原油輸送管線設(shè)計及太陽能輔助加熱應(yīng)用-本科畢業(yè)論文正文

1、青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）1緒論1.1背景及研究目的和意義人類社會的發(fā)展與能量的應(yīng)用息息相關(guān)，人類的生存、生活、生產(chǎn)與發(fā)展離不開能源的應(yīng)用。人類的一切活動必須有能量的參與，能源是人類社會過去、現(xiàn)在、未來發(fā)展的基礎(chǔ)1。石油被稱為工業(yè)血液，充分顯示出石油對工業(yè)的重要性，就目前而言，石油在目前使用得能源中，占據(jù)很大比例，如果突然石油短缺，短時間內(nèi)就會出現(xiàn)人類文明的倒退。因此在新能源沒有完全取代石油的情況下必須保證石油開采與應(yīng)用。石油絕大部分儲藏與底層下，必須需要人力開采出來，開采出來的石油被稱為原油，粘度很大，含蠟量，含硫量，含膠量高。原油必須經(jīng)過運輸后，在煉油廠經(jīng)過加工后，產(chǎn)出汽油、柴油、瀝

2、青等產(chǎn)品。原油在運輸過程中會產(chǎn)生析蠟、結(jié)垢、凝管及堵塞現(xiàn)象，會嚴重影響運輸效率與能力。為了提高輸油管道的運輸效率與運輸能力，解決運輸過程中產(chǎn)生的析蠟、結(jié)垢、凝管及堵塞現(xiàn)象。各學(xué)者研究出各種各樣的輸送工藝密閉加熱、熱處理降凝、加輕油稀釋、添加化學(xué)劑、混輸和順序輸送等，以及各種物理與化學(xué)方法。由于原油的粘度很高，為了提高原有的流動性，降低輸送過程中的能耗，安全輸油，延長管線的使用年限，原油在輸送過程中必須進行加熱保溫。目前原油輸送過程中采用的加熱形式一般為用燃料油，以及燃氣來加熱，但是用燃料油以及燃氣加熱原油會造成能源浪費，燃燒過程中產(chǎn)生的廢氣會造成環(huán)境污染，破壞生態(tài)環(huán)境，影響人類以及各種生物的生

3、活，生產(chǎn)，生存2。現(xiàn)在各國都開始進行各種新能源的開發(fā)，如風(fēng)、地?zé)崮?、潮汐能、太陽能等。其中太陽能為最理想的未來能源。利用太陽能代替部分燃料油，燃氣加熱原油輸送管道，即可以減少燃料的使用，降低能耗，也可以減少環(huán)境污染，改善生態(tài)環(huán)境，也可以節(jié)省費用，提高經(jīng)濟效益。1.2太陽能利用現(xiàn)狀太陽能是一種清潔、高效和永不衰竭的新能源。在現(xiàn)今社會，環(huán)境污染嚴重，生態(tài)系統(tǒng)嚴重破壞，煤炭與石油資源為不可再生能源，而且污染嚴重，各國政府都將利用太陽能資源作為新能源發(fā)展的主要方向3。1992年6月聯(lián)合國在巴西召開的“世界環(huán)境與發(fā)展大會”之后,世界各國加強了對清潔能源技術(shù)的研究開發(fā)，使太陽能的開發(fā)利用工作走出低谷,得到

4、越來越多國家的重視和加強。目前國內(nèi)外太陽能的發(fā)展方向主要集中于太陽能熱水器、太陽能熱發(fā)電、太陽能制冷、太陽能熱泵、太陽能推進器等。其中太陽能熱水器、太陽能熱發(fā)電方面的研究已經(jīng)有了很大的發(fā)展。中國太陽能的利用主要在熱利用、光伏發(fā)電等方面。我國太陽能的開發(fā)利用雖然時間不長,但技術(shù)上有了長足進步，太陽能利用已利用工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和公眾日常生活的各個領(lǐng)域，但是由于設(shè)備技術(shù)依賴進口、裝置成本比較高、氣象因子變化等影響,推廣利用市場率低。因此我國太陽能應(yīng)用市場光闊，有很大的發(fā)展前景。目前太陽能熱水器在我國得到極大的發(fā)展，家用太陽能熱水器不管在城市還是在農(nóng)村都得到大量的使用。但是在原油輔助加熱方面則很少使用4。1

5、.3太陽能輔助加熱設(shè)備我國幅員遼闊，日照時間充足，各地太陽能資源豐富，有很大的利用空間，為利用太陽能加熱原油提供了條件。在輸油管線的加熱站中除了建設(shè)費用燃料加熱的燃燒爐等設(shè)備外，還可以建設(shè)太陽能輔助加熱設(shè)施包括換熱器、太陽能集熱板區(qū)、水泵、蓄水箱等5。由于原油粘度高在運輸過程中產(chǎn)生的析蠟、結(jié)垢、凝管以及堵塞現(xiàn)象，而且太陽能集熱板的集熱管管徑很小，如果用太陽能集熱板直接加熱原油會造成集熱管阻塞，影響原油的輸送與加熱。因此，用太陽能加熱原油不能直接加熱，必須通過加熱熱媒，然后通過換熱器，用熱媒間接加熱原油。在日照充足時，太陽能集熱板區(qū)吸收太陽能，水流經(jīng)太陽能集熱區(qū)，將水加熱至80后，通過管道輸送至

6、換熱器，然后通過換熱器間接加熱原油，將原油加熱到合理的輸送溫度，輸送出加熱站。通過太陽能加熱設(shè)施加熱的熱水不僅可以用來加熱原油，還可以供加熱站中的工作人員使用，減少加熱飲用水的費用，一舉多得。在陰天多云等陽光不足或者夜間太陽能輔助加熱設(shè)施不工作時，可以通過燃料加熱爐對原油進行加熱，提高原油的運輸溫度，保證原油輸送管線的工作效率以及工作能力。1.4輸油管線工藝此次輸油管線采用全線泵到泵密閉輸送工藝，為了減少了額外油品損耗，取消了旁接油罐，減少了油品損耗，使全管道成為了一個統(tǒng)一的輸送系統(tǒng)，實現(xiàn)了全線自動化控制，提高了系統(tǒng)效率。熱泵站的泵機組采用串聯(lián)泵流程，合理調(diào)配了泵型號及臺數(shù)，優(yōu)化了運行程序控制

7、，使全線節(jié)流損失達到最小。首站和中間站工藝流程中安裝了出站調(diào)節(jié)閥，不但可以進行泵站機泵邏輯控制與調(diào)節(jié)，而且還可以實現(xiàn)水擊保護。末站進站采用電聯(lián)動調(diào)節(jié)閥。首站及中間站工藝管道設(shè)有高壓泄壓閥，末站進站裝有低壓泄壓閥，在管道發(fā)生水擊時進行水擊超前保護，且可實現(xiàn)水擊超限泄放，確保管道安全運行。加熱爐采用熱媒間接加熱。輸油管道的自動化控制設(shè)備包括三個部分：一是全線各泵站進入自動化系統(tǒng)的各種現(xiàn)場一、二次測試儀表及變送器；二是站控plc；三是控制中心的主計算機。2工藝設(shè)計說明2.1工程概況2.1.1路線基本概況此次任務(wù)要求工程全長385km，高度最低處8.5m，最高處98.6m全部工程處于平原地區(qū)，最高處離

8、首站約287km。設(shè)計管道工作壓力為7.5mpa。2.1.2工程概況這一次原油管線設(shè)計要求額定輸量為500萬噸/年，經(jīng)過分析沿程地型起伏變化不大，為遵守相關(guān)法政策要求，合理利用土地、減少環(huán)境污染，避免出現(xiàn)翻越點，盡量將站布置在合適的海拔以及合適的距離，為了方便職工上下班，方便生活，本著“熱泵站合一”的原則，減少熱站泵站總數(shù)，而且在平原地區(qū)站場間距要合理均勻。在這次原油輸送管線設(shè)計任務(wù)中，采用“從泵到泵”的密閉輸送方式，“從泵到泵”輸送工藝流程簡單，全程密封行好，可以減少油品的蒸發(fā)損耗。為了提高原油進站溫度，減少管內(nèi)結(jié)蠟，減少站內(nèi)阻力，采用“先爐后泵”的工藝流程，可以提高泵的效率，減少投資。并且

9、采用間接加熱方式，選用水套爐加熱在加熱站加熱原油。傳統(tǒng)加熱方式中，采用加熱爐燃燒燃料加熱，不僅污染環(huán)境而且浪費能源，為了降低環(huán)境污染，減少投資，在本次加熱流程中采用部分太陽能輔助加熱，太陽能輔助加熱為間接加熱。由于全部用太陽能加熱需要的太陽能集熱區(qū)面積太大，此次設(shè)計為太陽間接加熱原油后再經(jīng)過加熱爐加熱6。2.1.3工藝計算說明 本次輸送工藝中輸送的為高粘含蠟原油，其凝點較低為29，低于大部分時間的環(huán)境溫度，而且在油品粘度大，直接輸送，沿線水力坡降很大，動力消耗大，輸送困難，費用高，投資更大，在工程或運行上很難實現(xiàn)，而且在溫度較低的季節(jié)容易發(fā)生凝管，因此原油在輸送之前必須使用降粘措施，減小粘度，

10、減少阻力。目前國內(nèi)外降凝辦法的方法可以分為三大類：物理降凝法、化學(xué)降凝法、物理化學(xué)方法。物理方法主要為加熱降凝，首先將原油加熱至最佳的熱處理溫度，然后以一定的速率降溫，達到降低原油凝點的目的?；瘜W(xué)降凝主要為在油品中加入各種降凝劑。在此次設(shè)計采用中主要采用物理降凝法輸送原油，此時油品平均溫度升高，粘度降低，摩阻減少，管輸壓力降低，動力消耗減少。加熱原油后，保證油品的最低輸送溫度在凝固點之上，確保了原油的正常運輸。熱油輸送管除了存在水力損失，還存在熱量損失，在設(shè)計過程中，要正確處理這兩種能量的供求平衡關(guān)系；粘度的大小決定管線的摩阻損失，而粘度大小又取決于輸送溫度的高低，輸送溫度的高低則取決于加熱溫

11、度以及沿線熱量的損失。在油品輸送時，由于數(shù)量不同，原油輸送溫度也不同。因此在設(shè)計線時，必須先確定油品溫度即熱力計算，再確定粘度，計算摩阻。2.1.4原始數(shù)據(jù)(1)年最低月平均溫度0；(2)管道中心埋深1.5m；(3)土壤導(dǎo)熱系數(shù)1.3w/(m)；(4)瀝青防腐層導(dǎo)熱系數(shù)0.15w/(m)；(5)原油物性 20的密度890.5kg/m3； 初餾點80； 反常點29； 凝固點27； 比熱2.1kj/(kg)； 燃油熱值4.18×104kj/kg。(6)粘溫關(guān)系 見表2-1：表2-1 油品溫度與粘度數(shù)據(jù)table 2-1 oil temperature and viscosity data

12、溫度（）2932354045505560粘度（cp）86.7575.9366.4553.2144.6438.7333.5929.13(7)額定輸量500萬噸/年。各年任務(wù)輸量不同，各年任務(wù)輸量與額定輸量的關(guān)系見下表2-2：表2-2生產(chǎn)負荷表table 2-2 table about production load年1234567891011121314生產(chǎn)負荷（%）708090100100100100100100100100908070(8)沿程高程、里程（管道全長385km）關(guān)系見表2-3：表2-3 管道縱斷面數(shù)據(jù)table 2-3 longitudinal section of pipe里

13、程（km）02867105124145173高程（km）58.6105.9111.592.180.475.655.6續(xù)表2-3 管道縱斷面數(shù)據(jù)continued table 2-3 longitudinal section of pipe里程（km）19623267301335364385高程（km）71.4135.4141.6149.5120.990.275.32.2設(shè)計內(nèi)容(1)原油物性參數(shù)計算；(2)用費用現(xiàn)值法選擇輸送管徑；(3)設(shè)計合適的太陽能集熱區(qū)面積，計算太陽能實際集熱面積.，與不加太陽能加熱進行經(jīng)濟比較，計算是否節(jié)省費用(4)水力與熱力計算；(5)設(shè)備選擇，包括油泵、加熱爐、首

14、站末站儲油罐罐、原動機、太陽能集熱板、換熱器等；(6)合理布站，進行工況校核；(7)確定各輸量情況下的運行參數(shù)；(8)反輸計算；(9)站內(nèi)流程設(shè)計；(10)繪圖部分內(nèi)容要求：繪圖采用autocad。2.3設(shè)計基礎(chǔ)參數(shù)2.3.1原油物性參數(shù)2.3.1.1原油密度油品密度 (kg/m3)與溫度t()的關(guān)系如下式： (2-1) (2-2)式中：20-20下原油密度(kg/m3)，取890.5 kg/m3； t-平均輸油溫度，取40；帶入公式(2-1) 即得平均溫度下的密度。2.3.1.2原油粘度根據(jù)下表數(shù)據(jù)，用最小二乘法計算出粘度與溫度的關(guān)系式，粘度溫度關(guān)系數(shù)據(jù)如表2-4：表2-4溫度與粘度數(shù)據(jù)ta

15、ble 2-4 temperature and viscosity data溫度（）2932354045505560動力粘度（cp）86.7575.9366.4553.2144.6438.7333.5929.13運動粘度（mm2）98.186.0275.660.1751.744.6438.7233.70log1.991.931.881.781.711.651.591.53取為t，為 (2-3) (2-4)回歸結(jié)果為。得原油粘度為： (2-5)式中：t-平均輸油溫度，。2.3.1.3原油比熱容所輸原油的比熱容為2 100j/(kg·)。2.3.1.4 平均輸送溫度 如果油品加熱輸送，那

16、么油品的輸送溫度溫度要用原油平均輸油溫度t，平均輸油溫度，按下式計算： (2-6)式中：tr-原油出站溫度，取60； tz-原油進站溫度，取30。2.3.1.5總傳熱系數(shù) 由式： (2-7)式中：dw-管道外徑，m； ht-土壤導(dǎo)熱系數(shù)，w/(m·)，取1.3 w/(m·)； t-管道中心埋深，m，取1.5 m。求得，則傳熱系數(shù)k由下式計算： (2-8)式中：-防腐層厚度(m)，0.006 m； -防腐層導(dǎo)熱系數(shù)(w/m·)，取0.15w/m·；此次防腐層選擇瀝青，計算得總傳熱系數(shù)k。2.3.2其他設(shè)計參數(shù) 管線設(shè)計參數(shù)包括額定輸量、最小輸量、進站油溫、

17、出站油溫，埋深處月平均氣溫等數(shù)據(jù)見表2-5，表2-6其他設(shè)計參數(shù)表中。生產(chǎn)天數(shù)按照350天計算。流量換算：工作天數(shù)為350天，可用于求質(zhì)量流量。根據(jù)質(zhì)量流量可求出體積流量，計算公式如下： (2-9) 式中：q-原油體積流量， m3/s； g-原油質(zhì)量流量,，kg/年； -原油密度，kg/m3 。表2-5 設(shè)計參數(shù)table2-5 design parameters 額定輸量(×10t/a)最小輸量(×10t/a)里程(km)最高出站油溫最低進站油溫埋深處月平均氣溫500350385060300表2-6其他參數(shù)表table 2-6 table about other para

18、meters 工作日（d/a）管道工作壓力(mpa)燃油熱值(×10kj/kg)土壤導(dǎo)熱系數(shù)(w/(m·)年最低平均地溫（）3507.54.61.302.4經(jīng)濟管徑的選擇2.4.1管徑及管材的選擇2.4.1.1管徑選擇根據(jù)最大輸量計算選擇管徑。依據(jù)目前國內(nèi)外熱輸油管線的實際經(jīng)驗，輸送熱油的經(jīng)濟流速的范圍為1.0-2.0m/s，管徑計算公式如下： (2-10) 式中：d-經(jīng)濟管徑，m；q-額定任務(wù)輸量，m3/s； v-管內(nèi)原油經(jīng)濟流速，m/s； -原油密度，kg/m3；根據(jù)最小與最大經(jīng)濟流速計算出管徑范圍后，根據(jù)api標(biāo)準初選管徑。計算各管徑輸送原油時的各種參數(shù)，包括雷諾數(shù)、

19、臨界雷諾數(shù)、水力坡降等，然后由費用現(xiàn)值法確定最優(yōu)管徑。2.4.1.2管材的選擇經(jīng)計算，管徑偏大，采用直縫電阻焊鋼管。綜合考慮輸油管線的工作壓力，油泵的特性、閥門及管件的耐壓大小等因素，大部分管材選用按照api標(biāo)準生產(chǎn)的x60直縫電阻焊鋼管，局部高壓管段選用x70直縫電阻焊鋼管。 2.4.1.3管道壁厚的選擇輸油管道直管段管壁壁厚的計算公式為： (2-11)式中：p-設(shè)計內(nèi)壓力(mpa)，7.5mpa； d-鋼管外徑(mm)； k-設(shè)計系數(shù)，取0.72； -材料的最低屈服強度(mpa)，413mpa； -焊縫系數(shù)，取1.0。管道設(shè)計工作壓力為7.5mpa時，管道選用x60直縫電阻焊鋼管，屈服強度

20、413mpa，以此計算出各管徑需要的壁厚7。2.4.2費用現(xiàn)值法確定最優(yōu)管徑如果輸油管道的輸量一定，輸油管道的管徑越大，管道的水力坡降越小，沿程摩阻越小，泵站數(shù)少，場地投資少水力費用越小，但是基本建設(shè)中，基礎(chǔ)建設(shè)的投資越大。泵站數(shù)少，場地投資少。但是有些費用如供水，通訊費用等則基本不變，因此隨著管徑的變化，一定有最小值的存在。根據(jù)經(jīng)濟流速，參照api標(biāo)準，此次設(shè)計的初選管徑，分別是355.6mm×5.6mm、406.4mm×6.4mm、457mm×7.1mm。計算各規(guī)格管徑的費用現(xiàn)值，確定經(jīng)濟管徑。計算三種規(guī)格的管道，在建設(shè)以及輸送過程中各年所需要的資金，然后分別

21、計算出三種規(guī)格的管道的費用現(xiàn)值，費用現(xiàn)值最小的即為最優(yōu)管徑。1)費用現(xiàn)值法費用現(xiàn)值法又稱現(xiàn)值比較法。用該方法選擇管徑時，先計算出各方案的費用現(xiàn)值，然后進行比較，選擇費用現(xiàn)值較低的方案。費用現(xiàn)值法的計算公式為： (2-12)式中：i-第1年的全部投資； ct-第t年的經(jīng)營成本； sv-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。石油化工企業(yè)的經(jīng)營成本包括：電力費用、燃料費用、工資及福利費、修理費、油氣損耗費、其他費用等。2)經(jīng)營成本和流動資金年經(jīng)營成本電力費用燃料費用工資及福利費油氣損耗費修理費折舊費+其他費用長距離輸油管線工程的燃料費主要是指原

22、油加熱輸送工程中加熱爐加熱原油的燃料費用。可根據(jù)原油的進站溫度與出站溫度計算燃料費用：計算公式如下： (2-13)式中：sr-燃料費用，元/年； ey-燃料油價格，1450元/噸； cy-原油比熱，j/(kg·)； bh-燃料油熱值，j/kg； tr-加熱站的出站溫度，； tz-加熱站的j進站溫度，； r-加熱爐效率，取0.75； g-管線年輸量，取50萬噸/年； nr-加熱站個數(shù)。 電力費用是指站內(nèi)給油泵，輸油泵，電動機具以及相關(guān)輔電力設(shè)備所消耗電能的費用。長距離輸油管線工程的電力費用主要指泵站輸油泵組的電力消耗。輸油管線的電力費用按下式計算： (2-14)式中：sp-管線工程所消

23、耗的電力費，萬元/年； h-全線水力損耗，m； ed-電力價格，元/(kw·h)，取0.5元/(kw·h)； p-泵站泵機組的效率，取0.75； g-年輸量，500萬噸/年。油氣損耗費包括大罐的呼吸損耗和泄漏損耗等，可以按年輸量的一定比例計算。首站職工30人，中間熱泵站15人，中間熱站取10人，末站職工30人。設(shè)定工人工資及福利為4800/月即57600/年8。油氣損耗費損耗比例×年輸量×油價；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；修理費按固定資產(chǎn)原值的1%計算，輸油成本中其

24、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；流動資金利用擴大指標(biāo)估算法，按流動資金占固定資產(chǎn)原值的5%計算。3)比較方案計算個方案的費用現(xiàn)值，選擇現(xiàn)值較小的方案。各方案的費用現(xiàn)值：355.6×5.6的費用現(xiàn)值為180100.9萬元；406.4×6.4的費用現(xiàn)值為169317.8萬元；457×7.1的費用現(xiàn)值為161008.6萬元。經(jīng)過計算顯然管線規(guī)格為457mm×7.1mm的方案費用現(xiàn)值最小，采用此方案進行施工和投產(chǎn)運行可以節(jié)省資金。2.5太陽能輔助加熱系統(tǒng)設(shè)計2.5.1太陽能集熱量以

25、及原油升高溫度假設(shè)輸油管線位于山東省平原地區(qū)，位于太陽能輻射量三類地區(qū)，全年日照時數(shù)為22003000小時，輻射量在502586×108 kj/m2·年?，F(xiàn)在假設(shè)日平均日照時間為8h，太陽能輻射量為2.034×103 kj/m2·h。在熱站與熱泵站中劃分出太陽能集熱區(qū)，考慮站址的面積以及辦公樓，泵房等地區(qū)合理放置太陽能集熱板9。太陽能集熱板與地面成40°角安置，此時太陽能吸熱效率為地面的 1.31倍。1)太陽能吸收熱量太陽能集熱區(qū)收集的熱量按下式計算： (2-15) 式中：q-太陽能集熱區(qū)吸收的熱量，kj/h； ajz-實際集熱板面積

26、， m2； jt-單位集熱器采光面積上時平均太陽能輻射量，kj/m2·h； j-集熱器集熱效率，取50%； t-集熱系統(tǒng)的熱量損耗，取20% 。2)原油升高溫度計算太陽能輔助加熱設(shè)施中換熱器選擇套管式折流桿管式換熱器，采用逆流安置。經(jīng)過換熱后，升高溫度按下式計算： (2-16)式中：q-太陽能集熱區(qū)吸收的熱量，kj/h；g-原油的質(zhì)量流量，kg/s； c-油品比熱 ，kj/(kg·)，取2.1 kj/(kg·)； t-換熱器換熱效率，取90%；2.5.2 太陽能加熱與加熱爐加熱費用現(xiàn)值比較在加熱站中使用太陽能輔助加熱設(shè)施后，油品先經(jīng)過太陽能輔助加熱接加熱，溫度升高

27、后再在加熱站中加熱，會節(jié)省大量的燃料，減少運行費用；但是太陽能加熱設(shè)備的建設(shè)，在建設(shè)初期必須投入大量的資金進行建設(shè)，因此必須對節(jié)省的經(jīng)營費用，與建設(shè)太陽能輔助加熱設(shè)施的費用進行比較，選擇最優(yōu)方案10。2.5.2.1太陽能輔助加熱設(shè)施的建設(shè)費用太陽能輔助加熱設(shè)施的建設(shè)費用，主要集中于太陽能集熱板的購買費用，按下式計算 (2-17)式中 ：st -太陽能集熱板費用； et-太陽能集熱板單價，取1450元； at-太陽能集熱板總面積； ab-單個太陽能集熱板面積； nr-加熱站站數(shù)。2.5.2.2節(jié)省的燃料費用現(xiàn)值法計算 加入太陽能輔助加熱設(shè)施后，每年都會節(jié)省大量的經(jīng)營費用，每年節(jié)省的經(jīng)營費用，用現(xiàn)

28、值法，折算至建設(shè)初期是費用，與太陽能輔助加熱設(shè)施建設(shè)費用進行比較11。1)太陽能加熱設(shè)施每年節(jié)省的費用按下式計算： (2-18)式中：sr-節(jié)省燃料費用，元/年； et-燃料油價格，3340元/噸； cy-原油比熱，j/(kg·)； bh-燃料油熱值，4.2×107 j/kg； t-原油在太陽能設(shè)施中升高溫度，； ri -第i加熱站的加熱爐效率，取75% g-管線輸量，噸/年。2）費用現(xiàn)值法比較現(xiàn)值按下式進行計算： (2-19)式中：sr-節(jié)省燃料費用，元/年； i-行業(yè)基準收益率，取12%；2.6輸油工藝2.6.1主要工藝 此次設(shè)計的輸油工藝主要為目前國內(nèi)外輸送管道采用的

29、先進輸送工藝“從泵到泵”輸送工藝。2.6.2確定熱站及泵站數(shù)2.6.2.1熱力計算1)流態(tài)判斷 (2-20) (2-21) (2-22)式中：re-各管徑對應(yīng)雷諾數(shù)；q -流量 ，m3/s；d-管徑 ，m； -運動粘度， m2/s；e-管壁粗糙度，取0.001m。按照公式計算出各規(guī)格管道的最大與最小雷諾數(shù)，與臨界雷諾數(shù)比較得出，各規(guī)格管道原油流態(tài)均處于水利光滑區(qū)。2)熱站數(shù)確定由于輸量越小，出站油溫越高，因此熱站數(shù)計算在最小數(shù)量下進行。熱站數(shù)的確定可以根據(jù)下列公式計算:水力坡降： (2-23) (2-24) (2-25) (2-26)最終得熱站數(shù)： (2-27)計算結(jié)果向上整取整數(shù)。式中：t0

30、-管道埋深處年最低月平均地溫 ，取0； g-原油的質(zhì)量流量，kg/s； c-油品比熱 ，kj/(kg·)，取2.1 kj/(kg·)； i-水力坡降； m-水利參數(shù)，根據(jù)流態(tài)確定； q-體積流量 ，m3/s。 最終計算的熱站數(shù)為8個。2.6.2.2水力計算最大輸量下原油出站溫度較低，水力坡降大，因此按照最大輸量求管線的泵站數(shù)。根據(jù)原油進站、出站溫度，計算出輸送油品的平均溫度。計算出油品粘度。考慮到本設(shè)計管線較長，摩阻較大，將局部摩阻歸入加熱站的站內(nèi)摩阻。 1)水力計算根據(jù)選擇的管徑、原油的額定輸量，按照下列公式進行水力計算，判斷最高點否是翻越點，選擇輸油泵后，確定全線所需要

31、的泵站數(shù)，根據(jù)地形等優(yōu)化布站，確定站址。水力坡降： (2-28)管路全線能耗為： (2-29)泵站數(shù)： (2-30)式中：h-額定流量下管線所需要的總壓頭(m液柱)； hc -額定輸量下泵站的揚程(m液柱)； hsz-末站剩余壓頭(m液柱)，取30m液柱； hm-泵站站內(nèi)損失(m 液柱)，取20m液柱；當(dāng)n不是整數(shù)，要向上取整。2)判斷有無翻越點判斷有無翻越點根據(jù)下例公式計算： (2-31)式中： l j、z j-高點j點的里程與高程； zq -起點高程； h j-高點j的任務(wù)輸量下所需要的總壓頭；經(jīng)過水力計算，各方案全線無翻越點，全線需要設(shè)置4座泵站。2.6.3站址的確定 (1)進站油溫為3

32、0；(2)出站油溫不超過管線允許的最高出站溫度；(3)進站壓力應(yīng)高于泵的允許吸入真空度；(4)出站壓力低于管線的工作。為了節(jié)省資金和方便整個工程的管理。本著熱泵站合一的原則合理布站，考慮地形與高程因素，在平原地區(qū)均勻布站，建設(shè)4個熱泵站，4個泵站。管線任務(wù)輸量較低時，熱站熱負荷大，泵站數(shù)少。管線任務(wù)輸量增大時，熱站熱負荷減少，水利損失增大，所需泵站數(shù)增多。最終確定站址。管道縱斷面圖 如圖2-1： 圖2-1 管道縱斷面圖fig. 2-1 figure about longitudinal section根據(jù)表2-7的數(shù)據(jù)進行布站： 表2-7站址位置 table 2-7 site location

33、站號首站2#3#4#5#6#7#8#末站里程（km）050105150200255301345385高程( m)58.610992511075.3類型熱泵站熱站熱泵站熱站熱泵站熱站熱泵站熱站-2.6.4運行參數(shù)經(jīng)過初選管徑后，結(jié)合場站的布置情況，計算輸油管道在個年生產(chǎn)負荷下的運行參數(shù)，包括，進站溫度、進站壓力、出站壓力等。2.7站場設(shè)計2.7.1站場平面設(shè)計根土據(jù)相關(guān)規(guī)范及工藝流程需要，進行站場平面設(shè)計，做到布置合理，緊湊美觀，生產(chǎn)安全可靠，操作維修方便，同時盡可能減少方量。2.7.2站場豎面設(shè)計保證相關(guān)設(shè)施的合理布置，站內(nèi)儲油罐布置在地形平坦、地質(zhì)條件良好的地段，場

34、地設(shè)計坡度按照5考慮，按50年一遇洪水頻率進行防洪設(shè)計。2.7.3站場工藝流程設(shè)計本次設(shè)計的輸油管線共設(shè)站場8座，其中首站1座，熱泵站3座、熱站3座，末站1座。最終確定的工藝流程需要滿足以下要求：1)滿足輸送工藝及生產(chǎn)要求。輸油站的主要操作包括：來油與計量；正輸；反輸；越站輸送，包括全越站、壓力越站、熱力越站；收發(fā)清管器；站內(nèi)循環(huán)或倒罐；停輸再啟動；2)便于事故處理和維修；3)采用先進技術(shù)，選擇先進的設(shè)備，改進輸油工藝；4)工藝流程簡單，少用閥門、管件，減少管道長度，充分發(fā)揮設(shè)備性能，節(jié)約投資，減少經(jīng)營費用。2.7.3.1輸油首站輸油首站主要功能是接受來油，對來油進行計量、儲存、加壓、加熱后再

35、外輸。具有站內(nèi)循環(huán)、倒罐、加藥、站內(nèi)吹掃、水擊泄放、發(fā)送接受清管器、污水污油處理等功能。2.7.3.2 3#,5#，7# 熱泵站熱泵站的站內(nèi)主要功能：對來油進行加壓、加熱然后后外輸。具有站內(nèi)循環(huán)、熱力越站加藥、站內(nèi)吹掃、反輸、水擊泄放、接收發(fā)送清管器、污水污油處理等功能。2.7.3.3 2#，4#，8#泵站泵站的站內(nèi)主要功能：對來油進行加壓然后后外輸。具有站內(nèi)循環(huán)、站內(nèi)吹掃、反輸、水擊泄放、接收發(fā)送清管器、污水污油處理等功能。2.7.3.4輸油末站末站的主要功能：對來油計量后輸送給煉油廠等用戶。具有水擊泄放、站內(nèi)循環(huán)、吹掃、接受發(fā)送清管器功能、污水污油處理，同時應(yīng)該具有一定的事故儲油能力。另外

36、，輸油場站除了以上功能外還必須具有污水污油處理功能，并且保證站場工作人員的生活以及辦公需要。2.7.4 主要設(shè)備選型2.7.4.1油泵的選擇1)輸油主泵的選擇通過計算，確定泵的特性曲線： (2-32)式中：hc-離心泵揚程，m液柱； q-離心泵排量，m3/h； a，b-常數(shù)； m-水力計算指數(shù)，本次設(shè)所有流態(tài)處于水利光滑區(qū)，m=0.25。根據(jù)本次輸送工藝的設(shè)計參數(shù)，滿足輸送輸量，揚程，允許吸入壓力，效率等因素，根據(jù)手冊選擇300py-120型油泵，與之配合的原動機功率為355kw。根據(jù)手冊中給出的(h、q)值(500，129)、(700,120)、(840,111)，用最小二乘法算出a、b的值

37、。令， (2-33) (2-34)=279196.58， =360，=32799816.15代入式（2-33），（2-34）中，求得a=141.4 b=0.000223將數(shù)據(jù)代入公式(2-32),計算泵的特性方程。泵的特性方程為： (2-35) 根據(jù)以上計算，以及最大輸量時泵的沿程摩阻，每個泵站選擇6臺泵，其中一臺為備用泵。泵串聯(lián)連接，泵的效率為0.75，額定輸量為700m3/s.泵站的特性方程： (2-36)2) 給油泵的選擇為了提高外輸油泵的進口壓力選擇給油泵。根據(jù)手冊選擇cz200-500a型號的給油泵，泵的特性方程為： (2-37)2.7.4.2首末站儲油罐容量的確定罐區(qū)儲油罐的容量按

38、下式計算： (2-38)式中：m-年輸量，500萬噸/年； -原油密度(kg/m3)； -周轉(zhuǎn)系數(shù)，浮頂罐取 0.9; t-儲存天數(shù)，首站3天，末站5天； 根據(jù)計算首站為建2座30000m3的浮頂罐。末站建2座30000m3和1座40000m3的浮頂罐。燃油罐的選擇按照20min的輸送量來計算。各站建1座200m3燃油罐，同時可以起到卸壓的作用。2.7.4.3加熱爐的選擇選爐原則：(1)滿足輸油系統(tǒng)的熱負荷要求，效率高； (2)便于檢修，各站需要備用爐。各加熱爐的負荷可由下面的公式計算： (2-39)式中：q-加熱站的熱負荷，kw； g-油品流量，kg/s； c-油品比熱，kj/(kg

39、3;)。綜合考慮，選用水套爐加熱。2.7.4.4 閥門的選擇根據(jù)相關(guān)規(guī)范、閥門的用途及管線需求，選擇閥門。2.8工程校核2.8 .1熱力校核熱力校核在最小流量下進行。生產(chǎn)負荷70%； 以1號站為例第一站間，站間距50km。假設(shè)沿程不產(chǎn)生會摩擦熱，令b=0： (2-40) (2-41)出站溫度： (2-42)平均溫度： (2-43)根據(jù)以上各式計算出的數(shù)據(jù)分別計算密度、粘度、流量q則水力坡降 (2-44) (2-45)循環(huán)迭代以上的計算使前后兩次的出站溫度差值在0.2之內(nèi)。根據(jù)上述公式，依次循環(huán)計算各站的出站溫度。計算出的各站出站溫度均小于要求的出站溫度，熱力校核符合要求。 2.8 .2水力校核

40、熱力校核在最小流量下進行。生產(chǎn)負荷100%；1)計算水力坡降以第一站間為例：首站站間50公里。根據(jù)已經(jīng)算出的最大輸量下的進出站溫度，根據(jù)公式(2-43)計算站間的平均輸送溫度。根據(jù)以上各式計算出的數(shù)據(jù)分別計算密度、粘度、流量q。則水力坡降 2)進出站壓力校核現(xiàn)在假設(shè)熱站泵站內(nèi)損失20m油柱；以最大輸量為例如下：首站2#站首站進站壓力hs1；首站出站壓力按下式計算： (2-46)2#站進站壓力按下式計算： (2-47)根據(jù)上述公式計算出各站的進、出站壓力；允許最低入口壓頭：30-70m，管道工作壓力：7.5mpa；計算得各站的進站壓力均在小于工作壓力，各站的出站壓力均小于7.5mpa；故水力校核

41、符合要求。3 原油物性參數(shù)計算以及管徑的初選3.1原油密度與溫度關(guān)系選定進站油溫tr=30 ，出站油溫tz=60，根據(jù)式(2-6)，代入數(shù)據(jù)得：平均輸送溫度：溫度系數(shù)根據(jù)式(2-2)，代入數(shù)據(jù)得: 油品密度 (kg/m3)與溫度t()的關(guān)系如下式： (3-1)則。3.2原油粘度依據(jù)表(2-4)的數(shù)據(jù)，以及式(2-3)、(2-4)得：， ，a=2.37， b=-0.0147由式(2-5)得： (3-2)式中：t-平均輸油溫度，；3.3總傳熱系數(shù)1）的計算根據(jù)式(2-7)，當(dāng)dw=355.6時：根據(jù)式(2-7)代入數(shù)據(jù)依次計算出dw=406.4、457時的值，計算結(jié)果見表3-1。2）k值的計算根據(jù)

42、式(2-8)以及其數(shù)據(jù)當(dāng)dw=355.6時根據(jù)式(2-8)依次計算出dw=406.4，457時的k值，計算結(jié)果見表3-1： 表3-1 熱力參數(shù)table3-1 thermal parameters 管道規(guī)格(mm)k355.6×5.63.1452.794406.4×6.42.8962.595457×7.12.6702.4123.4管徑及管材的選擇以及壁厚的確定1)管徑的選擇輸油管道管徑由經(jīng)濟流速計算，根據(jù)經(jīng)驗，原油的經(jīng)濟流速為1.0-2.0m/s，根據(jù)最大與最小經(jīng)濟流速，確定管徑范圍。根據(jù)式(2-9)，最大輸量為500萬噸/年，q=0.189m3/s；根據(jù)式(2-

43、10)，當(dāng)經(jīng)濟流速v=1.0m/s，； 當(dāng)經(jīng)濟流速v=2.0m/s，；根據(jù)api標(biāo)準鋼管規(guī)格得初選管徑見表3-2：表3- 2初選管徑table 3-2 primary diameters經(jīng)濟流速范圍(m/s)初選管(mm)初選管(mm)初選管徑(mm)1.0-2.0355.6406.44572)管材的選擇綜合考慮輸油管線的設(shè)計壓力、泵的特性、閥門等設(shè)施的耐壓等級等因素，選用按照api標(biāo)準生產(chǎn)的x60直縫電阻焊鋼管，局部高壓管段選用按照api標(biāo)準生產(chǎn)的x80直縫電阻焊鋼管。3)道壁厚的選擇x60直縫電阻焊鋼管的材料的最低屈服強度為413mpa。以dw=355.6mm的管道為例，根據(jù)式(2-11)

44、，代入數(shù)據(jù)得：根據(jù)公式依次計算出dw=406.4、457時的計算壁厚。為保證管道安全，腐蝕余量1mm。計算結(jié)果見表3-3：表3-3各管徑計算壁厚table3-3 wall thickness of each pipe diameter公稱直徑(mm)計算壁厚(mm)腐蝕余量(mm)實選壁厚(mm)管道外徑(mm)dn3504.415.6355.6×5.6dn 4005.1216.4406.4×6.4dn 4505.7817.1406.4×6.44 熱泵站布置4.1流態(tài)確定原油的流態(tài)通過計算粘度、雷諾數(shù)求得：1)油品粘度根據(jù)表2-1，t=40時，油品的的粘度 =60.17m2/s。2)由雷諾數(shù)判斷流態(tài)管徑規(guī)格為355.6×5.6的雷諾數(shù)計算，根據(jù)式(2-20)、(2-21)、(2-22)代入數(shù)據(jù)得：當(dāng)輸量最大時，qmax=0.189 m3/s，代入公式(2-20)得：；當(dāng)輸量最小時，q min=0.7qmax=0.132 m3/s，代入