序输送。而成品油管道却要在设计中考虑输送介质的种类和各种油品在管道中顺序输送的次序，同时考虑市场需求量与可操作性的关系，即某种油品到下游市场不会因为量太小、混油量过大而失去经济性、可行性。相反，在某些情况下要考虑在市场不需要某种油品，但为了减少混油损失而把这种油品作为其它两种油品的隔离液而加入顺序输送的行列中去。例如，在汽油段和柴油段之间加入煤油，以改变混油的品质，减少经济损失。四、混油计算和混油处理与原油管道设计不同，成品油管道设计存在混油计算问题。混油就是一种损失，由于混油的机理比较复杂，到目前为止尚无适用的理论公式，经验公式虽然很多，但多数适用范围不宽。因此选择一个合适的公式很重要。输送过程中产生的混油到末站还要进行切割处理。这些都需要在设计中仔细考虑。五、批次／批量和库容的确定若批次太多，批量较小，产生的混油界面就越多，混油量因此所占的比例相对增加。在这种情况下，将有部分混油不能直接掺混到纯油中。若减少批次，增大批量，混油虽然相对减少，但首末站和中间分输站的库容就要增加，从而增加了一次性投资。因此要经过优化批次／批量，使管道的经济性达到最佳，并根据优化结果来确定各站的库容。此外，分输问题很重要，因为成品油管道沿线有很多分输站，每个分输站输油的时刻、时间和输量都不尽相同，整个管道系统的工况不断发生变化，因此，这就需要对各种运行工况进行动态分析，并根据分析结果确定运行参数。成品油管道的安全性要求也比原油管道高，成品油管道的跑、冒、滴、漏现象对环境、人身、财产的威胁都远远高于原油管道。注：本文摘自油气储运