原油長輸管道初步設(shè)計(jì)計(jì)算書

緒論原油的運(yùn)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(yùn)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(diǎn)，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(diǎn)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?。而高粘重質(zhì)原油的粘度非常高（通常是幾百甚至是幾萬厘波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(yùn)行費(fèi)用?，F(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413、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(diǎn)、高粘度原油，因此我國多數(shù)管道仍采用加熱輸送。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(yùn)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(diǎn)。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(diǎn)， 解決東部管道低輸量運(yùn)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(jiān)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(xiàng)艱巨任務(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(shí)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(diǎn)進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，對特定的原油采用特殊的方法輸送。設(shè)計(jì)內(nèi)容（1） 計(jì)算及說明書部分內(nèi)容要求1) 根據(jù)費(fèi)用現(xiàn)值最小原則確定最優(yōu)管徑。2) 水力與熱力計(jì)算。3) 主要設(shè)備選型，包括泵、爐、罐、原動(dòng)機(jī)等。4) 站址確定、調(diào)整及工況校核。5) 反輸計(jì)算。6) 站內(nèi)流程設(shè)計(jì)。7) 幾種輸量下的運(yùn)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(hào)或2號(hào)圖紙。（2）設(shè)計(jì)依據(jù)：（1）輸油管道設(shè)計(jì)與管理(2) 輸油管道工程設(shè)計(jì)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(jì)手冊(5) 管路附件設(shè)計(jì)選用手冊(6)油庫設(shè)計(jì)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(jì)算部分DH原油管線初步設(shè)計(jì)1、 設(shè)計(jì)依據(jù)與基礎(chǔ)參數(shù)1. 原始數(shù)據(jù)（1）最大設(shè)計(jì)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1234567891011121314生產(chǎn)負(fù)荷（%）708090100100100100100100100100908070（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20的密度860kg/m；初餾點(diǎn)81；反常點(diǎn)28；凝固點(diǎn)25；比熱2.1kJ/(kg)；燃油熱值4.1810kJ/kg。（7）粘溫關(guān)系 見表2表2 油品溫度與粘度數(shù)據(jù)溫度（）2830354045505560粘度（cp）124.511183.26960534842.5（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）04070130165190230250280300320高程（km）28301025352836426845352. 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)參數(shù)1） 原油物性參數(shù) 原油進(jìn)站溫度、出站溫度由于一般原油加熱溫度為6070，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(diǎn)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(shí)仍可以滿足牛頓流體的特性，故取TZ =30。 平均輸送溫度在加熱輸送條件下，計(jì)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(jì)算： Error! 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(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(jì)算得= 40。 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)，=1.825-0.001315，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：=860-0.6941(T-20) (1-3)解得=846.12 kg/m3。 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()6055504540353028粘度(10-6m2/s)42.54853606983.2111124.5ln-10.0660 -9.9443 -9.8452 -9.7212 -9.5814 -9.3943 -9.1060 -8.9912 取xi為T，yi為ln，并設(shè)xi= 343yi= -76.6496= 42.875= -9.5812=-8.1751回歸結(jié)果為ln=-8.1751-0.0328T得原油粘度為：=e-8.1751-0.0328T (1-4)式中：T-平均輸油溫度()；2） 其他設(shè)計(jì)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(jì)參數(shù)表中。生產(chǎn)天數(shù)按照350天計(jì)算。表1-2 設(shè)計(jì)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55038532060302.0質(zhì)量流量為： kg/s 127.31kg/s 由質(zhì)量流量與體積流量換算公式： (1-5) 0.2149m3/s 0.1505m3/s2、 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(jì)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(jì)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(jì)算結(jié)果(mm)初選管(mm)初選管(mm)初選管徑(mm)1.5427.2406.44575082)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(jì)提出了3種可能的管徑，分別是406.46.4、4577.1、5087.9。在這里采用費(fèi)用現(xiàn)值來確定最經(jīng)濟(jì)管徑。2. 費(fèi)用現(xiàn)值法確定經(jīng)濟(jì)管徑1)確定經(jīng)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(xiàng)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(xiàng)目如材料費(fèi)、折舊費(fèi)、稅金、管理及維修費(fèi)等是按照投資總額提成一定比例計(jì)算的。該費(fèi)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(fèi)用的疊加總有一個(gè)與其最小值對應(yīng)。該費(fèi)用最小值的管徑為最優(yōu)管徑。2)費(fèi)用現(xiàn)值法費(fèi)用現(xiàn)值比較法簡稱現(xiàn)值比較法。使用該方法時(shí)，先計(jì)算各比較方案的費(fèi)用現(xiàn)值，然后進(jìn)行對比，以費(fèi)用現(xiàn)值較低的方案為優(yōu)。費(fèi)用現(xiàn)值法的計(jì)算公式為： (1-8)式中：I-第t年的全部投資(包括固定資產(chǎn)和流動(dòng)資金)； -第t年的經(jīng)營成本； S-計(jì)算期末回收的固定資產(chǎn)余值(此處為0)； W-計(jì)算期末回收的流動(dòng)資金； N-計(jì)算期 N=16； i-行業(yè)基準(zhǔn)收益率 =12%；油氣儲(chǔ)運(yùn)企業(yè)的要素成本包括：電力費(fèi)用、工資及福利費(fèi)、修理費(fèi)、油氣損耗費(fèi)、折舊費(fèi)、利息支出、其他費(fèi)用。3)經(jīng)營成本和流動(dòng)資金年經(jīng)營成本燃料費(fèi)用電力費(fèi)用工資及福利費(fèi)修理費(fèi)油氣損耗費(fèi)折舊費(fèi)+其他費(fèi)用燃料費(fèi)用主要是指加熱設(shè)備(包括加熱爐和鍋爐)的燃料費(fèi)用。對于長距離輸油管道系統(tǒng)，燃料費(fèi)用主要是原油加熱輸送工藝中加熱爐的燃料油費(fèi)用?？筛鶕?jù)原油進(jìn)出站溫度計(jì)算，計(jì)算公式如下： SR= G Cy (TRi Tzi) nR (1-9)式中：SR -燃料費(fèi)用，元/年； ey-燃料油價(jià)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(gè)數(shù)； 電力費(fèi)用是指用于支付泵的電力設(shè)備和電動(dòng)機(jī)具所消耗電能的費(fèi)用，主要是輸油泵等動(dòng)力設(shè)備的電費(fèi)。對于長輸管道系統(tǒng)，電力費(fèi)用主要是泵站輸油泵機(jī)組的電費(fèi)。全線的電力費(fèi)用可采用下式計(jì)算： SP= (1-10)式中：SP-全線泵機(jī)組所消耗的電力費(fèi)用，元/年；H -第i泵站的揚(yáng)程，m；ed -電力價(jià)格，元/kWh；pei-第i泵站泵機(jī)組的效率；G-年輸量，噸/年；油氣損耗費(fèi)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(jì)算。油氣損耗費(fèi)損耗比例年輸量(或年銷量)油價(jià)(或氣價(jià))損耗比例一般可取為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(fèi)按固定資產(chǎn)原值的1%計(jì)算，輸油成本中其他費(fèi)用按工資總額與職工福利費(fèi)之和的2倍計(jì)算。水電設(shè)施、道路、通訊設(shè)施等費(fèi)用按線路投資與輸油站投資之和的12%計(jì)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(jì)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(dòng)資金利用擴(kuò)大指標(biāo)估算法，按流動(dòng)資金占固定資產(chǎn)原值的5%計(jì)算。4)比較方案三種管徑的計(jì)算結(jié)果如下：其中4577.1的費(fèi)用現(xiàn)值最小，采用4577.1的管道進(jìn)行施工和投產(chǎn)運(yùn)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(jì)規(guī)范，輸油管道直管段鋼管管壁厚按下式計(jì)算： (1-11)式中： 計(jì)算的屈服應(yīng)力，MPa；工作壓力，MPa；管道外徑，mm；強(qiáng)度設(shè)計(jì)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(jì)壓力為7MPa時(shí)，管道選用X60直縫電阻焊鋼管，屈服強(qiáng)度413MPa，壁厚計(jì)算結(jié)果如下表1-14：表1-14 壁厚計(jì)算表公稱直徑(mm)計(jì)算壁厚(mm)腐蝕余量(mm)實(shí)選壁厚(mm)管道外徑(mm)DN4575.37917.14577.13、 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(diǎn)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(shí)，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(shí)行自動(dòng)調(diào)節(jié)以及系統(tǒng)自動(dòng)連鎖保護(hù)，是實(shí)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(chǔ)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(jì)算總傳熱系數(shù)1） 判斷流態(tài)雷諾數(shù)的計(jì)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(jì)算溫度下的原油動(dòng)力粘度為：=6910-6m2/s。則=8960.046274.95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(jì)算得：8.006105。因?yàn)?000< Remin< Remax < Re1，兩種極端情況下的流動(dòng)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=2.434K= (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)；3. 工藝計(jì)算及站場布置1)最小輸量工況計(jì)算根據(jù)任務(wù)書的要求，設(shè)計(jì)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(jì)算按最小輸量情況進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)任務(wù)書的要求，設(shè)計(jì)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= (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/mb=1.568a=1.1910-5mLR=6.3721104mn=5.02向上取整得n=6需要6座加熱站，站間距為L=53.33 Km。按平均布站反算出站溫度設(shè)TZ = 30，b= 1.568，起點(diǎn)油溫計(jì)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(jì)算動(dòng)力粘度：=8.14810-5 m2/s；由公式(1-3)得在計(jì)算溫度下的密度：=847.64 kg/m3；由公式(1-5)得在計(jì)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；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(jì)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(jì)算參數(shù)表出站溫度TR（）平均溫度T（）平均密度（kg/m3）體積流量Q（m3/s）水力坡降i（m/m）b()站間距LR(km)53.43637.812847.640.15020.004061.59153.33翻越點(diǎn)判斷由沿程高程表3知(280km，68m)處可能存在翻越點(diǎn)。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%，全線總壓頭損失公式： (2-11)式中：全線壓頭損失，m；沿程摩阻，m；管道起點(diǎn)與終點(diǎn)的高程差，m；局部摩阻，m。由公式(2-11)計(jì)算得：全線總壓頭損失：H=1.010.00406320103+（35-28）=1319.192m。到可能翻越點(diǎn)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(diǎn)。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9.24Mpa時(shí)，H=1109.24m即管道承壓為1109.24m，出站壓力要小于此值。參照J(rèn)BT10114-1999輸油離心泵 型式與基本參數(shù)選擇型號(hào)為KSY800-190的泵，其特性方程為：H=240.56-0.00042Q1.75最小輸量時(shí)，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(gè)泵站應(yīng)選用5臺(tái)KSY800-190泵串聯(lián)，可增加一臺(tái)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(gè)泵站。2）最大輸量工況計(jì)算根據(jù)任務(wù)書的要求，設(shè)計(jì)最大輸量為Qmax =0.2149m3/s = 773.84m3/h 即Gmax =181.9 kg/s=6.4576105 kg/h。熱力計(jì)算及確定加熱站由公式(2-5)計(jì)算得：i = 0.00747m/m；由公式(2-6)計(jì)算得：a =8.331910-6m；由公式(2-7)計(jì)算得：b=4.181；由公式(2-8)計(jì)算得：LR = 97.84km；由公式(2-9)計(jì)算得：n=3.27，向上圓整為n=4；由于最小輸量時(shí)加熱站數(shù)為六個(gè)，從經(jīng)濟(jì)環(huán)保角度考慮，最大輸量時(shí)可調(diào)整成六個(gè)加熱站。下面反算在最大輸量時(shí)設(shè)六個(gè)加熱站時(shí)的出站溫度。仍取進(jìn)站溫度TZ=30?，F(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(jì)算得：TR1= 45.67；由公式(1-1)計(jì)算得平均溫度：T= 35.22；由公式(1-4)得計(jì)算動(dòng)力粘度：=0.88710-4 m2/s；由公式(1-3)得在計(jì)算溫度下的密度：=849.43 kg/m3；由公式(1-5)得在計(jì)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(jì)算得：b=4.319；由公式(2-10)得：TR2= 43.25。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(jì)算得平均溫度：T= 34.41；由公式(1-4)得計(jì)算動(dòng)力粘度：=0.910910-4 m2/s；由公式(1-3)得在計(jì)算溫度下的密度：=850.00kg/m3；由公式(1-5)得在計(jì)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(jì)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。則在最大輸量工況下熱力計(jì)算參數(shù)如表2-2：表2-2最大輸量工況下熱力計(jì)算參數(shù)表出站溫度TR（）平均溫度T（）平均密度（kg/m3）體積流量Q（m3/s）水力坡降i（m/m）b()站間距LR(km)43.2434.41850.000.21400.007754.34253.33翻越點(diǎn)判斷由沿程高程表3知(280km,68m)處可能存在翻越點(diǎn)。由公式(2-11)計(jì)算得：全線總壓頭損失：H=1.010.00775320103+（35-28）=2511.8m。到可能翻越點(diǎn)處壓頭損失：Hf=1.010.00775280103+（68-28）=2231.7m。由Hf < H，知在最大輸量工況下不存在翻越點(diǎn)。確定泵站數(shù)最大輸量時(shí)，在平均溫度下，管道體積流量為Qmax =0.21403600=770.4 m3/h。參照J(rèn)BT10114-1999輸油離心泵 型式與基本參數(shù)選擇型號(hào)為KSY800-190的泵，其特性方程為：H=240.56-0.00042Q1.75最大輸量時(shí)，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(gè)泵站應(yīng)選用5臺(tái)KSY800-190泵串聯(lián)，可增加一臺(tái)備用。泵站特性方程為HC=5（240.56-0.00042Q1.75）=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(gè)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62最大輸量433）確定站址根據(jù)地形的實(shí)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(gè)熱泵站與3個(gè)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）布站情況首站028加熱站、泵站2#5321加熱站3#10719加熱站、泵站4#16034加熱站5#21333加熱站、泵站6#26756加熱站末站320354.各種工況下各站參數(shù)1）最大輸量熱力參數(shù)最大輸量時(shí)的基本熱力參數(shù)計(jì)算結(jié)果如表2-2。由于是平均布站，故各個(gè)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(jì)算： (2-16)式中：q加熱爐的熱負(fù)荷，kw； G油品流量，kg/s； C油品比熱，kJ/(kg)；由公式(2-16)計(jì)算得熱泵站加熱爐的熱負(fù)荷為：q=181.92.1(43.24-30)=5055.6kw。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(gè)泵站，則泵站揚(yáng)程為：HC=837.27m最大輸量下泵揚(yáng)程H=193.23m，則每個(gè)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(hào)為KSY800-190的泵6臺(tái)，5臺(tái)串聯(lián)，另有一臺(tái)備用。2）90%輸量熱力參數(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(jì)算得：TR1= 47.88；由公式(1-1)計(jì)算得平均溫度：T= 35.96；由公式(1-4)得計(jì)算動(dòng)力粘度：=0.865910-4 m2/s；由公式(1-3)得在計(jì)算溫度下的密度：=848.92 kg/m3；由公式(1-5)得在計(jì)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(jì)算得：b=3.216；由公式(2-10)得：TR2= 45.82。由于|TR1-TR2|>0.2，故對出站油溫進(jìn)行第二次迭代試算：由公式(1-1)計(jì)算得平均溫度：T= 35.27；由公式(1-4)得計(jì)算動(dòng)力粘度：=0.885510-4 m2/s；由公式(1-3)得在計(jì)算溫度下的密度：=849.40kg/m3；由公式(1-5)得在計(jì)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(jì)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(jì)算參數(shù)如表2-5：表2-5 90%輸量工況下熱力計(jì)算參數(shù)表出站溫度TR（）平均溫度T（）平均密度（kg/m3）體積流量Q（m3/s）水力坡降i（m/m）b()站間距LR(km)45.8135.27849.400.19270.006413.23153.33由于是平均布站，故各個(gè)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(jì)算得熱泵站加熱爐的熱負(fù)荷為：q=163.72.1(45.81-30)=5435.0037kw。水力參數(shù)全線總壓頭損失：H=1.010.00641320103+（35-28）=2078.712m。設(shè)置3個(gè)泵站，則泵站揚(yáng)程為：HC=692.904m90%輸量下泵揚(yáng)程：H=240.56-0.00042Q1.75=240.56-0.00042（0.19273600）1.75=201.17m則每個(gè)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(tái)。3）80%輸量熱力參數(shù)取進(jìn)站溫度TZ=30?，F(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(jì)算得：TR1= 47.88；由公式(1-1)計(jì)算得平均溫度：T= 35.96；由公式(1-4)得計(jì)算動(dòng)力粘度：=0.865910-4 m2/s；由公式(1-3)得在計(jì)算溫度下的密度：=848.92 kg/m3；由公式(1-5)得在計(jì)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(jì)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(jì)算得平均溫度：T= 35.40；由公式(1-4)得計(jì)算動(dòng)力粘度：=0.881810-4 m2/s；由公式(1-3)得在計(jì)算溫度下的密度：=849.31kg/m3；由公式(1-5)得在計(jì)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(jì)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(jì)算參數(shù)如表2-5：表2-6 80%輸量工況下熱力計(jì)算參數(shù)表出站溫度TR（）平均溫度T（）平均密度（kg/m3）體積流量Q（m3/s）水力坡降i（m/m）b()站間距LR(km)46.2035.40849.310.17130.005212.62753.33由于是平均布站，故各個(gè)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(jì)算得熱泵站加熱爐的熱負(fù)荷為：q=145.52.1(46.20-30)=4949.91kw。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(gè)泵站，則泵站揚(yáng)程為：HC=563.624m80%輸量下泵揚(yáng)程：H=240.56-0.00042Q1.75=240.56-0.00042（0.17133600）1.75=208.5m則每個(gè)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(tái)。4）最小輸量熱力參數(shù)最小輸量時(shí)的基本熱力參數(shù)計(jì)算結(jié)果如表2-1。由于是平均布站，故各個(gè)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(jì)算得熱泵站加熱爐的熱負(fù)荷為：q=127.32.1(53.44-30)=6266.2152kw。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(gè)泵站，則泵站揚(yáng)程為：HC=439.73m最小輸量下泵揚(yáng)程為H=215.1m則每個(gè)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(tái)。5.主要設(shè)備選型1）輸油站儲(chǔ)油罐首、末站的油罐分別用來調(diào)節(jié)來油、收油（轉(zhuǎn)運(yùn)）單位與管道的輸量不平衡，罐容較大。罐容計(jì)算公式如下： (2-19)式中：輸油首站、輸入站、分輸站、末站原油儲(chǔ)罐總?cè)萘?，m3； 輸油首站、輸入站、分輸站、末站原油年總運(yùn)轉(zhuǎn)量，kg；利用系數(shù)，取0.9；儲(chǔ)存時(shí)間，d。儲(chǔ)存溫度這里取30，由公式(1-2)計(jì)算得=853.059kg/m3。輸油首站的原油來自油田或管道時(shí)，其儲(chǔ)備天數(shù)選為3d。則由公式(2-19)得輸油首站儲(chǔ)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(shí)，油品儲(chǔ)備天數(shù)宜為4d。則由公式(2-19)得分輸站、末站儲(chǔ)油罐總?cè)萘浚簃3所以，可以選取1座50000m3和2座20000m3鋼制浮頂罐。2）加熱爐因?yàn)槭羌訜嵴臼蔷鶆虿颊?，所以相同流量下每站所需有效?fù)荷是相同的。由前述計(jì)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70%輸量管路所需熱量(kw)5055.65435.004949.916266.22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(gè)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)5055.65435.004949.916266.22加熱爐功率(kw)3500+20003500+20003500+15003500+15002為便于檢修和相互替代，在3500kw加熱爐不能使用時(shí)，可以用一臺(tái)1500kw和一臺(tái)2000kw的加熱爐替代。若2000kw的加熱爐不能使用，則可以用兩臺(tái)1500kw或用一臺(tái)3500kw替代。若某臺(tái)1500kw的加熱爐不能正常使用時(shí)，可以用一臺(tái)2000kw互相替換。3）輸油泵由前計(jì)算所得選擇型號(hào)為KSY800-190的泵，每個(gè)泵站設(shè)置六臺(tái)，最大輸量下5臺(tái)串聯(lián)，另有一臺(tái)備用。4）原動(dòng)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(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)、調(diào)速等要求，選擇電動(dòng)機(jī)的類型。（2）根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩、速度變化范圍和啟動(dòng)頻繁程度等要求，考慮電動(dòng)機(jī)的溫升限制、過載能力和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，選擇電動(dòng)機(jī)功率，并確定冷卻通風(fēng)方式。所選電動(dòng)機(jī)功率應(yīng)留有余量，負(fù)荷率一般取0.80.9。（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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)還必須符合節(jié)能要求，考慮運(yùn)行可靠性、設(shè)備的供貨情況、備品備件的通用性、安裝檢修的難易，以及產(chǎn)品價(jià)格、建設(shè)費(fèi)用、運(yùn)行和維修費(fèi)用、生產(chǎn)過程中前期電動(dòng)機(jī)功率變化關(guān)系等各種因素。泵功率計(jì)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(shí)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(shí)的揚(yáng)程。電機(jī)功率計(jì)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；傳動(dòng)系數(shù)，取=0.95；電動(dòng)機(jī)額定功率安全系數(shù)，取=1.1。由公式(2-20)計(jì)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(dòng)機(jī)，型號(hào)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6070，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(diǎn)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(shí)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(jì)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(jì)算=860-0.6941（40-20）=846.12 kg/m3。原油粘度由表1-1得=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(jì)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(jì)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(jì)算結(jié)果(mm)初選管(mm)初選管(mm)初選管徑(mm)1.5427.2406.4457508根據(jù)輸油管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范，輸油管道直管段鋼管管壁厚按下式計(jì)算：= (2-4)式中：P-設(shè)計(jì)內(nèi)壓力(MPa)； D-鋼管外徑(mm)； K-設(shè)計(jì)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(jì)壓力為7 MPa時(shí)，管道選用X60直縫電阻焊鋼管，屈服強(qiáng)度413MPa，壁厚計(jì)算結(jié)果如下表2-2：表2-2 計(jì)算壁厚表公稱直徑(mm)DN406.4DN457DN508計(jì)算壁厚(mm)4.7835.3795.979考慮1mm的腐蝕余量后,實(shí)際選擇的壁厚尺寸列于表2-3:表2-3 實(shí)選管壁壁厚表公稱直徑(mm)DN406.4DN457DN508實(shí)選壁厚(mm)6.47.17.9雷諾數(shù)計(jì)算公式為： (2-5) (2-6) (2-7)計(jì)算結(jié)果見表2-4，2-5，2-6表2-4 406.4管徑下流態(tài)參數(shù)管徑流態(tài)406.49762.576836.987.258105水力光滑區(qū)表2-5 457管徑下流態(tài)參數(shù)管徑流態(tài)4578960.046274.958.006105水力光滑區(qū)表2-6 508管徑下流態(tài)參數(shù)管徑流態(tài)5088060.765645.169.035105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(jì)計(jì)算，則有m=0.25，=0.0246。2)熱力計(jì)算熱力計(jì)算按照最小輸量情況計(jì)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1.55 m；得=2.434K= (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(jì)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)nnL(km)406.40.0069910.583.08574.674.35644570.0039911.191.56763.725.02653.335080.0024213.230.85356.265.7653.333）水力計(jì)算通過水力計(jì)算來確定泵站數(shù)。計(jì)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(jì)算，并判斷是否存在翻越點(diǎn)，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+Z+H (2-15)泵站數(shù)：N= (2-16)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(yáng)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(jì)算，406.46.4、4577.1、5087.9的三條線路全線均不存在翻越點(diǎn)。計(jì)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)nn406.46.41129.54128.2 966.144.354577.11114.32362.3 966.142.435087.91115.41432.1 966.141.524)燃料與電力費(fèi)用的計(jì)算生產(chǎn)期第1、2年，負(fù)荷為零。故S、S為零。 燃料費(fèi)用計(jì)算燃料費(fèi)用主要是指加熱設(shè)備(包括加熱爐和鍋爐)的燃料費(fèi)用。對于長距離輸油管道系統(tǒng)，燃料費(fèi)用主要是原油加熱輸送工藝中加熱爐的燃料油費(fèi)用?？筛鶕?jù)原油進(jìn)出站溫度計(jì)算，計(jì)算公式如下：SR= G Cy (TRi Tzi) nR (2-18)式中：SR -燃料費(fèi)用，元/年； ey-燃料油價(jià)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(gè)數(shù)； 電力費(fèi)用計(jì)算電力費(fèi)用是指用于支付泵的電力設(shè)備和電動(dòng)機(jī)具所消耗電能的費(fèi)用，主要是輸油泵等動(dòng)力設(shè)備的電費(fèi)。對于長輸管道系統(tǒng)，電力費(fèi)用主要是泵站輸油泵機(jī)組的電費(fèi)。全線的電力費(fèi)用可采用下式計(jì)算：SP= (2-19)式中：SP-全線泵機(jī)組所消耗的電力費(fèi)用，元/年； H-第i泵站的揚(yáng)程，m； ed-電力價(jià)格，元/kWh； pei-第i泵站泵機(jī)組的效率； G-年輸量，噸/年；計(jì)算結(jié)果如下表2-12、表2-13、表2-14表2-12 406.46.4年份負(fù)荷(%)輸量(萬噸/年)T()SR(萬元)SP(萬元)1,147038542.3873.46660.492,138044039.3807.021100.803,129049536.9732.351809.8141110055036.3649.932767.29表2-13 4577.1年份負(fù)荷(%)輸量(萬噸/年)T()SR(萬元)SP(萬元)1,147038553.442205.77575.722,138044046.201948.24995.893,129049545.811710.251682.1141110055043.241484.412618.60表2-14 5087.9年份負(fù)荷(%)輸量(萬噸/年)T()SR(萬元)SP(萬元)1,147038547.761256.60618.482,138044043.171144.311048.723,129049539.731027.331746.2441110055037.29905.142032.395)其他費(fèi)用的計(jì)算費(fèi)用現(xiàn)值比較法簡稱現(xiàn)值比較法。使用該方法時(shí)，先計(jì)算各比較方案的費(fèi)用現(xiàn)值，然后進(jìn)行對比，以費(fèi)用現(xiàn)值較低的方案為優(yōu)。費(fèi)用現(xiàn)值法的計(jì)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(dòng)資金)； -第t年的經(jīng)營成本； S-計(jì)算期末回收的固定資產(chǎn)余值(此處為0)； W-計(jì)算期末回收的流動(dòng)資金； N-計(jì)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(jì)提出了3種可能的管徑，分別是406.46.4、4577.1、5087.9。在這里采用費(fèi)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(jì)算結(jié)果見表2-15、2-16、2-17，費(fèi)用現(xiàn)值計(jì)算結(jié)果見2-18，2-19，2-20 406.46.4的費(fèi)用現(xiàn)值為95048.32萬元。 4577.1的費(fèi)用現(xiàn)值為92318.52萬元。 5087.9的費(fèi)用現(xiàn)值為117601.28萬元。顯然4577.1的費(fèi)用現(xiàn)值最小，所以采用4577.1的管道進(jìn)行施工和投產(chǎn)運(yùn)行更為經(jīng)濟(jì)。表2-15 406.46.4年份燃料費(fèi)用電力費(fèi)用工