1、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 等温输送 ； 加热输送 ； 降凝输送 ； 顺序输送 ； 其它方式 3、 管道技术 的发展趋势 高压、大口径，向极地海洋延伸； 采用高强度、韧性及可焊性良好的管材 ； 高度自动化； 不断采用新技术 ； 管道安全技术的不断应用 重视管道建设的前期工作 4、 我国 管道 技术 发展的任务 针对我国原油的特点，研究管
2、输工艺技术； 提高管道的自动化水平； 在产量递减的情况下对老管网的改造和运行优化问题； 西部地区管道的建设问题； 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 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。 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。 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、。 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
4、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、， 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 2010-6m2/s 以内时，不需要换算 ; 当运动粘度大于 2010 6m2/s 时，泵的效率需要换算 ; 当运动粘度大于 6010 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
5、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 ： 克服地形高差所需的位能 ； 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
6、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
7、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
8、： （ 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： 作泵站特性曲线和管道特性曲线，求二者的交点 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 ： 各泵站的排量在短时间内可能不相等； 各泵站的进出口压力在短时间内相互没
9、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 ： 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 平均输量 需一致，故 全线的输量就受输量最小的站间控制 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 ： 各站的输油量必然相等； 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
10、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
11、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 ： 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； 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 ； 粘度变化会引起泵站数的计算结果发生变化； 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
12、泵站的基本方法： 按选定的比例作管道的纵断面图； 求工作点流量和各泵站扬程； 根据“工作点”流量计算水力坡降； 在起点作垂线 AO， AO=Hd1； 从 O 点作水力坡降线，其与纵断面图的交点为 B； 对“旁接油罐”方式，在 B 点设置第二站，其它各站依次类推； 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 ： 一年中最高和最低
13、油温时的进出站压力 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 ： 若 随着油品粘度的增加，分式之值增大，故 Hs（ c+1）减小； 若 TSL，和 不含蜡原油规律一样 TSLTTcmax，随油温降低，比热 容急剧上升 TcmaxT0 ，随油温降低，比热 容 又 逐渐减小 （ 3） 导热系数 （ 4） 粘度 （ 5） 土壤物性参数 3、 热油管道 总传热系数 埋地热油 管道传
14、热过程由三部分组成： 油流至管壁的放热 管壁和保温层的热传导 管外壁至土壤的放热 （ 主要 因素 ） 三、 热油 管道的水力计算 1、 热油管道 水力计算的特点 （ 1） 热油管道沿线单位长度上的摩阻损失（水力坡降）不是定值 （ 2） 水力计算以加热站间距为一个计算单元，全线摩阻损失为各加热站间摩阻的总和。 2、 热油 管道摩阻计算方法 （ 1） 理论计算 法 利用温降公式、粘温关系式以及摩阻计算公式得到热油管道摩阻计算的理论公式。 （ 2） 平均 温度计算法 步骤 ： 计算加热站间油流的平均温度 Tpj； 由粘温关系确定温度为 Tpj时的油流粘度； 计算一个加热站间的摩阻 hR； （ 3）
15、分段 计算法 将整个站间管道分为若干段，每段内按平均温度计算法计算其摩阻损失，各段摩阻损失之和即为整个站间管道总的摩阻损失。 3、 径向 温降对摩阻的影响 径向温差会引起油流在径向的对流运动， 由于径向温降引起的扰动及管壁附近油流粘度的增大，会引起附加的压头损失，在层流时影响大 四、 加热站和泵站的布置 1、 加热站 的 布置 （ 1）如果每个加热站的站间沿线 K 值大致一样，则各进出口温度也大致相同，则可按等距离布置加热站，与高差无关。 （ 2）若沿线 K 值相差较大，则按实际计算的加热站间距分别布置热站。 2、 泵站的 布置 泵站 布置的特点：（ 1） 加热站间管道的水力坡降是一条斜率不断
16、增大的曲线 （ 2） 在 加热站处，由于进出站温度突变，水力坡降线的斜率也会突变 泵站 布置的 步骤 ： 作两加热站间管路水力坡降线； 起点站 Hc1=Hs1+Hcr，作水力坡降线 ； 如果两泵站间有加热站，则水力坡降线发生转折； 调整站址，尽可能使相距较近的热站和泵站合并在一起。 五、 热油管道的特性曲线 等温 输油管道特性曲线与热油管道 不同 的根本原因： 热油管道 Q 变化 会引起温度的变化 1、 流量 的变化对温度 影响 的变化趋势 分析 TR 保持不变时，流量 Q 变化 TZ的影响 （ 1）在小流量范围内，流量增加， TZ的变化不大，流量的增加对温度增加的影响不大，对粘度产生的影响小
17、； （ 2）当流量继续增加， TZ 的增加很快，平均油温增加也快，流量的增加，油流的粘度下降很明显； （ 3）如果流量再继续增加进入大流量区，此时 TZ 的增加变缓，在大流量区，流量的增加，对粘度产生的影响小。 注 ： I 区 是非工作区、 II 区是 不稳定区、 III 区 是 工作区 对 II 区 来说： 如果某些原因引起流量下降，则摩阻反而增大，从而迫使泵的排量进一步减少，直到进入 I 区， 高粘原油最易 进入 II 区 ， 因为其粘温曲线非常抖 ； II 区 和 III 区 的临界流量为热油管道运行中的第二个最小流量 六、 热油管道的运行管理 1、 热油 管道的启动与停输 （ 1） 启
18、动 分为 热启动和冷启动， 对于 热启动一般采用热水和轻质油 （ 2） 停输 必须 知道热油管道的安全停输时间 ， 在此时间内，对高凝原油，在停输的管道中不发生凝结；对高粘原油，其粘度不致会增加到压力损失超过泵站的最大允许压力。 （ 3） 再启动 顶挤：用低粘油品顶挤冷油 管中心为液相的再启动 胶凝原油管道的再启动 第四章 易凝高粘 原油的输送工艺 我国原油按其流动性质可以分为三类， 一类为轻质低粘 原油， 第二类为含蜡较多的易凝原油，常称“含蜡原油”；第三类是胶质、沥青质含量大的高粘度原油，通常称为稠油。 一、 含蜡原油的流变性 1：牛顿 流体 2：假塑性流体 3：宾汉流体 4： 屈服 假塑
19、性流体 5：胀流型流体 1、 含蜡 原油的相态变化 （ 1） 高温阶段 单一相或两相（液烃是连续相），牛顿流体， 粘度只随温度变化； （ 2） 温度 降低 两相（液烃是连续相），粘度是温度、剪切速率的函数，表现出非牛顿性质（ 反常点） ，具有剪切稀释性； （ 3） 温度 进一步降低 两相（蜡晶是连续相），具有较强的触变性 （ 显触点） 。 2、 含蜡 原油的流变特性 3、 评价含蜡原油流变性的主要指标 粘度（ 表观粘度）、凝点 （ 倾点）、 静屈服值（ 屈服应力） 4、 含蜡原油管道内流态、流型变化及摩阻计算 临界温度 Tft，反常点 Ta 若 TftTa，则 若 TftTa，则 二、 含蜡原
20、油加降凝剂输送 1、 作用 机理 反常点 析蜡点 晶核作用 、吸附作用、共晶作用 2、 影响降凝剂效果的主要因素 （ 1） 原油与降凝剂的配伍规律 当降凝剂的溶化或结晶温度范围及分子结构与原油中蜡晶析出温度范围相近时，效果较明显 （ 2） 加剂浓度 的影响 （ 3） 加剂处理温度及 冷却速度的影响 （ 4） 剪切 作用的影响 剪切作用影响大小与原油组成及降凝剂种类有关，也与剪切强度、剪切时间、剪切温度等有关。 三、 热处理输送工艺 定义： 含蜡原油的热处理，是将原油加热到一定温度，使原油中的石蜡、胶质 沥青质溶解，分散在原油中。再以一定的温降速率和方式（动冷或静冷）冷却，以改变析出的蜡晶形态和
21、强度，改善原油的低温流动性。 1、 影响 热处理效果的因素 原油 的组成 热处理温度 冷却 速度 剪切 的影响 重复 加热 掺入 生油的影响 四、 其他输送方式 稀释输送、 乳化剂降粘输送、 加 减阻剂输送 、水 悬浮输送 、 气饱和输送 第五章 顺序 输送 一、 顺序输送的特点 1、 概述 顺序 输送的定义 ： 在一条管道内，按照一定批量和次序，连续地输送不同种类油品的输送方法称为顺序输送 顺序 输送中油品的排序 （ 以 成品 油为例）： 优质汽油 普通汽油 柴油 轻燃料油 柴油 普通汽油 优质汽油 注 ： 相邻 两油品物化性质宜相近 ,以 减少混油 完成上述 一个排列次序成为完成一个循环
22、，所需 的时间为循环周期 ，一年中完成循环的次数为循环次数（或批次） N，若 顺序输送 m 种 油品，则在一个循环内，形成混油段的数量 n=2(m-1) 2、 顺序输送 的特点 （ 1） 对所输产品质量和各种油品沿途分输量均有严格要求 （ 2） 依托市场生成，要适应市场变化。 （ 3） 顺序输送时会产生混油 （ 4） 混油的处理与销售 （ 5） 批量与最优循环次数 （ 6） 首、末站批量油品的储存 （ 7） 顺序输送时管道的水力特性不稳定，运行调度难度大 二、 混油的机理 两个基本 机理： 对流 传递、扩 散 传递 产生 混油的主要 因素 ： 管道横截面沿径向流速分布不均匀使后行油品呈楔形进入
23、前行的油品中（对流传递）； 管内流体沿管道径向、轴向造成的紊流扩散作用（扩散传递） 1、 层流 混油机理 层流时，出现楔形油头，混油量大 2、 紊流 混油过程 仅在 层流 底层存在 对流 传递 过程，大部分区域 以 扩散传递为主 ， 混油量较小 对 上图归纳如下： 在起始接触面 (0 界面 )上 KA=KB=0.5; 在同一时间内，在混油段内距 O 界面不同距离的各截面上，混油浓度不同，混油浓度是距离的函数 K=f(x); 在混油段内，距 O 界面同一距离的某一截面上，混油浓度随时间而改变，混油浓度是时间的函数 K=f(t); 综合考虑 KA=f1(t， x)； KB=f2(t， x)； KA
24、+KB=1 or KB=1- KA 注意 O 界面和起点截面的关系 （ O 界面 在随流移动 ） 三、 混油浓度的分布规律 1、 扩散 速度 Gdt时间 内某种油品经管道截面扩散进另一种油品中的数量 F管道截面积 对于 由浓度差引起的扩散问题，可由菲克扩散定律得： DT湍流 扩散系数 2、 混油 浓度的分布规律 引入 变量 得 解得 由 定解 条件 x=0， Z=0， KB=0.5； t0， Z， KB=0.5 得 四、 管道 终点混油的接 收 与销售 1、 管道 终点的混油浓度 设 O 界面从管道起点流到终点所经历的时间间隔为 t0， L=Vt0，则： 设 则 ： tt0时， ,则 即 因此
25、 某一特定管道终点所流出的油流浓度 KA或 KB仅是 时间 的函数， 并且 理论上是对称 的， 然而实际上，在 O 界面 两侧的混油长度不相等，有很长的混油尾迹 2、 管道 终点的混油量和混油长度 管道终点的混油量与所讨论的混油段的浓度范围有关。 （ 1） 混油量理论计算公式 混油段头到达管道终点截面的时间为 t1，混油段尾通过管道终点的时间为t2，则在管道内形成的混油量 Vh为 Vh=Q（ t2-t1） 相对 混油量： 混油量与管道容积 Vg之比 上式为管道终点处任意浓度范围内混油量的计算公式。 注 ： 在对称浓度范围内，有 Z1=-Z2，所以 在 考虑层流边界层 对混油 的 影响 时应乘以
26、一个修正系数 ， 由于层流边层内的液量不多，它主要影响对称浓度范围较宽的混油段的混油量，对较窄浓度范围的混油量影响不大。 （ 2） 混油量 的经验计算公式 结论 ： 对某一直径的管道而言，在紊流区内有两个混油特点不同的区域， 即“平滑区”和“陡斜区”。 由“平滑区”向“陡斜区”的过渡是急剧发生的，某一已知管道内两种油品交替时，其油品的混合特点可由临界雷诺数来判别，管径不同，其临界雷诺数亦不同。 为了减少混油量，管道应在大于临界雷诺数情况下运行。 不论在图 6-5 的那一个区域，混油长度均与管道长度（即界面移 动距离）的平方根成正比。（ 按输送距离可分为三个区，混油 增长 区、混油 发展区 、混
27、油缓变区） （ 3） 影响 混油产生的因素 物理化学性质、流动状态、管道长度 输送次序 首站的初始混油 中间泵站对混油量的影响 停输对混油量的影响 3、 混油 的接收与销售 （ 1） 纯油罐 中 允许的混油量 某纯净油品是否允许混入另一种油品，允许混入的浓度大小，取决于两种油品的性质和油品质量指标的潜力。 VgA， VgB 分别表示 A 油油罐的容积和 B 油油罐的容积， KBgA， KAgB分别表示进入 A 油中允许进入 B 油的浓度以及 B 油中允许进入A 油的浓度。 （ 2） 管道 终点 混油 段的切割浓度 任意时刻 ： KAt KBt=1 t1时刻： KA=1， KB=0 dt 时间内
28、由管道进入 A 油罐的 A 油量为 QKAtdt， B 油量为 QKBtdt。 为了在管道终点接收混油，必须知道 KAt2和 KBA、以及油罐容量 VA之间的相互关系。 混油 切割浓度 及 混油量计算步骤 切割混油头（进入 A 油罐）的管路终点浓度 KAt2 计算 出 后， 又已知 KBgA，查图 得 Z2， 再查图得 KAt2 切割混油尾（进入 B 油罐）的管路终点浓度 KAt3 进入混油罐的混油量 （ 3） 混油 的接收与销售 理想的情况是把混油段切割为两段 ， 即 ， 若 A 油 的价值高于 B 油 ，则混油切割浓度取 KAt2 一般把大部分为汽油的混油部分和大部分为柴油的混油部分分别切
29、入两个混油罐，以便把混油不断掺入其它纯净的汽油或柴油罐中进行销售。 五、 最优循环次数 最优循环次数的确定应从建造、经营油罐区的费用和混油的贬值损失两方面综合考虑。 循环周期 ： 在该循环内不输送第一种油品的时间为 ： 在该段时间内，首站必须设置的第一种油品的 罐容 为： q1H： 炼厂向首站的输量 在该段时间内，末站必须设置的第一种油品的 罐容 为： q1K： 末站向用户的输量 有 s 个 进油点情况下 第一种 油品所需罐容： 有 r 个 分油点情况下第一种油品所需罐容： 六、 混油浓度 的检测与混油界面的跟踪 1、 混油 浓度的检测 检测 方法：密度计、超声波界面检测器 、 记号型界面检测
30、系统 、 光学界面检测系统 2、 减少混油 的措施 采用隔离液与隔离器 简化流程，少用管件，切换阀门安装靠近干线，阀门切换迅速 少用副管和变径管 合理安排输送次序，在允许的情况下加大批量； 存在翻越点时，尽可能消除不满流； 顺序输送时尽量不停输或合理安排停输时混油段的位置 七、 顺序输送管道的水力计算 管道的最大流量受高粘度油品所充满管段的输送能力的限制。 第六章 输油站 一、 输油站平立面的布置 输油站包括生产区和管理（生活）区。生产区又分为主要作业区和辅助作业区。 二、 输油站的工艺流程 炉泵的顺序 ： 1） “ 先泵后炉 ” 流程 优点：泵吸入摩阻小，有利泵的正常工作； 缺点：炉在高压下工作，泵进站油温低，泵效率低。 2） “ 先炉后泵 ” 流程 优点：进泵油温高，泵效率高，炉在低压下工作； 缺点：泵站吸入摩阻大。 “ 先泵后炉 ” 一般用于旁接油罐流程，而 “ 先炉后泵 ” 用于泵到泵流程。
