原油长输管道初步设计设计计算

绪论原油的运输作为能源利用技术的重要一环，越来越受到重视，而其中管道运输与铁路、水路、公路、航空相比，因其输送距离长、建设速度快、占地少、管径大、输量高、能耗低、不污染环境、受地理及气象条件影响小等优点，而得到快速发展，已成为世界主要的原油输送方法[1]。原油按其油品性质来分，可以将原油分为轻质原油和高粘易凝原油，后者还可以分为含蜡量较高的含蜡原油和含胶质、沥青质较高高粘重质原油（即稠油）[2]。轻质原油的输送较为容易，一般常规输送工艺就能满足要求。含蜡原油的的凝点较高，管输过程中易出现析蜡、凝管、堵塞等事故，严重影响管输的能力和效率。而高粘重质原油的粘度非常高（通常是几百甚至是几万厘波[3]），因此管路的压降就相当大，这就大大增加了原始基建投资和运行费用。现在原油管输工艺的种类很多，应用较多、技术比较成熟的传统管输工艺有火焰加热器的加热输工艺、热处理输送工艺、加剂（包括降凝剂、减阻剂、乳化剂）输送工艺[4~13]、稀释输送工艺[14]。另有相对来说应用较少、有待进一步研究开发的现代工艺，有保温结合伴热输送工艺、太阳能加热等特殊加热工艺[15]、低粘液环输送工艺、微波降粘输送工艺[16]、水悬浮输送工艺、气饱和输送工艺、磁处理输送工艺[17]、改质输送工艺[18]、管道内涂输送工艺[19]等。由于我国生产的原油多属高含蜡、高凝固点、高粘度原油，因此我国多数管道仍采用加热输送。无论从输油成本以及设备投资方面都比常温输送高出很多，并且我国大部分输油管道都建在70年代，为了保证安全运行和提高企业经济效益，旧管输工艺的改进和新建管道先进技术研究开发是当前管输工作的重点。我国从事管道科研人员近年来在这方面取得了较大进展。我国输油工艺技术发展方向[20]：(1)适应国内油田发展的特点，解决东部管道低输量运行，西部管道常温输送，海洋管道间歇输送和成品油顺序输送问题。坚持输油工艺的新型化和多样化。(2)采用高效节能设备，管输过程中节能和降低油耗的最有效措施是采用高效的输油泵和加热炉，开展新型高效离心泵和国产高效加热炉的研制是摆在我们面前的一项艰巨任务。(3)加强原油热处理、降凝剂和减阻剂机理的研究，从根本添加剂对不同原油减阻降凝机理的认识问题。(4)开展添加剂的研制工作，形成添加剂研究—生产—应用一条龙。(5)进一步研究降粘裂化输送，水环输送，界面减阻输送，磁处理输送机理和适应范围。针对不同油田原油的特点进行工业性试验，对特定的原油采用特殊的方法输送。设计内容（1）计算及说明书部分内容要求1)根据费用现值最小原则确定最优管径。2)水力与热力计算。3)主要设备选型，包括泵、炉、罐、原动机等。4)站址确定、调整及工况校核。5)反输计算。6)站内流程设计。7)几种输量下的运行方案确定。8)绘图部分内容要求。9)绘图采用AUTOCAD。10)图幅均采用1号或2号图纸。（2）设计依据：（1）《输油管道设计与管理》(2)《输油管道工程设计规范》(3)《泵产品样本》(4)《石油化工装置工艺管道安装设计手册》(5)《管路附件设计选用手册》(6)《油库设计与管理》其他国家现行的有关标准及规范的规定计算部分DH原油管线初步设计一、设计依据与基础参数1.原始数据（1）最大设计输量为550万吨/年；生产期生产负荷（各年输量与最大输量的比率）见下表1。表1生产期生产负荷表年1234567891011121314生产负荷（%）708090100100100100100100100100908070（2）年最低月平均温度2℃；（3）管道中心埋深1.55m；（4）土壤导热系数1.45w/(m‧℃)；（5）沥青防腐层导热系数0.15w/（m‧℃)；（6）原油物性①20℃的密度860kg/m3；②初馏点81℃；③反常点28℃；④凝固点25℃；⑤比热2.1kJ/(kg·℃)；⑥燃油热值4.18×104kJ/kg。（7）粘温关系见表2表2油品温度与粘度数据温度（℃）2830354045505560粘度（cp）124.511183.26960534842.5（8）沿程里程、高程（管道全程320km）数据见表3表3管道纵断面数据里程（km）04070130165190230250280300320高程（km）28301025352836426845352.设计基础参数1）原油物性参数①原油进站温度、出站温度由于一般原油加热温度为60~70℃，考虑到最高出站温度为60℃，故取TR=60℃。由于最低进站温度比凝固点高7℃，且考虑到反常温度和最低进站温度都为30℃，故在最低进站温度时仍可以满足牛顿流体的特性，故取TZ=30℃。②平均输送温度在加热输送条件下，计算温度采用平均输油温度T，平均输油温度采用加权法，按下式计算：RZ2=+33TTT错误!未指定书签。(1-1)式中：TR——原油出站温度，℃，取TR=60℃；TZ——原油进站温度，℃，取TZ=30℃；T——原油平均温度，℃，由上式计算得T=40℃。③原油密度所输原油密度ρ(g/cm3)随温度T(℃)的变化关系为：20(20)ρρξT(1-2)式中：20ρ——20℃下原油密度，kg/m3；——温度系数，=1.825-0.001315ρ20，kg/(m3·℃)，解得=0.6941；T——平均输油温度，℃，取T=40℃。即得原有粘度与温度的变化关系式：ρ=860-0.6941(T-20)(1-3)解得ρ=846.12kg/m3。④原油粘度由最小二乘法回归粘温关系如表1-1表1-1粘温关系回归表温度(℃)6055504540353028粘度(×10-6m2/s)42.54853606983.2111124.5lnν-10.0660-9.9443-9.8452-9.7212-9.5814-9.3943-9.1060-8.9912取xi为T，yi为lnν，并设=+yabxΣxi=343Σyi=-76.6496x=42.875y=-9.5812b=2)())((xxiyyxxii=875.9522497.31=0328.0xbya-8.1751回归结果为lnν=-8.1751-0.0328T得原油粘度为：ν=e-8.1751-0.0328T(1-4)式中：T--平均输油温度(℃)；2）其他设计参数管道全线任务输量、最小输量、进出站油温、埋深处月平均气温等列于表1-12设计参数表中。生产天数按照350天计算。表1-2设计参数表任务输量(×104t/a)最小输量(×104t/a)管线里程(Km)最高出站油温℃最低出站油温℃埋深处月平均气温℃55038532060302.0质量流量为：88.1818400350101055034maxGkg/s%70maxminGG127.31kg/s由质量流量与体积流量换算公式：GQρ=(1-5)maxQ0.2149m3/sminQ0.1505m3/s二、经济管径的选择1.管径及管材的初选1)管径选择根据规范，输油管道经济流速范围为1.5-2.0m/s，管径计算公式如下：d=VQ4(2-1)式中：Q--额定任务输量(m3/s),0.2149m3/s；V--管内原油经济流速(m/s)；d--管道内径(m)；根据输量计算结果如下表1-13：表1-13初选管径表经济流速(m/s)计算结果(mm)初选管Ⅰ(mm)初选管Ⅱ(mm)初选管径Ⅲ(mm)1.5427.2406.44575082)管材选用本工程采用直缝电阻焊钢管。综合考虑输油系统的压力、输油泵的特性、阀门及管件的耐压等级等综合因素，管材选用按照API标准生产的X60直缝电阻焊钢管，局部高压管段选用按照API标准生产的X80直缝电阻焊钢管。根据输量的大小，本次设计提出了3种可能的管径，分别是Φ406.4×6.4、Φ457×7.1、Φ508×7.9。在这里采用费用现值来确定最经济管径。2.费用现值法确定经济管径1)确定经济管径的原则对某一输量下的管路，随着管径的增大，基本建设中钢材及线路工程投资增大，但压力损失降低，泵站数减少，站场投资减少。而有些项目如道路、供水、通讯等投资不变。故总投资随着管径的变化必有极小值存在，而输油能耗也在下降。其它项目如材料费、折旧费、税金、管理及维修费等是按照投资总额提成一定比例计算的。该费用随着管径的变化与投资随着管径的变化趋势相同，所以总投资与经营费用的叠加总有一个与其最小值对应。该费用最小值的管径为最优管径。2)费用现值法费用现值比较法简称现值比较法。使用该方法时，先计算各比较方案的费用现值，然后进行对比，以费用现值较低的方案为优。费用现值法的计算公式为：tcNtvttciWSCIP)1()(1(1-8)式中：It--第t年的全部投资(包括固定资产和流动资金)；错误!未找到引用源。’--第t年的经营成本；Sv--计算期末回收的固定资产余值(此处为0)；W--计算期末回收的流动资金；N--计算期N=16；ic--行业基准收益率=12%；油气储运企业的要素成本包括：电力费用、工资及福利费、修理费、油气损耗费、折旧费、利息支出、其他费用。3)经营成本和流动资金年经营成本＝燃料费用＋电力费用＋工资及福利费＋修理费＋油气损耗费＋折旧费+其他费用燃料费用主要是指加热设备(包括加热炉和锅炉)的燃料费用。对于长距离输油管道系统，燃料费用主要是原油加热输送工艺中加热炉的燃料油费用。可根据原油进出站温度计算，计算公式如下：SR=GCy(TRi–Tzi)RiHyBenR(1-9)式中：SR--燃料费用，元/年；ey--燃料油价格，元/吨；Cy--原油比热，J/kg℃；BH--燃料油热值，J/kg；TRi--第i加热站的出站温度，℃；TZi--第i加热站的进站温度，℃；Ri--第i加热站的加热炉效率；G--管道年输量，吨/年；nR--加热站个数；电力费用是指用于支付泵的电力设备和电动机具所消耗电能的费用，主要是输油泵等动力设备的电费。对于长输管道系统，电力费用主要是泵站输油泵机组的电费。全线的电力费用可采用下式计算：SP=peidHGe310723.2(1-10)式中：SP--全线泵机组所消耗的电力费用，元/年；H--第i泵站的扬程，m；ed--电力价格，元/kWh；ηpei--第i泵站泵机组的效率；G--年输量，吨/年；油气损耗费包括大罐的蒸发损耗和泄漏损失等，可按年输量或销售量的一定比例计算。油气损耗费＝损耗比例×年输量(或年销量)×油价(或气价)损耗比例一般可取为0.1%～2.3%。固定资产形成率为85%，综合折旧率取7.14%(综合折旧年限为14年)，残值为0。修理费按固定资产原值的1%计算，输油成本中其他费用按工资总额与职工福利费之和的2倍计算。水电设施、道路、通讯设施等费用按线路投资与输油站投资之和的12%计算。管道建设期为2年，第一年和第二年投资分别按总投资的40%、60%计算，固定资产投资方向调节税税率为0。固定资产的30%为自有资金，70%为建设银行贷款，贷款利率为8%。流动资金利用扩大指标估算法，按流动资金占固定资产原值的5%计算。4)比较方案三种管径的计算结果如下：其中Φ457×7.1的费用现值最小，采用Φ457×7.1的管道进行施工和投产运行更为经济。3.管道壁厚选择根据《输油管道工程设计规范》，输油管道直管段钢管管壁厚按下式计算：=2PDK(1-11)式中：——计算的屈服应力，MPa；P——工作压力，MPa；D——管道外径，mm；K——强度设计系数，此处取K=0.72；——焊缝系数，此处取=1.0；——管道厚度，mm。管道系统设计压力为7MPa时，管道选用X60直缝电阻焊钢管，屈服强度413MPa，壁厚计算结果如下表1-14：表1-14壁厚计算表公称直径(mm)计算壁厚(mm)腐蚀余量(mm)实选壁厚(mm)管道外径(mm)DN4575.37917.1Φ457×7.1三、输油工程1.主要工艺1)原油密闭加热输送工艺(1)加热输送工艺易凝易粘的油品当其凝点高于管道周围环境温度、或在环境温度条件下油流粘度很高时，不能直接采用等温输