原油管道设计计算.doc

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1.5设计依据与基础参数

1.5.1设计基础参数

1）原油物性参数

（1）原油密度

所输原油密度ρ（g/cm）随温度t（℃）的变化关系为：

ρ=ρ-ζ（T-20）（1-1）

式中：

ρ--20度下原油密度（kg/m），取870kg/m；

ζ--ζ=1.825-0.001315ρ；

T--平均输油温度（℃），取40℃；

即得

ρ=870-0.68095（T-20）（1-2）

（2）原油粘度

由最小二乘法回归粘温关系如表1-11

表1-11粘温关系回归表

温度（℃）

70

60

50

45

40

35

粘度（mm2/s）

38.4

61.5

93.6

120.1

152.3

200

Logν

1.584

1.789

1.971

2.080

2.183

2.300

取xi为T，yi为logν

Σxi=300

Σyi=11.908

Σ（xiyi）=578.225

Σxi=15850

b==-0.0202

a==2.995

回归结果为logν=2.995-0.0202T

得原油粘度为：

ν=102.995-0.0202T（1-3）

式中：

T--平均输油温度（℃）；

（3）原油比热容

所输原油的比热容为2100J/kg℃

（4）平均输油温度

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：

T=（1-4）

式中：

TR--原油出站温度，取60℃；

TZ--原油进站温度，取30℃；

2）总传热系数

由

（1-5）

式中：

D--管道外径（m）；

h--土壤导热系数（w/m℃），取0.9w/m℃；

--管道中心埋深（m），取1.5m；

得=2.342

K=（1-6）

式中：

--沥青防腐层（m），0.006m；

--防腐层导热系数（w/m℃），取0.15w/m℃；

得总传热系数K=2.141（w/m℃）；

1.5.2其它设计参数

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1-12设计参数表

任务输量（×10t/a）

最小输量（×10t/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℃

600

342

250

60

30

5.0

1.6经济管径的选择

1.6.1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1.0-2.5m/s，管径计算公式如下：

d=（1-7）

式中：

Q--额定任务输量（m/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）

1.5

432.7

406.4

457

508

2）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。

1.6.2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：

（1-8）

式中：

I--第t年的全部投资（包括固定资产和流动资金）；

’--第t年的经营成本；

S--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；

i--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）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=（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：

Φ406.4×6.4的费用现值为116209.405万元。

Φ457×7.1的费用现值为59526.39万元。

Φ508×7.9的费用现值为59609.1万元。

其中Φ457×7.1的费用现值最小，采用Φ273×7的管道进行施工和投产运行更为经济。

1.6.3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：

=（1-11）

式中：

P--设计内压力（MPa）；

D--钢管外径（mm）；

K--设计系数，取0.72；

--材料的最低屈服强度（MPa）；

--焊缝系数，取1.0；

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）

DN457

5.379

1

7.1

Φ457×7.1

1.7输油工程

1.7.1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送方法。

油流过高的粘度使管道的压降剧增，不经济也不安全。

加热输送是目前最常用的方法。

其可以降低粘度减少摩阻损失并降低管输压力，保证安全输送。

（2）密闭输送工艺

泵到泵密闭输送工艺是目前国内外管道采用的先进输送工艺。

对输油系统压力实行自动调节以及系统自动连锁保护，是实现密闭输油的前提。

中间泵站设一水击泄放罐，不设旁接油罐和缓冲罐，大幅降低各站储罐的容量，节约工程投资，减少原油损耗。

1.7.2工艺计算及站场布置

1）热力计算

热力计算按最小输量情况进行计算。

根据任务书的要求，，设计最小输量为0.1275m/s即113.1kg/s.

总传热系数由（1-6）得为2.141w/m℃。

有雷诺数判断流态均为紊流的水力光滑区。

根据以下公式求解所需的热站数。

水力坡降

i=（1-12）

a=（1-13）

b=（1-14）

L（1-15）

最终得热站数：

n（1-16）

最终向上取整得热站数n。

式中：

D--管道外径（m），取0.4712m；

K--热油管道总传热系数（w/m℃），取2.141w/m℃；

C--油品比热（KJ/Kg），取2100KJ/Kg；

经过计算，需要4座泵站，站间距为62.5Km。

经过热泵站合并和站址调整，决定设置4座热站。

热战布置情况如下表1-15：

表1-15热站布置表

站号

首站

2#

3#

4#

末站

里程（Km）

0

60

128

193

250

高程（m）

29

80

25.8

13.27

6.5

进站温度（℃）

--

30

30

30

30

出站温度（℃）

59.4

65.4

63.0

57.3

--

2）水力计算

根据初选的管径、原油的任务输量，按照列宾宗公式进行水力计算，并判断是否存在翻越点，再由管道工作承压，选择输油泵后，确定全线所需要的泵站数，并通过绘制水力坡降图优化布站，确定站址。

水力坡降：

i=（1-17）

管路全线能耗为：

H=iL+ΔZ+H（1-18）

泵站数：

N=（1-19）

式中：

H--任务流量下管道所需要的总压头（m液柱）；

--任务输量下泵站的扬程（m液柱）；

H--末站剩余压力（m液柱），取30m液柱；

h--泵站站内损失（m液柱），取20m液柱；

当N不是整数，要向上取整。

经过计算，全线无翻越点，全线需要4设置座泵站。

经过热、泵站合并和站址调整，泵站布置情况如下表1-16

表1-16热泵站布站表

站号

首站

2#

3#

4#

末站

里程（Km）

0

60

128

193

250

高程（m）

29

80

25.8

13.27

6.5

进站扬（m）

87.71

76.71

89.31

90.84

36.41

出站扬（m）

739.71

728.71

741.31

611.04

--

3）站场布置

按照确定的管径，根据进行的水力、热力计算结果，优化布置站址情况见下面的示意图。

布站示意图如下：

2#热泵站

（60km，80m）

3#热泵站

（128km，25.8m）

胜齐输油首站

（0km，29m）

输油末站

（250km，6.5m）

4#热泵站

（193km，13.27m）

4）运行参数

通过选择的管径、结合站场布置情况，经过计算确定后的三输油管道在各年生产负荷下的运行参数如下表1-17、1-18、1-19、1-20、1-21。

该参数明确了热处理原油在最小输量、70%输量、85%输量、90%输量、最大输量下的主要生产运行参数。

该参数为理论计算结果。

表1-17最小输量

站号

首站

2#

3#

4#

末站

TR℃

59.4

65.4

63.0

57.3

--

TZ℃

--

30

30

30

30

Hm

89.92

75.76

101.56

77.24

75.4

Hm

387.52

298.36

324.16

299.84

--

开炉

全开

全开

全开

全开

--

开泵

开一台

开两台

开两台

开两台

--

表1-1870%输量

站号

首站

2#

3#

4#

末站

TR℃

51.2

55.2

53.7

49.8

--

TZ℃

--

30

30

30

30

Hsm

89.37

82.51

100.26

70.44

76.7

Hdm

498.26

380.11

397.86

368.04

--

开炉

全开

全开

全开

全开

--

开泵

开两台

开一台

开一台

开一台

--

表1-1985%输量

站号

首站

2#

3#

4#

末站

TR℃

45.4

48.1

47.1

44.4

--

TZ℃

--

30

30

30

30

Hsm

88.64

61.74

63.98

106.61

92.5

Hdm

608.84

497.44

472.88

404.2

--

开炉

全开

全开

全开

全开

--

开泵

开三台

开三台

开两台

开一台

--

表1-2090%输量

站号

首站

2#

3#

4#

末站

TR℃

44.3

46.3

45.4

43.0

--

TZ℃

--

30

30

30

30

Hsm

88.37

60.08

90.96

78.99

29.77

Hdm

608.57

580.28

611.16

514.69

--

开炉

全开

全开

全开

全开

--

开泵

开三台

开三台

开三台

开三台

--

表1-21最大输量

站号

首站

2#

3#

4#

末站

TR℃

41.3

43.3

42.6

40.6

--

TZ℃

--

30

30

30

30

Hsm

87.71

76.71

89.31

90.84

36.41

Hdm

739.71

728.71

741.31

611.04

--

开炉

全开

全开

全开

全开

--

开泵

开三台

开三台

开三台

开三台

--

1.7.3站场设计

胜齐输油管道工程全线共设输油站场4座。

其中输油首站1座、输油热泵站3座、输油末站1座。

输油系统采用从泵到泵密闭输送工艺流程。

1）站场平面布置

根据《原油和天然气工程设计防火规范》及工艺流程，进行站场平面设计，做到布置合理，紧凑美观，生产安全可靠，操作维修方便，同时尽可能减少土方量。

2）站场竖面布置

为了保证工艺设施的合理布置，站内储罐布置在地形平坦、地质条件良好的地段，场地设计坡度按照5‰考虑，按50年一遇洪水频率进行防洪设计。

3）站场工艺流程

（1）胜齐输油首站

站内主要功能：

接受来油，对来油进行计量、储存、加压、加热后外输。

具有站内循环、倒罐、加药、站内吹扫、水击泄放、发送清管器等功能。

（2）2#、3#、4#热泵站

站内主要功能：

对首站来油进行减压，加压、加热后外输。

具有站内循环、热力越站加药、站内吹扫、反输、水击泄放、接收发送清管器等功能。

（3）胜齐输油末站

站内主要功能：

对管线计量后输送给用户。

具有水击泄放、站内循环、吹扫、接受发送清管器功能，同时具有一定的事故储油能力。

1.7.4主要设备选型

1）输油泵的选型

离心泵具有转速高、体积小、重量轻、效率高、流量大、结构简单、性能平稳、容易操作和维修等优点，因此本工程输油泵选用中开式多级离心泵。

本工程使用的离心泵为10×14×20HSB一台、ZS350×320两台、KS750－250一台。

每站设置四台输油泵串联工作，其中一台为备用泵。

2）加热设备

根据加热炉选用原则以及管线运行参数，本工程选用管式加热炉采用直接加热方式。

直接加热方式是用加热炉直接加热原油，这种加热方式具有加热炉负荷大、升温速度快、加热温度高、不需要中间传热介质，设备简单、耗钢少、投资省等优点。

3）罐区

原油储罐容量按满输时的三天输量选取。

根据公式：

V=（1-20）

式中：

T--储罐储存油品时满足输送的天数，根据规范，首站为油田取3天，末

站为港口取5天；

M--年输量，600万吨/年；

--原油密度（kg/m）；

--周转系数，取0.9；

首站罐区选用4座20000m浮顶罐。

燃料油罐的选取按照10分钟输量来选择。

首站设1座100m燃料油罐，同时起到卸压的作用。

4）主要设备选型表

要设选型见表1-22

表1-22主要设备选型表

站号

主要设备

单位

数量

首站

20000m拱顶罐

100m燃料油罐

3489KW加热炉

5000KW加热炉

10×14×20HSB离心泵（串联）

ZS350×320离心泵（串联）

KS750－250离心泵（串联）

12SH-6A给油泵（并联）

清管器接受装置LSM-J-300-6.4

清管器发送装置LSM-F-300-6.4

座

座

台

台

台

台

台

台

台

台

4

1

1

1

1

2

1

3

1

1

2#

100m燃料油罐

3489KW加热炉

5000KW加热炉

10×14×20HSB离心泵（串联）

ZS350×320离心泵（串联）

KS750－250离心泵（串联）

清管器接受装置LSM-J-300-6.4

清管器发送装置LSM-F-300-6.4

座

台

台

台

台

台

台

台

1

1

1

1

2

1

1

1

3#

100m燃料油罐

3489KW加热炉

5000KW加热炉

10×14×20HSB离心泵（串联）

ZS350×320离心泵（串联）

KS750－250离心泵（串联）

清管器接受装置LSM-J-300-6.4

清管器发送装置LSM-F-300-6.4

座

台

台

台

台

台

台

台

1

1

1

1

2

1

1

1

续表1-22主要设备选型表

末站

30000m拱顶罐

100m燃料油罐

3489KW加热炉

5000KW加热炉

10×14×20HSB离心泵（串联）

ZS350×320离心泵（串联）

KS750－250离心泵（串联）

12SH-6A给油泵（并联）

清管器接受装置LSM-J-300-6.4

清管器发送装置LSM-F-300-6.4

座

座

台

台

台

台

台

台

台

台

4

1

1

1

1

2

1

3

1

1

1.7.5工况校核

1）热力校核

热力校核在最小流量下进行。

以1号站为例：

第一站间，站间距60公里。

假设不考虑沿程的摩擦生热，则：

b=0（1-21）

a==1.328×10-5（1-22）

aL=0.7968

=2.218（1-23）

出站温度：

60.5（℃）（1-24）

平均温度：

T==40.2（℃）（1-25）

密度=887.07kg/m；

粘度=152.39×10m/s；

流量＝0.1275m3/s；

则水力坡降：

==3.56×10-3（1-26）

循环迭代以上的计算：

a==1.328×10-5

b==1.24（℃）

aL=0.7968

=2.218

出站温度：

59.4（℃）

平均温度：

T==39.6（℃）

密度=887.43kg/m；

粘度=156.70×10m/s；

流量Q2＝0.1274m3/s；

则水力坡降：

==3.58×10-3

继续迭代直至前后两次的出站温度差值在0.2℃之内。

迭代结果：

＝59.4℃

全站出站温度如下表1-23：

表1-23全线进出站温度表

站间

首站

2#

3#

4#

出站温度（℃）

59.4

65.4

63.0

57.3

各站出站温度均小于65℃，热力校核符合要求。

2）水力校核

（1）计算水力坡降

以第一站间为例：

第一站间，站间距60公里。

根据已经算出的最大输量下的进出站温度，计算站间的水力坡降。

T==33.8（℃）

密度ρ=891.15kg/m；

粘度ν=205.23×10m/s；

流量＝0.2226m3/s；

则水力坡降：

i==8.79×10-3

同理可以计算出其它站间的水力坡降，计算结果如下表1-24：

表1-24全线水力坡降表

站号

1#~2#

2#~3#

3#~4#

4#~末站

i

0.008766

0.008707

0.008729

0.008787

站间距离（公里）

60

68

65

57

（2）进出站压力校核

取热泵站站内损失30米。

外输油泵所选泵为10×14×20HSB一台、ZS350×320两台、KS750－250一台，四台离心泵串联，其中一台为备用泵。

给油泵所选泵为12sh-6A，三台并联，其中一台为备用泵。

首站进站压力H=87.71（m）；

首站出站压力H=H+H-30=739.71（m）；

2#站进站压力H=H-iL-nh-ΔZ=76.71（m）；

依次计算，各站的进、出站压力计算结果如下表1-25；

表1-25全线