原油長輸管道初步設(shè)計畢業(yè)設(shè)計計算書

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1、 緒論 原油的運輸作為能源利用技術(shù)的重要一環(huán),越來越受到重視,而其中管道運輸與鐵路、水路、公路、航空相比,因其輸送距離長、建設(shè)速度快、占地少、管徑大、輸量高、能耗低、不污染環(huán)境、受地理及氣象條件影響小等優(yōu)點,而得到快速發(fā)展,已成為世界主要的原油輸送方法[1]。 原油按其油品性質(zhì)來分,可以將原油分為輕質(zhì)原油和高粘易凝原油,后者還可以分為含蠟量較高的含蠟原油和含膠質(zhì)、瀝青質(zhì)較高高粘重質(zhì)原油(即稠油)[2]。輕質(zhì)原油的輸送較為容易,一般常規(guī)輸送工藝就能滿足要求。含蠟原油的的凝點較高,管輸過程中易出現(xiàn)析蠟、凝管、堵塞等事故,嚴(yán)重影響管輸?shù)哪芰托省6哒持刭|(zhì)原油的粘度非常高(通常是幾百甚至是幾

2、萬厘波[3]),因此管路的壓降就相當(dāng)大,這就大大增加了原始基建投資和運行費用。 現(xiàn)在原油管輸工藝的種類很多,應(yīng)用較多、技術(shù)比較成熟的傳統(tǒng)管輸工藝有火焰加熱器的加熱輸工藝、熱處理輸送工藝、加劑(包括降凝劑、減阻劑、乳化劑)輸送工藝[4~13]、稀釋輸送工藝[14]。另有相對來說應(yīng)用較少、有待進(jìn)一步研究開發(fā)的現(xiàn)代工藝,有保溫結(jié)合伴熱輸送工藝、太陽能加熱等特殊加熱工藝[15]、低粘液環(huán)輸送工藝、微波降粘輸送工藝[16]、水懸浮輸送工藝、氣飽和輸送工藝、磁處理輸送工藝[17]、改質(zhì)輸送工藝[18]、管道內(nèi)涂輸送工藝[19]等。 由于我國生產(chǎn)的原油多屬高含蠟、高凝固點、高粘度原油,因此我國多數(shù)管道仍

3、采用加熱輸送。無論從輸油成本以及設(shè)備投資方面都比常溫輸送高出很多,并且我國大部分輸油管道都建在70年代,為了保證安全運行和提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益,舊管輸工藝的改進(jìn)和新建管道先進(jìn)技術(shù)研究開發(fā)是當(dāng)前管輸工作的重點。我國從事管道科研人員近年來在這方面取得了較大進(jìn)展。 我國輸油工藝技術(shù)發(fā)展方向[20]: (1) 適應(yīng)國內(nèi)油田發(fā)展的特點, 解決東部管道低輸量運行, 西部管道常溫輸送, 海洋管道間歇輸送和成品油順序輸送問題。堅持輸油工藝的新型化和多樣化。(2) 采用高效節(jié)能設(shè)備, 管輸過程中節(jié)能和降低油耗的最有效措施是采用高效的輸油泵和加熱爐, 開展新型高效離心泵和國產(chǎn)高效加熱爐的研制是擺在我們面前的一項艱巨

4、任務(wù)。(3) 加強(qiáng)原油熱處理、降凝劑和減阻劑機(jī)理的研究, 從根本添加劑對不同原油減阻降凝機(jī)理的認(rèn)識問題。(4) 開展添加劑的研制工作, 形成添加劑研究—生產(chǎn)—應(yīng)用一條龍。(5) 進(jìn)一步研究降粘裂化輸送, 水環(huán)輸送, 界面減阻輸送, 磁處理輸送機(jī)理和適應(yīng)范圍。針對不同油田原油的特點進(jìn)行工業(yè)性試驗,對特定的原油采用特殊的方法輸送。 設(shè)計內(nèi)容 (1) 計算及說明書部分內(nèi)容要求 1) 根據(jù)費用現(xiàn)值最小原則確定最優(yōu)管徑。 2) 水力與熱力計算。 3) 主要設(shè)備選型,包括泵、爐、罐、原動機(jī)等。 4) 站址確定、調(diào)整及工況校核。 5) 反輸計算。 6) 站內(nèi)流程設(shè)計。 7) 幾種輸量下的

5、運行方案確定。 8) 繪圖部分內(nèi)容要求。 9) 繪圖采用AUTOCAD。 10) 圖幅均采用1號或2號圖紙。 (2)設(shè)計依據(jù): (1)《輸油管道設(shè)計與管理》 (2) 《輸油管道工程設(shè)計規(guī)范》 (3) 《泵產(chǎn)品樣本》 (4) 《石油化工裝置 工藝管道安裝設(shè)計手冊》 (5) 《管路附件設(shè)計選用手冊》 (6)《油庫設(shè)計與管理》 其他國家現(xiàn)行的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范的規(guī)定 計算部分 DH原油管線初步設(shè)計 1、 設(shè)計依據(jù)與基礎(chǔ)參數(shù) 1. 原始數(shù)據(jù) (1)最大設(shè)計輸量為550萬噸/年; 生產(chǎn)期生產(chǎn)負(fù)荷(各年輸量與最大輸量的比率)見下表1。 表1 生產(chǎn)期生產(chǎn)負(fù)荷表 年

6、1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 生產(chǎn)負(fù)荷(%) 70 80 90 100 100 100 100 100 100 100 100 90 80 70 (2)年最低月平均溫度2℃; (3)管道中心埋深1.55m; (4)土壤導(dǎo)熱系數(shù)1.45w/(m?℃); (5)瀝青防腐層導(dǎo)熱系數(shù)0.15w/(m?℃); (6)原油物性 ①20℃的密度860kg/m; ②初餾點81℃; ③反常點28℃; ④凝固點25℃; ⑤比熱2.1kJ/(kg℃); ⑥燃油熱值4.1810kJ/kg。 (7)粘溫關(guān)

7、系 見表2 表2 油品溫度與粘度數(shù)據(jù) 溫度(℃) 28 30 35 40 45 50 55 60 粘度(cp) 124.5 111 83.2 69 60 53 48 42.5 (8)沿程里程、高程(管道全程320km)數(shù)據(jù)見表3 表3 管道縱斷面數(shù)據(jù) 里程(km) 0 40 70 130 165 190 230 250 280 300 320 高程(km) 28 30 10 25 35 28 36 42 68 45 35 2. 設(shè)計基礎(chǔ)參數(shù) 1) 原油物性參數(shù) ① 原油進(jìn)站溫度、出站溫度

8、由于一般原油加熱溫度為60~70℃,考慮到最高出站溫度為60℃,故取TR =60℃ 。 由于最低進(jìn)站溫度比凝固點高7℃,且考慮到反常溫度和最低進(jìn)站溫度都為30℃,故在最低進(jìn)站溫度時仍可以滿足牛頓流體的特性,故取TZ =30℃。 ② 平均輸送溫度 在加熱輸送條件下,計算溫度采用平均輸油溫度T,平均輸油溫度采用加權(quán)法,按下式計算: Error! No bookmark name given. (1-1) 式中: ——原油出站溫度,℃,取=60℃; ——原油進(jìn)站溫度,℃,取=30℃; ——原油平均溫度,℃,由上式計算得

9、= 40℃。 ③ 原油密度 所輸原油密度(g/cm3)隨溫度T(℃)的變化關(guān)系為: (1-2) 式中:——20℃下原油密度,kg/m3; ——溫度系數(shù),=1.825-0.001315ρ,kg/( m3℃),解得=0.6941; ——平均輸油溫度,℃,取=40℃。 即得原有粘度與溫度的變化關(guān)系式: ρ=860-0.6941(T-20) (1-3) 解得=846.12 kg/m3。

10、④ 原油粘度 由最小二乘法回歸粘溫關(guān)系如表1-1 表1-1 粘溫關(guān)系回歸表 溫度(℃) 60 55 50 45 40 35 30 28 粘度 (10-6m2/s) 42.5 48 53 60 69 83.2 111 124.5 lnν -10.0660 -9.9443 -9.8452 -9.7212 -9.5814 -9.3943 -9.1060 -8.9912 取xi為T,yi為lnν,并設(shè) Σxi= 343 Σyi= -76.6496 = 42.875 = -9.5812 === -8.1751 回

11、歸結(jié)果為lnν=-8.1751-0.0328T 得原油粘度為: ν=e-8.1751-0.0328T (1-4) 式中:T--平均輸油溫度(℃); 2) 其他設(shè)計參數(shù) 管道全線任務(wù)輸量、最小輸量、進(jìn)出站油溫、埋深處月平均氣溫等列于表1-12設(shè)計參數(shù)表中。生產(chǎn)天數(shù)按照350天計算。 表1-2 設(shè)計參數(shù)表 任務(wù)輸量(10t/a) 最小輸量(10t/a) 管線里程(Km) 最高出站油溫℃ 最低出站油溫℃ 埋深處月平均氣溫℃ 550 385 320 60 30 2.0 質(zhì)量流量為: kg/s 127.31

12、kg/s 由質(zhì)量流量與體積流量換算公式: (1-5) 0.2149m3/s 0.1505m3/s 2、 經(jīng)濟(jì)管徑的選擇 1. 管徑及管材的初選 1)管徑選擇 根據(jù)規(guī)范,輸油管道經(jīng)濟(jì)流速范圍為1.5-2.0m/s,管徑計算公式如下: d= (2-1) 式中:Q--額定任務(wù)輸量(m/s),0.2149m/s; V--管內(nèi)原油經(jīng)濟(jì)流速(m/s); d--管道內(nèi)徑(m); 根據(jù)輸量計算結(jié)果如下表1-13: 表1-13 初選管徑表

13、經(jīng)濟(jì)流速 (m/s) 計算結(jié)果 (mm) 初選管Ⅰ (mm) 初選管Ⅱ (mm) 初選管徑Ⅲ (mm) 1.5 427.2 406.4 457 508 2)管材選用 本工程采用直縫電阻焊鋼管。 綜合考慮輸油系統(tǒng)的壓力、輸油泵的特性、閥門及管件的耐壓等級等綜合因素,管材選用按照API標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的X60直縫電阻焊鋼管,局部高壓管段選用按照API標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的X80直縫電阻焊鋼管。 根據(jù)輸量的大小,本次設(shè)計提出了3種可能的管徑,分別是Φ406.46.4、Φ4577.1、Φ5087.9。在這里采用費用現(xiàn)值來確定最經(jīng)濟(jì)管徑。 2. 費用現(xiàn)值法確定經(jīng)濟(jì)管徑 1)確定經(jīng)

14、濟(jì)管徑的原則 對某一輸量下的管路,隨著管徑的增大,基本建設(shè)中鋼材及線路工程投資增大,但壓力損失降低,泵站數(shù)減少,站場投資減少。而有些項目如道路、供水、通訊等投資不變。故總投資隨著管徑的變化必有極小值存在,而輸油能耗也在下降。其它項目如材料費、折舊費、稅金、管理及維修費等是按照投資總額提成一定比例計算的。該費用隨著管徑的變化與投資隨著管徑的變化趨勢相同,所以總投資與經(jīng)營費用的疊加總有一個與其最小值對應(yīng)。該費用最小值的管徑為最優(yōu)管徑。 2)費用現(xiàn)值法 費用現(xiàn)值比較法簡稱現(xiàn)值比較法。使用該方法時,先計算各比較方案的費用現(xiàn)值,然后進(jìn)行對比,以費用現(xiàn)值較低的方案為優(yōu)。 費用現(xiàn)值法的計算公式為:

15、 (1-8) 式中:I--第t年的全部投資(包括固定資產(chǎn)和流動資金); ’--第t年的經(jīng)營成本; S--計算期末回收的固定資產(chǎn)余值(此處為0); W--計算期末回收的流動資金; N--計算期 N=16; i--行業(yè)基準(zhǔn)收益率 =12%; 油氣儲運企業(yè)的要素成本包括:電力費用、工資及福利費、修理費、油氣損耗費、折舊費、利息支出、其他費用。 3)經(jīng)營成本和流動資金 年經(jīng)營成本=燃料費用+電力費用+工資及福利費+修理費+油氣損耗費+折舊費+其他費用 燃料費用主要是指加熱設(shè)備(包括加熱爐和鍋爐)的燃料費用。 對于長距離輸油管道

16、系統(tǒng),燃料費用主要是原油加熱輸送工藝中加熱爐的燃料油費用??筛鶕?jù)原油進(jìn)出站溫度計算,計算公式如下: SR= G Cy (TRi –Tzi) nR (1-9) 式中:SR --燃料費用,元/年; ey--燃料油價格,元/噸; Cy --原油比熱,J/kg℃; BH--燃料油熱值,J/kg; TRi --第i加熱站的出站溫度,℃; TZi --第i加熱站的進(jìn)站溫度,℃; Ri--第i加熱站的加熱爐效率; G--管道年輸量,噸/年; nR--加熱站個數(shù);

17、 電力費用是指用于支付泵的電力設(shè)備和電動機(jī)具所消耗電能的費用,主要是輸油泵等動力設(shè)備的電費。 對于長輸管道系統(tǒng),電力費用主要是泵站輸油泵機(jī)組的電費。 全線的電力費用可采用下式計算: SP= (1-10) 式中:SP--全線泵機(jī)組所消耗的電力費用,元/年; H --第i泵站的揚程,m; ed --電力價格,元/kWh; ηpei--第i泵站泵機(jī)組的效率; G--年輸量,噸/年; 油氣損耗費包括大罐的蒸發(fā)損耗和泄漏損失等,可按年輸量或銷售量的一定比例計算。 油氣損耗費=損耗比例年輸量(或年銷量)油價(或氣價) 損耗比例

18、一般可取為0.1%~2.3%。 固定資產(chǎn)形成率為85%,綜合折舊率取7.14%(綜合折舊年限為14年),殘值為0。 修理費按固定資產(chǎn)原值的1%計算,輸油成本中其他費用按工資總額與職工福利費之和的2倍計算。 水電設(shè)施、道路、通訊設(shè)施等費用按線路投資與輸油站投資之和的12%計算。 管道建設(shè)期為2年,第一年和第二年投資分別按總投資的40%、60%計算,固定資產(chǎn)投資方向調(diào)節(jié)稅稅率為0。固定資產(chǎn)的30%為自有資金,70%為建設(shè)銀行貸款,貸款利率為8%。 流動資金利用擴(kuò)大指標(biāo)估算法,按流動資金占固定資產(chǎn)原值的5%計算。 4)比較方案 三種管徑的計算結(jié)果如下: 其中Φ4577.1的費用現(xiàn)值最

19、小,采用Φ4577.1的管道進(jìn)行施工和投產(chǎn)運行更為經(jīng)濟(jì)。 3. 管道壁厚選擇 根據(jù)《輸油管道工程設(shè)計規(guī)范》,輸油管道直管段鋼管管壁厚按下式計算: (1-11) 式中: ——計算的屈服應(yīng)力,MPa; ——工作壓力,MPa; ——管道外徑,mm; ——強(qiáng)度設(shè)計系數(shù),此處取=0.72; ——焊縫系數(shù),此處取=1.0; ——管道厚度,mm。 管道系統(tǒng)設(shè)計壓力為7MPa時,管道選用X60直縫電阻焊鋼管,屈服強(qiáng)度413MPa,壁厚計算結(jié)果如下表1-14: 表1-14 壁厚計算表 公稱直徑 (mm)

20、 計算壁厚 (mm) 腐蝕余量 (mm) 實選壁厚 (mm) 管道外徑 (mm) DN457 5.379 1 7.1 Φ4577.1 3、 輸油工程 1. 主要工藝 1)原油密閉加熱輸送工藝 (1)加熱輸送工藝 易凝易粘的油品當(dāng)其凝點高于管道周圍環(huán)境溫度、或在環(huán)境溫度條件下油流粘度很高時,不能直接采用等溫輸送方法。油流過高的粘度使管道的壓降劇增,不經(jīng)濟(jì)也不安全。加熱輸送是目前最常用的方法。其可以降低粘度減少摩阻損失并降低管輸壓力,保證安全輸送。 (2)密閉輸送工藝 泵到泵密閉輸送工藝是目前國內(nèi)外管道采用的先進(jìn)輸送工藝。對輸油系統(tǒng)壓力實行自動調(diào)

21、節(jié)以及系統(tǒng)自動連鎖保護(hù),是實現(xiàn)密閉輸油的前提。中間泵站設(shè)一水擊泄放罐,不設(shè)旁接油罐和緩沖罐,大幅降低各站儲罐的容量,節(jié)約工程投資,減少原油損耗。 2.判斷流態(tài)并計算總傳熱系數(shù) 1) 判斷流態(tài) 雷諾數(shù)的計算公式如下: 只需在最小和最大流量兩種極端狀況下便可判斷流態(tài)是否變化, 由表1-1知在計算溫度下的原油動力粘度為:ν=6910-6m2/s。 則 =8960.04 6274.95 由推薦值:e=0.054mm。 則管壁相對當(dāng)量粗糙度為:0.243910-3。 查得公式: 代入計算得:8.00

22、6105。 因為3000< Remin< Remax < Re1,兩種極端情況下的流動都處在水力光滑區(qū)。據(jù)此,可確定m = 0.25,=0.0246。 2) 總傳熱系數(shù) 由 (2-3) 式中:D--管道外徑(m); --土壤導(dǎo)熱系數(shù)(w/m℃),取1.45 w/m℃; h--管道中心埋深(m),取1.55 m; 得==2.434 K= (2-4) 式中:--瀝青防腐層(m),0.006 m; --防腐層導(dǎo)熱系數(shù)(w/m℃),取0.15w/m℃; 得總傳熱系數(shù)K

23、==2.22 (w/m℃); 3. 工藝計算及站場布置 1)最小輸量工況計算 根據(jù)任務(wù)書的要求,設(shè)計最小輸量為Qmin =0.1505m3/s = 541.8 m3/h 即Gmin =127.3kg/s。 ?確定熱站數(shù) 熱力計算按最小輸量情況進(jìn)行計算。 根據(jù)任務(wù)書的要求,,設(shè)計最小輸量為0.1505m/s 即127.3kg/s. 總傳熱系數(shù)由(2-4)得為2.22w/m℃。 由雷諾數(shù)判斷流態(tài)均為紊流的水力光滑區(qū)。 根據(jù)以下公式求解所需的熱站數(shù)。 水力坡降 i= (2-5) a=

24、 (2-6) b= (2-7) L (2-8) 最終得熱站數(shù): n (2-9) 最終向上取整得熱站數(shù)n。 式中:D--管道外徑(m),取0.457m; K--熱油管道總傳熱系數(shù)(w/m℃),取2.22w/m℃; C--油品比熱(J/(kg℃)),取2100 J/(kg℃); i=0.003999m/m b=1.568℃ a=1.1910-5m LR=6.3721104m n=5.02向上取整得n=6 需要6座加熱站,站間距

25、為L=53.33 Km。 ②按平均布站反算出站溫度 設(shè)TZ = 30℃,b= 1.568℃,起點油溫計算公式: (2-10) 將各參數(shù)代入上式得:TR1=53.436℃。 則由公式(1-1)得平均溫度:T=37.812℃; 由公式(1-4)得計算動力粘度:ν=8.14810-5 m2/s; 由公式(1-3)得在計算溫度下的密度:ρ=847.64 kg/m3; 由公式(1-5)得在計算溫度下的最小體積流量:Q=0.1502m3/s; 將上述參數(shù)值帶入公式(2-5)得:i=0.00406 m/m; 由公式(2-7)得:b=1.591℃;

26、 由公式(2-8)得:LR =53.33km。 故取TR=56.69℃。則在最小輸量工況下的設(shè)計參數(shù)選取結(jié)果如表2-1: 表2-1最小輸量工況下熱力計算參數(shù)表 出站溫度TR(℃) 平均溫度T(℃) 平均密度ρ(kg/m3) 體積流量 Q(m3/s) 水力坡降i(m/m) b (℃) 站間距LR (km) 53.436 37.812 847.64 0.1502 0.00406 1.591 53.33 ③翻越點判斷 由沿程高程表3知(280km,68m)處可能存在翻越點。 在長輸管路中,局部摩阻總是占據(jù)很小的部分,一般占沿程摩阻的約1%,全線總壓頭

27、損失公式: (2-11) 式中:——全線壓頭損失,m; ——沿程摩阻,m; ——管道起點與終點的高程差,m; ——局部摩阻,m。 由公式(2-11)計算得: 全線總壓頭損失: H=1.010.00406320103+(35-28)=1319.192m。 到可能翻越點處壓頭損失: Hf=1.010.00406280103+(68-28)= 1188.168m。 由Hf < H,知在最小輸量工況下不存在翻越點。 ④確定泵站數(shù) 管道允許的最大操作壓力為: = =9.24MPa 管道最大承受壓力9.2

28、4Mpa時, H==1109.24m 即管道承壓為1109.24m,出站壓力要小于此值。參照《JBT10114-1999輸油離心泵 型式與基本參數(shù)》選擇型號為KSY800-190的泵,其特性方程為: H=240.56-0.00042Q1.75 最小輸量時,Q=540.7m3/h,則H=215.1m,泵站內(nèi)泵數(shù)為n==5.2,向下取整為5,則最大輸量工況下每個泵站應(yīng)選用5臺KSY800-190泵串聯(lián),可增加一臺備用。 泵站特性方程為HC=5(240.56-0.00042Q1.75)=1075.44m,全程所需泵站數(shù)N==1.2向上取整為N=2,則最小輸量工況下需設(shè)置2個泵站。 2)最

29、大輸量工況計算 根據(jù)任務(wù)書的要求,設(shè)計最大輸量為Qmax =0.2149m3/s = 773.84m3/h 即Gmax =181.9 kg/s=6.4576105 kg/h。 ①熱力計算及確定加熱站 由公式(2-5)計算得:i = 0.00747m/m; 由公式(2-6)計算得:a =8.331910-6m; 由公式(2-7)計算得:b=4.181℃; 由公式(2-8)計算得:LR = 97.84km; 由公式(2-9)計算得:n=3.27,向上圓整為n=4; 由于最小輸量時加熱站數(shù)為六個,從經(jīng)濟(jì)環(huán)保角度考慮,最大輸量時可調(diào)整成六個加熱站。下面反算在最大輸量時設(shè)六個加熱站時的出

30、站溫度。 仍取進(jìn)站溫度TZ=30℃。 現(xiàn)令b=0,對出站油溫進(jìn)行第一次迭代試算: 由公式(2-10)計算得:TR1= 45.67℃; 由公式(1-1)計算得平均溫度:T= 35.22℃; 由公式(1-4)得計算動力粘度:ν=0.88710-4 m2/s; 由公式(1-3)得在計算溫度下的密度:ρ=849.43 kg/m3; 由公式(1-5)得在計算溫度下的最小體積流量:Q=0.2141m3/s; 將上述參數(shù)值帶入公式(2-5)得i=0.00771 m/m; 由公式(2-7)計算得:b=4.319℃; 由公式(2-10)得:TR2= 43.25℃。 由于|TR1-TR2|>

31、0.2,故對出站油溫進(jìn)行第二次迭代試算: 由公式(1-1)計算得平均溫度:T= 34.41℃; 由公式(1-4)得計算動力粘度:ν=0.910910-4 m2/s; 由公式(1-3)得在計算溫度下的密度:ρ=850.00kg/m3; 由公式(1-5)得在計算溫度下的最小體積流量:Q=0.2140m3/s; 將上述參數(shù)值帶入公式(2-5)得i=0.00775 m/m; 由公式(2-7)計算得:b=4.342℃; 由公式(2-10)得:TR3= 43.24℃。 由于|TR2-TR3|<0.2,故取TR= 43.24℃,即在最大輸量下原油出站溫度是TR= 43.24℃。則在最大輸量工

32、況下熱力計算參數(shù)如表2-2: 表2-2最大輸量工況下熱力計算參數(shù)表 出站溫度TR(℃) 平均溫度T(℃) 平均密度ρ(kg/m3) 體積流量Q(m3/s) 水力坡降i(m/m) b (℃) 站間距LR(km) 43.24 34.41 850.00 0.2140 0.00775 4.342 53.33 ②翻越點判斷 由沿程高程表3知(280km,68m)處可能存在翻越點。 由公式(2-11)計算得: 全線總壓頭損失: H=1.010.00775320103+(35-28)=2511.8m。 到可能翻越點處壓頭損失: Hf=1.010.007752

33、80103+(68-28)=2231.7m。 由Hf < H,知在最大輸量工況下不存在翻越點。 ③確定泵站數(shù) 最大輸量時,在平均溫度下,管道體積流量為Qmax =0.21403600=770.4 m3/h。參照《JBT10114-1999輸油離心泵 型式與基本參數(shù)》選擇型號為KSY800-190的泵,其特性方程為: H=240.56-0.00042Q1.75 最大輸量時,Q=770.4 m3/h,則H=193.23m,泵站內(nèi)泵數(shù)為n==5.7,向下取整為5,則最大輸量工況下每個泵站應(yīng)選用5臺KSY800-190泵串聯(lián),可增加一臺備用。 泵站特性方程為HC=5(240.56-0.00

34、042Q1.75)=966.14m,全程所需泵站數(shù)N==2.6向上取整為N=3,則最大輸量工況下需設(shè)置3個泵站。 由兩種極端工況確定的應(yīng)設(shè)站數(shù)如表2-3: 表2-3 布站數(shù)量 —— 熱站數(shù) 泵站數(shù) 最小輸量 6 2 最大輸量 4 3 3)確定站址 根據(jù)地形的實際情況,本著熱泵合一的原則,進(jìn)行站址的調(diào)整:設(shè)置3個熱泵站與3個熱站。站址為:(0km,28m)、(53km,21m)、(107km,19m)、(160km,34m)、(213km,33m)、(267km,56m)。具體布站情況如表2-4: 表2-4 均勻布站表 站 里程(km) 高程(m) 布站情況

35、 首站 0 28 加熱站、泵站 2# 53 21 加熱站 3# 107 19 加熱站、泵站 4# 160 34 加熱站 5# 213 33 加熱站、泵站 6# 267 56 加熱站 末站 320 35 4.各種工況下各站參數(shù) 1)最大輸量 ①熱力參數(shù) 最大輸量時的基本熱力參數(shù)計算結(jié)果如表2-2。 由于是平均布站,故各個加熱站的進(jìn)站溫度、出站溫度都相同,即TR=43.24℃,TZ=30℃。加熱爐的熱負(fù)荷由下面的公式計算: (2-16) 式中:q——加熱爐的熱負(fù)荷

36、,kw; G——油品流量,kg/s; C——油品比熱,kJ/(kg℃); 由公式(2-16)計算得熱泵站加熱爐的熱負(fù)荷為: q=181.92.1(43.24-30)=5055.6kw。 ②水力參數(shù) 全線總壓頭損失: H=1.010.00775320103+(35-28)=2511.8m。 設(shè)置3個泵站,則泵站揚程為: HC==837.27m 最大輸量下泵揚程H=193.23m,則每個泵站需開泵數(shù): N===4.3,向上取整N=5,故最大輸量下選用型號為KSY800-190的泵6臺,5臺串聯(lián),另有一臺備用。 2)90%輸量 ①熱力參數(shù) 取進(jìn)站溫

37、度TZ=30℃。 現(xiàn)令b=0,對出站油溫進(jìn)行第一次迭代試算: 由公式(2-10)計算得:TR1= 47.88℃; 由公式(1-1)計算得平均溫度:T= 35.96℃; 由公式(1-4)得計算動力粘度:ν=0.865910-4 m2/s; 由公式(1-3)得在計算溫度下的密度:ρ=848.92 kg/m3; 由公式(1-5)得在計算溫度下的最小體積流量:Q=0.1928m3/s; 將上述參數(shù)值帶入公式(2-5)得i=0.00638 m/m; 由公式(2-7)計算得:b=3.216℃; 由公式(2-10)得:TR2= 45.82℃。 由于|TR1-TR2|>0.2,故對出站油溫

38、進(jìn)行第二次迭代試算: 由公式(1-1)計算得平均溫度:T= 35.27℃; 由公式(1-4)得計算動力粘度:ν=0.885510-4 m2/s; 由公式(1-3)得在計算溫度下的密度:ρ=849.40kg/m3; 由公式(1-5)得在計算溫度下的最小體積流量:Q=0.1927m3/s; 將上述參數(shù)值帶入公式(2-5)得i=0.00641 m/m; 由公式(2-7)計算得:b=3.231℃; 由公式(2-10)得:TR3= 45.81℃。 由于|TR2-TR3|<0.2,故取TR= 45.81℃,即在最大輸量下原油出站溫度是TR= 45.81℃。則在90%輸量工況下熱力計算參數(shù)如

39、表2-5: 表2-5 90%輸量工況下熱力計算參數(shù)表 出站溫度TR(℃) 平均溫度T(℃) 平均密度ρ(kg/m3) 體積流量Q(m3/s) 水力坡降i(m/m) b (℃) 站間距LR(km) 45.81 35.27 849.40 0.1927 0.00641 3.231 53.33 由于是平均布站,故各個加熱站的進(jìn)站溫度、出站溫度都相同,即TR=45.81℃,TZ=30℃。由公式(2-16)計算得熱泵站加熱爐的熱負(fù)荷為: q=163.72.1(45.81-30)=5435.0037kw。 ②水力參數(shù) 全線總壓頭損失: H=1.010.0064132

40、0103+(35-28)=2078.712m。 設(shè)置3個泵站,則泵站揚程為: HC==692.904m 90%輸量下泵揚程: H=240.56-0.00042Q1.75=240.56-0.00042(0.19273600)1.75=201.17m 則每個泵站需開泵數(shù): N===3.4,向上取整N=4,故90%輸量下開泵4臺。 3)80%輸量 ①熱力參數(shù) 取進(jìn)站溫度TZ=30℃。 現(xiàn)令b=0,對出站油溫進(jìn)行第一次迭代試算: 由公式(2-10)計算得:TR1= 47.88℃; 由公式(1-1)計算得平均溫度:T= 35.96℃; 由公式(1-4)得計算動力粘度:ν=0.8

41、65910-4 m2/s; 由公式(1-3)得在計算溫度下的密度:ρ=848.92 kg/m3; 由公式(1-5)得在計算溫度下的最小體積流量:Q=0.1714m3/s; 將上述參數(shù)值帶入公式(2-5)得i=0.00519 m/m; 由公式(2-7)計算得:b=2.617℃; 由公式(2-10)得:TR2= 46.21℃。 由于|TR1-TR2|>0.2,故對出站油溫進(jìn)行第二次迭代試算: 由公式(1-1)計算得平均溫度:T= 35.40℃; 由公式(1-4)得計算動力粘度:ν=0.881810-4 m2/s; 由公式(1-3)得在計算溫度下的密度:ρ=849.31kg/m3;

42、 由公式(1-5)得在計算溫度下的最小體積流量:Q=0.1713m3/s; 將上述參數(shù)值帶入公式(2-5)得i=0.00521 m/m; 由公式(2-7)計算得:b=2.627℃; 由公式(2-10)得:TR3= 46.20℃。 由于|TR2-TR3|<0.2,故取TR= 45.81℃,即在最大輸量下原油出站溫度是TR= 45.81℃。則在90%輸量工況下熱力計算參數(shù)如表2-5: 表2-6 80%輸量工況下熱力計算參數(shù)表 出站溫度TR(℃) 平均溫度T(℃) 平均密度ρ(kg/m3) 體積流量Q(m3/s) 水力坡降i(m/m) b (℃) 站間距LR(km) 4

43、6.20 35.40 849.31 0.1713 0.00521 2.627 53.33 由于是平均布站,故各個加熱站的進(jìn)站溫度、出站溫度都相同,即TR=46.20℃,TZ=30℃。由公式(2-16)計算得熱泵站加熱爐的熱負(fù)荷為: q=145.52.1(46.20-30)=4949.91kw。 ②水力參數(shù) 全線總壓頭損失: H=1.010.00521320103+(35-28)=1690.872m。 設(shè)置3個泵站,則泵站揚程為: HC==563.624m 80%輸量下泵揚程: H=240.56-0.00042Q1.75=240.56-0.00042(0.17133

44、600)1.75=208.5m 則每個泵站需開泵數(shù): N===2.7,向上取整N=3,故80%輸量下開泵3臺。 4)最小輸量 ①熱力參數(shù) 最小輸量時的基本熱力參數(shù)計算結(jié)果如表2-1。 由于是平均布站,故各個加熱站的進(jìn)站溫度、出站溫度都相同,即TR=46.20℃,TZ=30℃。由公式(2-16)計算得熱泵站加熱爐的熱負(fù)荷為: q=127.32.1(53.44-30)=6266.2152kw。 ②水力參數(shù) 全線總壓頭損失: H=1.010.00406320103+(35-28)=1319.192m。 設(shè)置3個泵站,則泵站揚程為: HC==439.73m 最小輸量下泵揚程為

45、H=215.1m 則每個泵站需開泵數(shù): N===2.04,向上取整N=3,故最小輸量下開泵3臺。 5.主要設(shè)備選型 1)輸油站儲油罐 首、末站的油罐分別用來調(diào)節(jié)來油、收油(轉(zhuǎn)運)單位與管道的輸量不平衡,罐容較大。罐容計算公式如下: (2-19) 式中:——輸油首站、輸入站、分輸站、末站原油儲罐總?cè)萘?,m3; ——輸油首站、輸入站、分輸站、末站原油年總運轉(zhuǎn)量,kg; ——利用系數(shù),取0.9; ——儲存時間,d。 儲存溫度這里取30℃,由公式(1-2)計算得ρ=853.059kg/m3。 輸油首站

46、的原油來自油田或管道時,其儲備天數(shù)選為3d。則由公式(2-19)得輸油首站儲油罐總?cè)萘浚? =61403.7m3 所以,可以選取1座50000m3和1座15000m3鋼制浮頂罐。 末站為向用戶供油的管道專輸站時,油品儲備天數(shù)宜為4d。則由公式(2-19)得分輸站、末站儲油罐總?cè)萘浚? m3 所以,可以選取1座50000m3和2座20000m3鋼制浮頂罐。 2)加熱爐 因為是加熱站是均勻布站,所以相同流量下每站所需有效負(fù)荷是相同的。 由前述計算過程可以得到各種工況下各熱泵站所需熱量如表2-7: 表2-7 不同輸量下所需熱量表 輸量 100%輸量 90%輸量 80%輸量 7

47、0%輸量 管路所需熱量(kw) 5055.6 5435.00 4949.91 6266.22 綜合使用年限內(nèi)的輸送要求,在保證滿足加熱站的熱負(fù)荷要求且加熱效率高的前提下,以設(shè)置加熱爐數(shù)量最少、利用率最高為原則,最后選定直接加熱的臥式圓筒管式加熱爐,具體為:3500kw功率一座、2000kw兩座和1500kw兩座。個輸量工況下的加熱爐配置如表2-8: 表2-8 不同輸量下加熱爐配置表 輸量 100%輸量 90%輸量 85%輸量 70%輸量 管路所需熱量(kw) 5055.6 5435.00 4949.91 6266.22 加熱爐功率(kw) 3500+2

48、000 3500+2000 3500+1500 3500+15002 為便于檢修和相互替代,在3500kw加熱爐不能使用時,可以用一臺1500kw和一臺2000kw的加熱爐替代。若2000kw的加熱爐不能使用,則可以用兩臺1500kw或用一臺3500kw替代。若某臺1500kw的加熱爐不能正常使用時,可以用一臺2000kw互相替換。 3)輸油泵 由前計算所得選擇型號為KSY800-190的泵,每個泵站設(shè)置六臺,最大輸量下5臺串聯(lián),另有一臺備用。 4)原動機(jī) (1)根據(jù)機(jī)械的負(fù)載性質(zhì)和生產(chǎn)工藝對電動機(jī)的啟動、制動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速等要求,選擇電動機(jī)的類型。 (2)根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩、速度變

49、化范圍和啟動頻繁程度等要求,考慮電動機(jī)的溫升限制、過載能力和啟動轉(zhuǎn)矩,選擇電動機(jī)功率,并確定冷卻通風(fēng)方式。所選電動機(jī)功率應(yīng)留有余量,負(fù)荷率一般取0.8~0.9。 (3)根據(jù)使用場合的環(huán)境條件,如溫度、適度、灰塵、雨水、瓦斯以及腐蝕和易燃易爆氣體等考慮必要的保護(hù)方式,選擇電動機(jī)的機(jī)構(gòu)形式。 (4)根據(jù)企業(yè)的電網(wǎng)電壓標(biāo)準(zhǔn)和對功率因數(shù)的要求,確定電動機(jī)的電壓等級和類型。 (5)根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的最高轉(zhuǎn)速和對電力傳動調(diào)速系統(tǒng)的過渡過程性能的要求,以及機(jī)械減速機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度,選擇盯得緊的額定轉(zhuǎn)速。 除此之外,選擇電動機(jī)還必須符合節(jié)能要求,考慮運行可靠性、設(shè)備的供貨情況、備品備件的通用性、安裝檢修的難

50、易,以及產(chǎn)品價格、建設(shè)費用、運行和維修費用、生產(chǎn)過程中前期電動機(jī)功率變化關(guān)系等各種因素。 泵功率計算公式為: (2-20) 式中:——輸油泵軸功率,kw; ——輸送溫度下泵排量為qv時的輸油效率; ——輸送溫度下的排量(m3/s); ——輸送溫度下介質(zhì)的密度(kg/m3); —— 輸油泵排量為qv時的揚程。 電機(jī)功率計算公式為: (2-21) 式中:——輸油泵配電機(jī)額定功率,kw; ——輸油泵軸功率,kw

51、; ——傳動系數(shù),取=0.95; ——電動機(jī)額定功率安全系數(shù),取=1.1。 由公式(2-20)計算得KSY800-190的泵: 425.42kw 由公式(2-21)得輸油主泵電機(jī)功率: 492.6kw 由《JB/T 10444-2004》選擇電動機(jī),型號為Y2 4501-4,其基本參數(shù)為:額定功率500kw,轉(zhuǎn)速3000r/min,額定頻率50Hz,結(jié)構(gòu)及安裝型式為IMB3,外殼防護(hù)等級IP54,冷卻方法IC411。 最優(yōu)管徑的確定 1)判斷流態(tài) 由于一般原油加熱溫度為60~70℃,考慮到最高出站溫度為60℃,故取TR =60℃ 。 由于最低進(jìn)站溫度比凝固點高7℃,且考

52、慮到反常溫度和最低進(jìn)站溫度都為30℃,故在最低進(jìn)站溫度時仍可以滿足牛頓流體的特性,故取TZ =30℃。 在加熱輸送條件下,計算溫度采用平均輸油溫度T,平均輸油溫度采用加權(quán)法,由式(1-1)得 ==40℃。 40℃的原油密度由式(1-2)計算 =860-0.6941(40-20)=846.12 kg/m3。 原油粘度由表1-1得 ν=6910-6m2/s 任務(wù)輸量Q=550100001000/(350243600) =181.9(kg/s) =0.2149(m/s) 根據(jù)規(guī)范,輸油管道經(jīng)濟(jì)流速范圍為1.5-2.0m/s,管徑計算公式如下

53、: d= (2-1) 式中:Q--額定任務(wù)輸量(m/s),0.2149m/s; V--管內(nèi)原油經(jīng)濟(jì)流速(m/s); d--管道內(nèi)徑(m); 根據(jù)輸量計算結(jié)果如下表1-13: 表1-13 初選管徑表 經(jīng)濟(jì)流速 (m/s) 計算結(jié)果 (mm) 初選管Ⅰ (mm) 初選管Ⅱ (mm) 初選管徑Ⅲ (mm) 1.5 427.2 406.4 457 508 根據(jù)《輸油管道工程設(shè)計規(guī)范》,輸油管道直管段鋼管管壁厚按下式計算: = (2-4) 式中:P--設(shè)計內(nèi)壓力(

54、MPa); D--鋼管外徑(mm); K--設(shè)計系數(shù),取0.72; --材料的最低屈服強(qiáng)度(MPa); --焊縫系數(shù),取1.0; 管道系統(tǒng)設(shè)計壓力為7 MPa時,管道選用X60直縫電阻焊鋼管,屈服強(qiáng)度413MPa,壁厚計算結(jié)果如下表2-2: 表2-2 計算壁厚表 公稱直徑 (mm) DN406.4 DN457 DN508 計算壁厚 (mm) 4.783 5.379 5.979 考慮1mm的腐蝕余量后,實際選擇的壁厚尺寸列于表2-3: 表2-3 實選管壁壁厚表 公稱直徑 (mm) DN

55、406.4 DN457 DN508 實選壁厚(mm) 6.4 7.1 7.9 雷諾數(shù)計算公式為: (2-5) (2-6) (2-7) 計算結(jié)果見表2-4,2-5,2-6 表2-4 Φ406.4管徑下流態(tài)參數(shù) 管徑 流態(tài) Φ406.4 9762.57 6836.98 7.258105 水力光滑區(qū) 表2-5 Φ457管徑下流態(tài)參數(shù) 管徑 流態(tài) Φ457 8960.04 6274.95

56、 8.006105 水力光滑區(qū) 表2-6 Φ508管徑下流態(tài)參數(shù) 管徑 流態(tài) Φ508 8060.76 5645.16 9.035105 水力光滑區(qū) 由上表的數(shù)據(jù),可以分析得各管徑不同輸量下,管內(nèi)原油都處于水力光滑區(qū),以此來進(jìn)行設(shè)計計算,則有m=0.25,β=0.0246。 2)熱力計算 熱力計算按照最小輸量情況計算。 0.1505m3/s 由 (2-3) 式中:D--管道外徑(m); --土壤導(dǎo)熱系數(shù)(w/m℃),取1.45 w/m℃; h--管道中心埋深(m),取1

57、.55 m; 得=2.434 K= (2-4) 式中:--瀝青防腐層(m),0.006 m; --防腐層導(dǎo)熱系數(shù)(w/m℃),取0.15w/m℃; 得總傳熱系數(shù)K=2.22 (w/m℃); 有雷諾數(shù)判斷流態(tài)均為紊流的水力光滑區(qū)。 根據(jù)以下公式求解所需的熱站數(shù)。 水力坡降: i= (2-10) a= (2-11) b= (2-12) L (2-13) 最

58、終得熱站數(shù): n (2-14) 最終向上取整得熱站數(shù)n。 式中:D--管道外徑(m); K--熱油管道總傳熱系數(shù)(w/m℃),取2.22 w/m℃; C--油品比熱(kj/kg),取2100 kj/kg; 計算結(jié)果如下表2-9 表2-9 各管徑水力參數(shù)表 管道規(guī)格(mm) i (m/m) a (10) b(℃) L(km) n n L (km) Φ406.4 0.00699 10.58 3.085 74.67 4.3 5 64 Φ457 0.00399 11.19

59、 1.567 63.72 5.02 6 53.33 Φ508 0.00242 13.23 0.853 56.26 5.7 6 53.33 3)水力計算 通過水力計算來確定泵站數(shù)。 計算按照最大輸量(任務(wù)輸量)來確定。 根據(jù)初選的管徑、原油的任務(wù)輸量,用列賓宗公式進(jìn)行水力計算,并判斷是否存在翻越點,再由管道工作承壓,選擇輸油泵后,確定全線所需要的泵站數(shù),并通過繪制水力坡降圖優(yōu)化布站,確定站址。 管路全線能耗為: H=iL+ΔZ+H (2-15) 泵站數(shù): N= (2-16)

60、式中:H --任務(wù)流量下管道所需要的總壓頭(m液柱); --任務(wù)輸量下泵站的揚程(m液柱); H--末站剩余壓力(m液柱),取20m液柱; h--泵站站內(nèi)損失(m液柱),取30m液柱; 當(dāng)N不是整數(shù),要向上取整。 經(jīng)過計算,Φ406.46.4、Φ4577.1、Φ5087.9的三條線路全線均不存在翻越點。 計算結(jié)果如表2-11 表2-11 各管徑下水力參數(shù)表 管道規(guī)格(mm) [H](m) H (m) Hc(m) n n Φ406.46.4 1129.5 4128.2 966.14 4.3 5 Φ4577.1 1114.3 2362.3

61、 966.14 2.4 3 Φ5087.9 1115.4 1432.1 966.14 1.5 2 4)燃料與電力費用的計算 生產(chǎn)期第1、2年,負(fù)荷為零。 故S、S為零。 燃料費用計算 燃料費用主要是指加熱設(shè)備(包括加熱爐和鍋爐)的燃料費用。 對于長距離輸油管道系統(tǒng),燃料費用主要是原油加熱輸送工藝中加熱爐的燃料油費用。 可根據(jù)原油進(jìn)出站溫度計算,計算公式如下: SR= G Cy (TRi –Tzi) nR (2-18) 式中:SR --燃料費用,元/年; ey--燃料油價格,元/噸; Cy --原油比熱,J/

62、kg℃; BH--燃料油熱值,J/kg; TRi --第i加熱站的出站溫度,℃; TZi --第i加熱站的進(jìn)站溫度,℃; Ri--第i加熱站的加熱爐效率; G--管道年輸量,噸/年; nR--加熱站個數(shù); 電力費用計算 電力費用是指用于支付泵的電力設(shè)備和電動機(jī)具所消耗電能的費用,主要是輸油泵等動力設(shè)備的電費。 對于長輸管道系統(tǒng),電力費用主要是泵站輸油泵機(jī)組的電費。 全線的電力費用可采用下式計算: SP= (2-19) 式中:SP--全線泵機(jī)組所消耗的電力費用,元/年;

63、 H--第i泵站的揚程,m; ed--電力價格,元/kWh; ηpei--第i泵站泵機(jī)組的效率; G--年輸量,噸/年; 計算結(jié)果如下表2-12、表2-13、表2-14 表2-12 Φ406.46.4 年份 負(fù)荷(%) 輸量(萬噸/年) T(℃) SR(萬元) SP(萬元) 1,14 70 385 42.3 873.46 660.49 2,13 80 440 39.3 807.02 1100.80 3,12 90 495 36.9 732.35 1809.81 4~11 100 550

64、 36.3 649.93 2767.29 表2-13 Φ4577.1 年份 負(fù)荷(%) 輸量(萬噸/年) T(℃) SR(萬元) SP(萬元) 1,14 70 385 53.44 2205.77 575.72 2,13 80 440 46.20 1948.24 995.89 3,12 90 495 45.81 1710.25 1682.11 4~11 100 550 43.24 1484.41 2618.60 表2-14 Φ5087.9 年份 負(fù)荷(%) 輸量(萬噸/年) T(℃) SR(萬元)

65、 SP(萬元) 1,14 70 385 47.76 1256.60 618.48 2,13 80 440 43.17 1144.31 1048.72 3,12 90 495 39.73 1027.33 1746.24 4~11 100 550 37.29 905.14 2032.39 5)其他費用的計算 費用現(xiàn)值比較法簡稱現(xiàn)值比較法。使用該方法時,先計算各比較方案的費用現(xiàn)值,然后進(jìn)行對比,以費用現(xiàn)值較低的方案為優(yōu)。 費用現(xiàn)值法的計算公式為: (2-20) 式中:I--第t年的全部投資(包括固定資產(chǎn)和流動資金);

66、 ’--第t年的經(jīng)營成本; S--計算期末回收的固定資產(chǎn)余值(此處為0); W--計算期末回收的流動資金; N--計算期 N=14; i--行業(yè)基準(zhǔn)收益率 =12%; 根據(jù)輸量的大小,本次設(shè)計提出了3種可能的管徑,分別是Φ406.46.4、Φ4577.1、Φ5087.9。在這里采用費用現(xiàn)值來確定最經(jīng)濟(jì)管徑。 三種管徑的經(jīng)營成本計算結(jié)果見表2-15、2-16、2-17,費用現(xiàn)值計算結(jié)果見2-18,2-19,2-20 Φ406.46.4的費用現(xiàn)值為95048.32萬元。 Φ4577.1的費用現(xiàn)值為92318.52萬元。 Φ5087.9的費用現(xiàn)值為117601.28萬元。 顯然Φ4577.1的費用現(xiàn)值最小,所以采用Φ4577.1的管道進(jìn)行施工和投產(chǎn)運行更為經(jīng)濟(jì)。 表2-15 Φ406.46.4 年份 燃料費用 電力費用

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