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输油管道设计与管理第一章油气管道概况和勘察设计一、油气管道概况1、原油长输管道系统组成：输油站+线路两大部分及其辅助设施输油站——首站、中间站、末站线路——管道本身、截断阀室、穿跨越构筑物、阴极保护站，以及道路、通讯、自控等辅助设施2、长输管道的输油方式①等温输送；②加热输送；③降凝输送；④顺序输送；⑤其它方式3、管道技术的发展趋势①高压、大口径，向极地海洋延伸；②采用高强度、韧性及可焊性良好的管材；③高度自动化；④不断采用新技术；⑤管道安全技术的不断应用⑥重视管道建设的前期工作4、我国管道技术发展的任务①针对我国原油的特点，研究管输工艺技术；②提高管道的自动化水平；③在产量递减的情况下对老管网的改造和运行优化问题；④西部地区管道的建设问题；⑤输油管道改造成输气管道等。二、管道的勘察设计1、管道的建设程序①根据资源条件和国民经济长期规划、地区规划、行业规划的要求，对拟建的输油管道进行可行性研究，并在可行性研究的基础上编制和审定设计任务书。②根据批准的设计任务书，按初步设计（或扩大初步设计）、施工图两个阶段进行设计。初步设计必须有概算，施工图设计必须有预算。③工程完毕，必须进行竣工验收，做出竣工报告（包括竣工图）和竣工决算。2、选线原则一条输油管线路就是起点、终点、输油站址和各穿（跨）越点之间的连线。3、勘察的程序和要求勘察的步骤：踏勘、初步设计勘察、施工图勘察4、设计阶段及主要内容可行性研究、初步设计、施工图设计第二章等温输油管道的工艺计算工艺计算的任务：妥善解决沿线管内流体的能量消耗和能量供应之间的平衡。工艺计算的内容：水力计算、强度计算、热力计算、技术经济计算一、输油泵站的工作特性（Hc=f（Q））1、离心输油泵的工作特性（1）固定转速离心泵工作特性泵的工作特性：恒定转速下，泵的扬程、功率、效率与流量的关系泵机组的特性方程：H=a-bQ2-m（2）调速泵的工作特性转速变化后的泵特性方程：n0：调速前的转速（3）叶轮直径变化后的特性叶轮直径变化后的泵特性方程：注：叶轮切割量不能太大，否则切割定律失效，切割效率明显下降（4）流体粘度对离心泵工作特性的影响影响趋势当v↑，则H、Q、η↓，N、∆h(xu)↑（∆h(xu)指允许汽蚀余量）换算准则和方法当运动粘度在20×10-6m2/s以内时，不需要换算;当运动粘度大于20×10－6m2/s时，泵的效率需要换算;当运动粘度大于60×10－6m2/s时，各项特性均需换算。（5）离心泵的允许汽蚀余量汽蚀余量和吸上高度汽蚀余量：指在泵吸入口处单位重量液体所具有的超过汽化压力的富余能量吸上高度：泵允许吸液体的真空度，亦即泵允许几何安装高度油品蒸汽压的影响对同一结构的泵，所输液体的蒸气压愈高，泵要求的允许汽蚀余量愈低。2、泵站的工作特性泵站的工作特性：串联机组并联机组如果NP台相同型号的泵并联：二、输油管道的压能损失压力能的消耗包括两部分：①克服地形高差所需的位能；②克服摩阻损失1、摩阻损失摩阻损失包括两个部分：沿程摩阻；局部摩阻（1）沿程摩阻达西公式)(Re,f综合参数摩阻计算公式（列宾宗公式）m的划分：层流——m=2；水力光滑区——m=0.25混合摩擦区——m=0.123；阻力平方区——m=0由公式可以看出，随着Re的增大，输量、管径对摩阻的影响越来越大，而粘度对摩阻的影响由大变小直到没有影响，管长对摩阻的影响始终不变达西公式和列宾宗公式的比较：列宾宗公式可以更直观的反应出各参数对摩阻的影响注：热原油管道上最常见的流态是水力光滑区；轻质油管道也多在水力光滑区；输送低粘油品的较小直径管道可能进入混合摩擦区；热重油管道则以层流的情况居多。（2）局部摩阻计算公式：长输管道的站场（泵站、计量站、清管站或加热站等）相对于整个管道系统也可视为局部阻力，一般局部阻力系数在紊流状态下都是常数，因此局部摩阻可视为常数（3）管道的压降计算2、管道的工作特性定义：系指管径、管长一定的某管道，输送性质一定的某种油品时，管道压降H随流量Q变化的关系。管道工作特性曲线：由左图可以看出，处于层流区的管路压降损失大于处于紊流区的管路串联、并联管路工作特性曲线：3、水力坡降和水力坡降线（1）水力坡降定义：单位长度上的摩阻损失全线压头损失：令则副管的水力坡降副管段：主管段：由上得：若d=df，则因此m值越小，采用副管减少压降越明显变径管的水力坡降变径管：若主管和变径管流态相同则：（2）水力坡降线定义：管内流体的能量压头（忽略动能压头）沿管道长度的变化曲线。4、泵站管道系统的工作点定义：泵站-管道系统的工作点是指在压力供需平衡条件下，管道流量与泵站进、出站压力等参数之间的关系。确定工作点的方法：①作泵站特性曲线和管道特性曲线，求二者的交点②列出管道工作特性方程和泵工作特作特性方程计算求解为了保证输油管道安全经济地工作，工作点必须在泵站特性曲线的最高效率区内，工作压力要在管道强度允许范围内，工作流量要满足输送任务的要求（1）旁接油罐输送工艺特点：①各泵站的排量在短时间内可能不相等；②各泵站的进出口压力在短时间内相互没有直接影响。（各泵进口的压力均取决于本站旁接油罐的液面高度及油罐到泵的吸入管道的摩阻）a：从罐到罐b：旁接油罐c：密闭输送注：①每一个泵站各与由其供应能量的站间管道构成一个水力系统②平均输量需一致，故全线的输量就受输量最小的站间控制③各站工作点基本一致，才能充分发挥各站的效能（2）密闭输送方式工作的输油系统特点：①各站的输油量必然相等；②各站的进出口压力相互直接影响。（3）两种输送工艺的比较“旁接油罐”流程优点：便于手动调节，对自动化要求不高。缺点：增加了投资，有油品的损耗，罐内油品占用流动资金，各站相对独立，不便于实现全线自动化和统一管理。“从泵到泵”流程优点：有利于全线实现统一管理。缺点：对自动化程度要求高。（4）管道系统工作点的公式求解法（密闭输送）全线的压头供需平衡式：由上式求出工作点流量，并根据压力供需平衡确定各站的进出站压头：5、翻越点及计算长度（1）翻越点定义：如果一定输量的液体从某高点自流到终点还有能量富裕，且在所有的高点中该高点的富裕能量最大，则该高点叫做翻越点。注：如不采取其它措施以利用或消耗这部分剩余能量，则在高峰以后的管段内将发生不满流。（2）计算长度定义：起点与翻越点之间的距离即称为管道的计算长度。三、泵站的布置1、泵站数的确定管路全线消耗的压力能为N个泵站提供的总扬程与总能量消耗相等，有得到理论泵站数：泵站数的划整：（1）向小方向划整副管：变径管：（2）向大方向划整变径管：注：①对“旁接油罐”流程泵站数的确定与“密闭输送”流程方法一样，但全线工作输量将受到输量最小站的控制；②泵站数化整时流量的改变会造成原动机功率的变化。流量减少功率减小，流量增大，功率增大，需要校核，避免过载；③粘度变化会引起泵站数的计算结果发生变化；④输送温度的变化会引起泵站数计算结果的变化。2、泵站的布置定义：泵站布置就是在纵断面图上根据水力条件初定站址。布置泵站的基本方法：①按选定的比例作管道的纵断面图；②求工作点流量和各泵站扬程；③根据“工作点”流量计算水力坡降；④在起点作垂线AO，AO=Hd1；⑤从O点作水力坡降线，其与纵断面图的交点为B；⑥对“旁接油罐”方式，在B点设置第二站，其它各站依次类推；⑦对“密闭输送”方式，要求离心泵进口有一定压力，按照最高和最低压力要求确定第二站的可能布置区并布站。其他各站依次类推。敷设副管的输油管道的泵站布置：站间铺设副管后，扩大了下游泵站的可能布置区副管敷设在进站前管道上好四、泵站及管道工作情况的校核1、进出站压力校核进出站压力的校核主要考虑两种情况：①一年中最高和最低油温时的进出站压力②几种油品顺序输送时，输送粘度最大的油品和粘度最小的油品时进出站压力的变化情况。校核方法：（1）图解法（2）解析法首站到c+1站管道的能量平衡式：全线压降平衡式（忽略局部摩阻和终点剩余压头）：得到第c+1站进站压力：结论：①若𝑙𝑐𝑐𝐿𝑁随着油品粘度的增加，分式之值增大，故Hs（c+1）减小；②若𝑙𝑐𝑐𝐿𝑁随着油品粘度的增加，分母之值增大，故Hs（c+1）增加；③若𝑙𝑐𝑐=𝐿𝑁随着油品粘度的变化不影响Hs（c+1）。2、动静水压力的校核（1）动水压力的校核动水压力指油流沿管道流动过程中各点的剩余压力校核动水压力，就是检查管道的剩余压力是否在管道操作压力的允许值范围内（最低动水压力应高于0.2MPa，最高动水压力应在管道强度的允许值范围内）最高动水压力的校核要注意：①校核动水压力应根据管道可能承受压力的最不利条件进行。（按二期工程来校核）②地形起伏剧烈、落差比较大的地区，下坡段低处的动水压力可能超出管道允许工作压力（2）静水压力的校核静水压力指油流停止流动后，由地形高差产生的静液柱压力高点后的峡谷地带在停输后可能出现静水压力超压的情况，此时应采取增加壁厚、设置减压站等措施五、管道大落差段的设计1、管道大落差段带来的问题①下坡段低点动、静水压力超高。②管道下坡段的高处可能出现不满流，造成液柱分离，形成气体段塞（气袋），管道发生振动，离心泵发生气蚀甚至断流，损坏站内设备。③气袋降低压力波的传递速度，使水击分析和控制变得复杂，水击压力增加使气袋破灭，上下游液柱高速相遇，产生巨大的压力而使管道超限，威胁管道安全。2、解决管道大落差的方法①按“等强度”原则，采用变壁厚管道设计，在低点处增加壁厚保证管道安全；②采用变径管设计，在下坡段采用较小管径，加大沿程摩阻，降低低点处的动水压力，并减少管材的用量，降低工程投资。③在地势陡峭的地区采用隧道敷设以降低下坡段的高差，同时缩短线路，降低投资及动力费用。④设置减压站，运行时减压阀节流降低动水压力，停输时关闭减压阀隔断静压。六、等温输油管道运行工况分析与调节1、中间站停运工况分析停运前：停运后：结论：中间站停运，停运后流量减少，同时停运站前各个站停运前后进出站压力均增加，停运站后各个站进出站压力均减小，离停运站越近，这种变化越大2、漏油工况分析漏油点前：漏油点后：两式相加：漏油前全线能量平衡式：对比两式：结论：中间站漏油，漏油点前流量增加，漏油点后流量降低，漏油点前后各站（全线各站）进出口压力均下降；离漏油点越近，这种变化越大。3、输油管道的调节调节的本质：通过改变管道的能量供应或改变管道的能量消耗，使之在给定输量条件下，达到新的能量供需平衡调节的方法：①改变泵站工作特性改变运行的泵站数或泵机组数——在较大范围内调节泵机组调速——连续调节换用离心泵的叶轮直径②改变管道工作特性（节流调节）第三章加热输送管道的工艺计算易凝高粘原油的输送方式：①常温输送：加入降凝剂，活性水，热处理等方式进行输送②加热输送一、加热输送的特点1、加热输送的特点（1）两方面的能量损失（压力能与热能）；（2）对应两方面的工艺计算（水力计算与热力计算），而两者之间相互联系、相互影响；（3）热油管道内介质的流态可能变化可层流，可紊流，也可以在混合流态下输送。2、加热输送时流态的选择（1）高粘原油和重质成品油（含蜡不多），宜在层流或混合流态下输送，此时加热对摩阻下降的影响明显。（2）高含蜡原油或成品油，在紊流状态下输送，此时流速高，不容易结蜡。二、热油管道的热力计算1、热力计算的基本公式（1）轴向温降公式的推导令：对于距离不长、管径小、流速低、温降大的管段，忽略摩擦生热（2）温降规律及影响因素影响因素：①油流与介质间温差，出口温降快，末段温降慢，因此过多地提高加热温度收效不大，同时不同季节土壤温度不同温降也不同②总传热系数K和质量流量G，K越大温降越快，G越大，温度变化越平稳幅度越小③蜡结晶对比热容的影响以及油流过泵的温升（3）摩擦生热对温度的影响（4）公式的应用求最小安全输量（此时出站温度最高，进站温度最低）运行时反算总传热系数确定站间距和加热站数（5）温度参数的确定地温T0设计时分别按管道埋深处最高及最低的月平均温度计算温降及热负荷运行时按实测值进行计算加热站出站温度从热胀应力、粘温性质、防腐绝缘层性质等方面来考虑