楊飛《輸油管道設(shè)計與管理》教學

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1、第一節(jié) 順序輸送工藝特點 第六章 順序輸送第二節(jié) 順序輸送管道的混油 第三節(jié) 混油界面檢測與混油處理 第四節(jié) 順序輸送管理運行控制及運行優(yōu)化簡介 順序輸送（也稱為交替輸送）：在同一條管道內(nèi)，按一定批量和次序，連續(xù)地輸送不同種類油品的輸送方法。 順序輸送的應(yīng)用范圍： 1、輸送性質(zhì)相近的成品油。如汽、煤、柴及各種重油、農(nóng)用柴油和燃料油等。 2、輸送性質(zhì)不同的原油。如克拉瑪依油田的低凝原油，可用于生產(chǎn)高質(zhì)量的航空潤滑油，若與油田所生產(chǎn)的高凝原油混合輸送，就煉不出這種高級產(chǎn)品，因此需要分開輸送，即采用順序輸送。 成品油輸送的特點是種類多、批量（Batch）小。若每一種油品都建一條管線，必然是要建多條小

2、口徑的管線。若順序輸送這些油品，則只需建一條大口徑的管線。 例如：汽、煤、柴三種油品，輸量分別為100、40、110萬噸/年，若用三條管線輸送，所需口徑分別為DN200、150、200。若采用順序輸送，則只需一條口徑為325的管線。后者與前者相比，所需的投資和經(jīng)營費用都要節(jié)省一半以上，經(jīng)濟效益十分明顯，故國內(nèi)外成品油管線廣泛采用順序輸送的方法。 一、順序輸送管道的特點 第一節(jié) 順序輸送工藝特點 1、成品油管道輸送的是直接進入市場的最終產(chǎn)品，對所輸產(chǎn)品的質(zhì)量和各種油品沿途的分輸量均有嚴格要求。2、成品油管道依托市場生存，要能適應(yīng)市場的變化。3、成品油管道大都是多分支、多出口，以方便向管道沿線及附

3、近的城市供油，有的管道還可能有多個入口，接收多家煉油廠的來油。管道沿線任何一處分輸或注入后，其下游流量就發(fā)生變化。成品油管道可順序輸送多達幾十種的油品，其注油和卸油均受貨主和市場的限制，運行調(diào)度難度大。 4、成品油管道的相鄰批次油品之間必然產(chǎn)生混油，混油段的跟蹤和混油的控制是成品油管道的關(guān)鍵技術(shù)，混油處理、貶值存在經(jīng)濟損失。5、與原油管道相比，其首、末站，分輸、注入站需要的罐容大、數(shù)量多，需要有足夠容量的油罐進行油品收、發(fā)油作業(yè)；末站除了油品的收發(fā)油作業(yè)外，還要考慮油品的調(diào)和、混油的儲存和處理。6、當多種油品在管內(nèi)運移時，隨著不同油品在管內(nèi)運行長度和位置的變化，管道的運行參數(shù)隨時間而緩慢變化。

4、 二、順序輸送的循環(huán)周期、循環(huán)次數(shù)1、油品的排列順序 順序輸送中油品的排列順序?qū)煊蛽p失的影響很大。一般來說性質(zhì)相近的油品順序輸送，混油量較小，允許的混油濃度較大，混油比較好處理。通?？梢灾苯诱{(diào)和到兩種油品中去。輸油順序的安排一般要考慮： 使性質(zhì)相近的兩種油品相鄰。 油品互相不產(chǎn)生有害影響。如潤滑油與汽油一般不能在同一條管道內(nèi)順序輸送。 舉例：成品油的排序：優(yōu)質(zhì)汽油普通汽油航空燃料柴油輕燃料油（后面順序?qū)ΨQ返回）柴油航空燃料普通汽油優(yōu)質(zhì)汽油含有可順序輸送原油時的排序：優(yōu)質(zhì)汽油普通汽油隔離液(煤油)柴油輕燃料油隔離液(柴油)輕質(zhì)原油重質(zhì)原油（后面順序?qū)ΨQ返回） 輕質(zhì)原油隔離液(柴油)輕燃料油隔離

5、液(煤油)普通汽油優(yōu)質(zhì)汽油 完成一個預定的排列順序稱為完成了一個循環(huán)，所需的時間稱為循環(huán)周期，一年內(nèi)完成的循環(huán)周期數(shù)稱為循環(huán)次數(shù)（或稱為批次）。若一個循環(huán)內(nèi)輸送的油品有m種，則在一個循環(huán)內(nèi)形成的混油段數(shù)為 n=2(m-1)討論：循環(huán)次數(shù)越小，每種油品的一次輸送量就越大，在管道內(nèi)形成的混油段和混油損失就越小。但另一方面油品的生產(chǎn)和消費通常是均衡的，各種油品每天都在生產(chǎn)和消費，順序輸送管道對每種油品來說都是間歇輸送。循環(huán)次數(shù)越小，就需要在首末站及沿線的分油點和進油點建造較大容量的儲罐區(qū)來平衡生產(chǎn)、消費與輸送之間的不平衡，油罐區(qū)的建造和經(jīng)營費用就會增加。結(jié)論：存在著使總費用（罐區(qū)建造費+罐區(qū)經(jīng)營費+

6、混油貶值損失）最小的最優(yōu)循環(huán)次數(shù)。2、循環(huán)周期 三、循環(huán)次數(shù)和罐容的優(yōu)化設(shè)計一般來說，若一條管道順序輸送m種油品，其輸送順序如下： 3 2 1 2 3 , ,1 , ,1 , ,3 ,2 ,1 ，一 個 循 環(huán) mmm在一個循環(huán)中，只有第一種油品和第m種油品只輸一次，其余油品均輸兩次。若每種油品在一個循環(huán)內(nèi)輸送的時間分別為t1 , 2t2 , 2t3 , , tm，則循環(huán)周期為： 121121 222 mi immm tttttttT 在一個循環(huán)中，不輸?shù)谝环N油品的時間為T-t1，但該段時間內(nèi)煉廠仍向首站輸油。若其輸量為q1H，則首站必須設(shè)置的第一種油品的儲罐容量為： 111 tTqV HH

7、在T-t1時間內(nèi)，若終點站以q1K的流量向用戶供應(yīng)第一種油品，則終點站需要設(shè)置的第一種油品的儲罐容量為： 111 tTqV KK 若管線共有s個注入站分別與相鄰的煉廠相連接，在T-t1時間內(nèi)第一種油不能進輸油管，需要在進油點設(shè)置儲罐把煉廠來油儲存起來。各注入站儲存第一種油品的儲罐總?cè)萘繎?yīng)為：式中：V1j第j個注入站需設(shè)置的第一種油品的儲罐容量； q 1j 第j個注入站第一種油品的單位時間進油量。 sj jsj j tTqV 1 111 1 )( 若管線共有r個分輸站，同樣各分輸站需設(shè)置的儲存第一種油品的儲罐總?cè)萘繎?yīng)為： ri iri i tTqV 1 111 1 )(式中：V1i第i個分輸站需

8、設(shè)置的第一種油品的儲罐容量； q1i 第i個分輸站第一種油品的單位時間分油量。 假設(shè)輸送m種油品，為協(xié)調(diào)各種油品供、銷、運之間的不平衡，輸油管道全線需設(shè)置的儲罐總?cè)萘糠謩e為：首站： mp ppHmp pH tTqV 11 )(式中：tp在第一循環(huán)內(nèi)第p種油品的輸送時間；末站： mp ppKmp pK tTqV 11 )(注入站： mp sj ppjmp sj pj tTqV 1 11 1 )( 分輸站： mp ri ppimp ri pi tTqV 1 11 1 )(全線儲罐總?cè)萘繛椋篘BDDqDDq DDqDDqNV m p sj mp ri ppippj mp ppKmp ppH 1 1

9、1 111 )()( )()(1 式中：D輸油管道每年的工作時間； Dp每年輸送第p種油的時間； N循環(huán)次數(shù)。建造、管理油罐區(qū)的費用和混油貶值的總損失為： NDtNDT pp ANVVGEJS KHzz )( E 石油工業(yè)規(guī)定的投資年回收系數(shù)；G 單位有效容積儲罐的經(jīng)營費用；A 每次循環(huán)混油的貶值損失， ；n 每次循環(huán)混油段的數(shù)目；ai 第i個混油段的混油貶值損失；VKH 管道終點接收混油的儲罐容量，VKH=(Vh-Vs)N ;Vh 在循環(huán)周期內(nèi)管道終點接收的混油量；Vs 在循環(huán)周期內(nèi)能夠銷售的混油或與調(diào)和純凈油量。 ni iaA 1式中: Jz單位有效容積儲罐的建設(shè)費用； 上式對循環(huán)次數(shù)N求

10、導，可求得總損失費用最小的最優(yōu)循環(huán)次數(shù)Nop 0)()( ANNVVNBGEJdNddNdS shzz 5.0)( )( shz zop VVGEJA GEJBN 說明：對于不同的終點混油處理方式，上式的形式可能會略有出入，可針對管道的具體情況，應(yīng)用上述求最優(yōu)循環(huán)次數(shù)的原則，對上式作必要的修改。 求得最優(yōu)循環(huán)次數(shù)后，可按照前述各計算公式依次求得全線需要設(shè)置的總罐容，首站、終點站、進油點和分油點的儲罐容量，循環(huán)周期、一個循環(huán)周期內(nèi)各種油品的輸送時間tp和各種油品的輸送量。 實際上批次(循環(huán)次數(shù))和罐容優(yōu)化是很難用上述公式進行計算的。因為成品油管道是面向市場的，雖然煉油廠的生產(chǎn)是連續(xù)的，但市場需求

11、和銷售并不似公式中給出的那么均勻?？紤]原油和成品油價格隨國際油價的變化、煉廠事故及停工檢修等因素，需要在管道首末站多建一些油罐以適應(yīng)市場變化使企業(yè)獲得效益，加之儲罐需要按系列選取，所以按上面的優(yōu)化方法進行計算往往不能滿足實際需要，但這些數(shù)學關(guān)系可便于管理者理清一些基本規(guī)律。 一般情況下是以設(shè)計輸量為基礎(chǔ)，選擇一系列循環(huán)次數(shù)進行罐容、占地、混油處理等等方面的技術(shù)經(jīng)濟比較，確定優(yōu)化的循環(huán)次數(shù)。再根據(jù)設(shè)計規(guī)范確定各種油品所需的油罐容量和個數(shù)。在首末站應(yīng)留有一定量的備用罐以備事故時管道正常輸油。同時應(yīng)考慮市場變化對末站罐容的影響。每種油品至少應(yīng)設(shè)置2-3座油罐。 順序輸送輕質(zhì)成品油的管道，沿線不需要加

12、熱。在管內(nèi)油品流速不是很高的情況下，油品在管道中輸送一段距離后，管內(nèi)油溫將等于管道埋深處的地溫。管道壓降計算及泵站特性計算公式與等溫管道相同。對于流速比較高的情況，必須對成品油管道沿線的摩擦溫升給予關(guān)注。 四、順序輸送管道系統(tǒng)熱力特性與溫升 當輸送介質(zhì)為輕質(zhì)油品且流速大時，溫升現(xiàn)象明顯。油品流動的水力特性與物性、溫度密切相關(guān)，而溫度分布又與流動特性相關(guān)。因此，在成品油管道設(shè)計、運行、管理和離線仿真中，應(yīng)正確反應(yīng)油品溫度變化的影響，這對判斷是否存在泄漏，正確跟蹤順序輸送過程中的油品界面也是十分必要的。 1、輸油管道中油流溫度升高的主要原因(1)泵的攪拌溫升：泵的軸功率不可能全部轉(zhuǎn)化為油流的壓力能

13、，有一部分要克服流體與泵間的摩擦而轉(zhuǎn)化為熱能，造成溫升；(2)壓縮溫升：油品經(jīng)過泵的壓縮也會產(chǎn)生溫升； (3)節(jié)流溫升：油品通過節(jié)流裝置時，一部分壓力損失會轉(zhuǎn)化為熱能，造成溫升；(4)管道摩擦溫升：油品沿管道流動過程中，會由于克服沿程和局部摩阻損失，使一部分機械能轉(zhuǎn)化為油流內(nèi)能，造成溫升。 2、成品油管道溫度變化的計算成品油管道中通常會有多種油品同時流動，再加上管道沿線的流量變化、混油界面移動和混油長度及體積的變化，使得準確計算油品沿管道運行時的溫升很困難。實際成品油管道工藝計算中常常是計算最冷月輸送重油(如柴油)的沿程溫度變化、計算最熱月輸送輕油(如汽油)的沿程溫度變化。 (1)計算油品通過

14、泵站的溫升，主要是泵內(nèi)損失轉(zhuǎn)化的熱能，對于輕烴要考慮經(jīng)過泵壓縮而升高的油溫；(2)計算油品在站間流動時的摩擦溫升，管道中油流的摩擦溫升是壓力損失、液體的質(zhì)量流量、油品粘度和密度的函數(shù)；(3)計算站間管道向環(huán)境散熱的溫降，這與油品的溫度、土壤溫度、管道的表面積、質(zhì)量流量、油品比熱和管道總傳熱系數(shù)等因素有關(guān)。 油品溫度變化可按以下步驟計算預測： 若計算結(jié)果前兩項之和大于第三項，則管道的油溫將升高。例如：在1969年，科洛尼爾管道增加泵站的輸油功率使管道輸油量達到每小時 7631 m3。休斯頓至亞特蘭大的管道上，輸量增加了45，而所需輸油功率卻增加了185，溫升比1967年增高了13.8。為此，設(shè)置

15、了4個油品冷卻站來解決此問題。 3、成品油溫升的影響 成品油輸送過程中溫升造成如下影響：(1) 增加油品蒸發(fā)損耗、降低油品質(zhì)量；(2) 熱應(yīng)力增大，使管道變形或由于承受過高的應(yīng)力而破裂；(3) 輕質(zhì)油品抽吸時易發(fā)生汽蝕現(xiàn)象;(4) 油溫升高后液體膨脹大于鋼管容積的增量，使混油段的實際界面與界面跟蹤計算值不同，這將使界面跟蹤預測結(jié)果與實際產(chǎn)生偏差，從而影響界面跟蹤的準確性;(5) 在線計量油品時，若溫升使油品壓力低于油品的飽和蒸氣壓，則會產(chǎn)生氣泡，這將會使計量誤差增大; (6) 油品升溫使煤油、柴油、燃料油的粘度降低，因此，站間的摩阻也相對減小，這將縮小輸送燃料油與輸送汽油之間耗用動力的差異。(

16、7) 如果管道中總有很多批次的燃料油，燃料油的溫度升高，較大地降低了油品的粘度，可以增加全線的輸量，這是油品溫度升高的有利方面。但對汽、柴等輕油，粘度變化并不明顯，此項作用不大。 目前工藝設(shè)計時仍按等溫管路計算，但流速較高時應(yīng)注意校核溫升情況。 五、成品油管道系統(tǒng)水力特性由于管道中有多種油品順序輸送，所以管道沿線流體的粘度和密度有較大的變化；在油品替換時，泵站特性和管道特性都會發(fā)生變化。泵站特性的變化是在油品交替的短時間內(nèi)完成的，而管道特性的變化需要經(jīng)歷較長的時間，它隨管路中兩種或多種油品長度的變化而改變。因此，在順序輸送管道運行管理中，必須充分考慮它的特殊性。 1、水力不穩(wěn)定特性由于管道沿線

17、有物性不同的油品及其混合物，各種油品及混油段的長度和位置又隨時間而變，順序輸送時液流是不穩(wěn)定的，但不穩(wěn)定程度差別甚大?；煊瓦M入首站的情況是：由于首站的進泵管線一般不長，初始混油段很短，其內(nèi)油品濃度梯度很高，而泵壓正比于液體的密度，變化是比較強烈的。這種壓力突變可能歷時幾十秒之久，然后趨于平穩(wěn)。混油段到達中間泵站時已經(jīng)具有相當?shù)拈L度，其內(nèi)油品濃度梯度顯著降低，故泵壓的變化已趨平緩，一般不會發(fā)生明顯的壓力突變?；煊投窝毓芫€移動過程中，由于摩阻和位能的變化，流量和壓力也相應(yīng)發(fā)生變化，但一般相當緩慢。 因此，按流動不穩(wěn)定程度的不同，順序輸送過程可分為三個區(qū)：突變區(qū)混油段經(jīng)過首站；漸變區(qū)混油段經(jīng)過中間泵

18、站；緩變區(qū)混油段沿管線移動。對于輸送多種油品的順序輸送管道，各泵站和各管段內(nèi)的油品往往不是同一種油品，若用液柱表示泵站揚程和管路的摩阻損失容易混淆，故常采用流量壓力之間的關(guān)系來分析順序輸送管道的水力特性，其變化過程可用圖形來描述， 如圖所示。設(shè)有兩個泵站的管道進行順序輸送，兩站的特性完全相同，第二站設(shè)在管道的中央，輸送油品A和B，A油的密度和粘度比B油低，不考慮高程的影響。據(jù)此可繪出泵站和管線的Q(流量) p(壓力)特性曲線。各條線的含義如下：p Q泵A泵A管A管A1 23 4泵A泵泵泵管A管管管 泵A+泵A：兩站都泵送A油時的泵站總特性泵A+泵：一站泵送A油另一站泵送B油時的泵站總特性泵+泵

19、：兩站都泵送油時的泵站總特性管A+管A：兩段管線都輸送A油時的管路總特性管A+管：一段輸送A油另一段輸送B油時的管路總特性管+管：兩段都輸送B油時的管路總特性p Q泵A泵A管A管A1 23 4泵A泵泵泵管A管管管 管道輸送A油時系統(tǒng)工作點在點，切換入B油時發(fā)生突變，工作點突變到點附近，系統(tǒng)進入突變區(qū)，沒有統(tǒng)一的工作點。待水力擾動消失后，系統(tǒng)可認為有了統(tǒng)一的工作點。隨著管內(nèi)油品的更迭，工作點由2點附近沿著線“泵A+泵B”向左上方移動?；煊瓦_到中間泵站后，泵壓開始變化，系統(tǒng)進入漸變區(qū)，系統(tǒng)工作點由點右側(cè)附近漸變到4點左側(cè)附近。混油通過中間站后，系統(tǒng)工作點沿著線“泵B+泵B”繼續(xù)向左上方移動。油品更

20、換完畢后，系統(tǒng)工作點穩(wěn)定在5點。p Q泵A泵A管A管A1 23 4泵A泵泵泵管A管管管 p Q泵A泵A管A管A1 23 4泵A泵泵泵管A管管管若是以A油置換B油，則工況的變化路徑是從5突變到6，再緩變到3左側(cè)，再漸變到7右側(cè)，再緩變到1。工況的變化路徑是從1突變到2，再緩變到3右側(cè)，再漸變到4左側(cè)，再緩變到5。 2 、順序輸送管道的最大輸量 對于輸送單一介質(zhì)的管道，如果忽略介質(zhì)溫度變化，那么在一個較長的時間段內(nèi)，管道的最大輸送能力是一定的。而對于有若干個泵站的長距離成品油順序輸送管道，在管道內(nèi)常存在若干種油品，整個管道的最大輸量受較高粘度油品所充滿的那段管道通過能力的限制。由于各種油品的粘度和

21、密度不同，隨著管道內(nèi)油品的流動和油品的交替變化，各泵站進出站壓力、沿線各點動水壓力都會隨輸送時間變化。另外，管道沿線分輸站、注入站的開啟和關(guān)閉也會造成管線各點壓力變化，從而管道的最大輸量會不斷變化。了解不同時間順序輸送管道的最大輸量，在制定輸油計劃時可以對管道輸送能力作出正確的估計，以便能充分地利用它。 管道輸送不同油品時，各站的調(diào)節(jié)措施和幅度會變化。對于沿線地形起伏較大的管道，還常設(shè)有減壓站，所以，求解管道最大輸送能力時就必須考慮管道沿線較高點和較低點的壓力約束條件。因此，應(yīng)綜合考慮以下幾個約束條件來求解管道最大輸送能力： 泵站和管路的能量平衡； 各泵站的進站壓力應(yīng)大于或等于最小允許進站壓力； 各泵站的進站壓力應(yīng)小于最大允許進站壓力(有泵運行時)； 各泵站的出站壓力應(yīng)小于或等于最大允許出站壓力； 管道沿線高、低特殊點的壓力約束，即高點動水壓力要高于輸送油品的飽和蒸汽壓，低點動水壓力要低于管材強度允許的壓力。