铁大原油管道工艺设计(末站).doc
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铁大原油管道工艺设计(末站).doc
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学号:
10409999
常州大学
毕业设计(论文)
(2014届)
题目铁大原油管道工艺设计(末站)
学生无名氏
学院石油工程学院专业班级储运999
校内指导教师无名氏专业技术职务教授
校外指导老师专业技术职务
二○一四年六月
铁大原油管道工艺设计(末站)
摘要:
本次设计的主要内容有:
根据经济流速V=1.5m/s计算出所需内径d=755.59mm,查APISPEC5L-2007,选三种管径的钢管,外径分别为762mm、812.8mm、863.6mm,设计3种方案。
根据年输量和沿程摩阻计算所需泵站和加热站。
进而根据水力坡降图合并泵站和加热站以降低建设费用。
选取45℃、50℃、55℃三种出站温度;一种管径的钢管有3种子方案,三种管径的钢管就有9种方案;经过热力计算、水力计算、经济性校核、强度校核等计算,本次设计选定管材为X80钢,Φ762×10.31。
采用加热输送工艺,布站方案是全线共4个泵站、4个加热站,泵站和加热站全部合并。
关键词:
原油管道;加热输送;末站
I
Tieling-daliancrudeoilpipelineprocessdesign(endstation)
Abstract:
Themaincontentsofthedesign:
accordingtotheeconomicflowrateV=1.5m/s,wecalculatetherequiredinternaldiameteris755.59mm.CheckAPISPEC5L-2007,weselectthreepipediameter,outsidediametersare762mm,812.8mm,863.6mm.sothereare3solutions.Accordingtothevolumeoftransportationandfrictionalongtheway,wecancalculatetherequiredpumpingstationsandheatingstations.Furtheraccordingtothehydraulicgradient,wecombinethepumpingstationsandheatingstationstoreduceconstructioncosts.
Weselect45℃,50℃,55℃asthreekindsofoutboundtemperature;andselectthemosteconomicalsolutionfromninekindsofprogramsinthesubsequentcalculation.
Afterthermodynamiccalculations,hydrauliccalculations,economycalculations,strengthcheckcalculation,weselectX80steelpipeinthisdesign.theSpecificationofthepipeisΦ762×10.31.ThedesigntakesheatedCustodytransferprocesssolution,StationDistributionprogram:
atotaloffourpumpingstationsalongtheway,fourheatingstations,pumpingstationsandheatingstationsareallmerged.
Keywords:
crudeoilpipeline;heatedtransportation;endstation
目录
摘要 Ⅰ
Abstract Ⅱ
1绪论 1
1.1原油管道工艺设计的目的和意义 1
1.2国内外的研究现状 1
1.3研究目标和研究内容 1
1.3.1研究目标 1
1.3.2研究内容 1
2毕业设计(论文)依据及参数 2
2.1设计依据 2
2.2设计参数 2
3工艺计算 3
3.1热力计算 3
3.1.1计算温度及相关系数的确定 3
3.1.2初选管径 3
3.1.3加热站布置 4
3.1.4初步计算加热站间距 4
3.1.5加热站数目的确定 5
3.1.6反算加热站实际站间距:
6
3.1.7反算出站温度 7
3.2水力计算 8
3.2.1计算温度的确定 8
3.2.2密度的确定:
8
3.2.3粘度的确定 9
3.2.4雷诺数的计算和流态的判断 10
3.2.5沿程摩阻的计算 11
3.2.6泵的选择和计算 13
3.3泵站加热站合并 22
3.4经济性的校核 23
3.4.1热负荷的计算 23
3.4.2加热用原油消耗量 25
3.4.3热力费用 26
3.4.4动力费用 26
3.4.5管线投资费用 27
3.4.6输油站投资及基建费用 27
3.4.7年费用 28
3.5末站油库设计 29
3.5.1储罐设计 29
3.5.2储罐区设计 29
3.6强度校核 29
3.6.1壁厚校核 30
3.6.2管道的轴向应力校核 30
3.7其他工艺计算 31
3.7.1允许输量的计算 31
3.7.2允许停输时间计算 32
参考文献 33
致谢 34
III
常州大学本科毕业设计
1绪论
1.1原油管道工艺设计的目的和意义
众所周知,我国的原油是高凝点、高含蜡、高粘度的三高原油,这种原油在管道输送过程中经常会发生析蜡、凝管、阻塞等现象。
为了减少此类事故的发生就必须对原油进行加热,也就是采用加热输送工艺。
加热输送可以显著改善原油的流动性,从而达到降低能耗、安全输送的目的。
所以研究原油管道加热输送工艺对于降低管道沿程热损耗、节约人力和物力资源,保持管道安全地运行有着深远的意义。
1.2国内外的研究现状
目前,我国原油管道主要由中国石油和中国石化两家公司运行管理,约1.7×104km,占管道总里程的82%。
2011年我国原油对外依存度为54.3%,首次超过美国。
现阶段,我国与美国、印尼等国的长输原油管道广泛采用加热输送工艺,就工艺方法本身而言,我国与国外的水平相当,但在管道的运行管理和主要输送设备的有效利用水平上还存在着一定的差距;在管道输送的节能降耗方面,应进一步向国外学习。
国外油气管道技术近几年发展比较快,有许多新技术、新工艺、新材料、新设备被不断用于新管道的建设和老管道的改造,有效地降低了工程造价,提高了施工质量,保证了新建管道的顺利投产。
由于国外管道建设时间比较长,安全隐患严重,因此,围绕节能降耗和安全运营,国外管道公司大力开展技术革新,对老管道定期进行检测和完整性评价,采用计算机系统优化运行管理。
1.3研究目标和研究内容
1.3.1研究目标
本次设计的题目是铁大原油管道的工艺设计,原油管道工程量巨大,所以我们追求的目标就是让管道在较低成本下长期安全运行。
因此就必须选取合适的输送管径,合理确定建设规模,正确合并泵站与加热站,以达到节省投资和运行费用的目的。
1.3.2研究内容
(1)用基础数据确定经济管径。
(2)经济管径下的水力和热力计算。
(3)主要设备的选型。
(4)站址确定及调整和工况校核。
(5)对不同方案进行比较,选择经济性好的方案。
第33页共34页
2毕业设计(论文)依据及参数
2.1设计依据
《石油库设计规范》GB50074-2011
《输油管道工程设计规范》GB50253-2003
《管线钢管规范》APISpec5L-2007
《油气管道设计与施工》中国石化出版社
《油气管道工程》中国石化出版社
《输油管道设计与管理》中国石油大学出版社
2.2设计参数
(1)年输量1800万吨/年
(2)原油物性
①密度(20℃):
897.24kg/m3,凝固点:
32℃,热容:
2100J/(kg·K);燃烧值:
41900kJ/kg。
②温度(℃):
354045505570
粘度(厘沱):
34302623.852215.68
(3)年操作天数:
350天
(4)线路计算长度铁岭-大连436km。
(5)计算地温(℃):
冬季埋深处地温3.0℃
(6)地形
表2.1里程高程表
高程/m
97.3
48.5
15.4
70
114.1
15.7
160
180.1
38.5
里程/km
0
70
150
210
245
285
355
420
436
3工艺计算
3.1热力计算
3.1.1计算温度及相关系数的确定
(1)K值的初确定
初选K=1.5W/(m2·℃)
(2)进站温度的计算:
T=凝固点+(2~3℃)=32+5=35℃
(3)出站温度的计算:
TR1=45℃TR2=50℃TR1=55℃
(4)平均温度的计算:
(5)温度系数的确定:
(6)油品密度的计算:
3.1.2初选管径
取经济流速:
μ=1.5m/s,年运行天数为350天,年输量为1800万吨/年。
转化为m3/s。
由得:
根据APISpec5L-2007管线钢管规范:
初选钢管外径为:
D1=762mm
D2=812.8mm
D3=863.6mm
计算结果汇总如下表:
表3.1初选钢管型号列表
钢级或钢号
管型
外径(mm)
内径(mm)
壁厚(mm)
X80
Φ762×10.31
762
741.38
10.31
X65
Φ812.8×14.27
812.8
784.25
14.27
X60
Φ863.6×15.88
863.6
831.85
15.88
表3.2钢管型号及最大承压能力
管型
螺旋无缝钢管最大承压值(MPa)
Φ762×10.31
9.73
Φ812.8×14.27
9.66
Φ863.6×15.88
6.77
注:
最大承压值(MPa)=(抗拉强度×管壁厚)/管内径X65钢抗拉强度530MPa
3.1.3加热站布置
加热站间距的计算:
式中:
LR——加热站间距,m;
G——油品的质量流量,G=Q×ρ=0.67225×885.44=595.24kg/s;
C——输油平均温度下油品的比热容,C=2100J/kg·℃;
TR——热站出站油温,℃;
TZ——热站进站油温,℃;
T0——周围介质温度,埋地管道取管中心埋深处自然地温,3.0℃;
3.1.4初步计算加热站间距
(1)当管径为762mm时;
(2)当管径为812.8mm时:
(3)当管径为762mm时:
3.1.5加热站数目的确定
(1)当管径为762mm时:
(2)当管径为812.8mm时:
(3)当管径为863.6mm时:
3.1.6反算加热站实际站间距:
(1)当管径为762mm时:
(2)当管径为812.8mm时:
(3)当管径为762mm时:
3.1.7反算出站温度
由苏霍尔温降公式,用Excel解方程可以得到:
(1)当管径为660mm时:
TR1=41.53℃,TR2=44.02℃,TR3=48.55℃;
(2)当管径为711mm时:
TR1=42.18℃,TR2=44.89℃,TR3=49.84℃;
(3)当管径为762mm时:
TR1=40.99℃,TR2=45.78℃,TR3=51.18℃;
加热站布置情况列表:
表3.3加热站布置情况列表
序号
TR(℃)
TZ(℃)
NR
LR(m)
(mm)
1
41.53
35
5
87200
762×10.31
2
44.02
35
4
109000
762×10.31
3
48.55
35
3
145333.3
762×10.31
4
42.18
35
5
87200
812.8×14.27
5
44.89
35
4
109000
812.8×14.27
6
49.84
35
3
145333.3
812.8×14.27
7
40.99
35
6
72666.67
863.6×15.88
8
45.78
35
4
109000
863.6×15.88
9
51.18
35
3
145333.3
863.6×15.88
3.2水力计算
3.2.1计算温度的确定
由得:
(1)管径为762mm时:
(2)管径为812.8mm时:
(3)管径为762mm时:
3.2.2密度的确定:
由得:
(1)管径为762mm时:
(2)管径为812.8mm时:
(3)管径为762mm时:
3.2.3粘度的确定
粘温关系列表如下表:
表3.4粘温关系列表
温度(℃)
35
40
45
50
55
70
粘度(里沱)
34
30
26
23.85
22
15.68
作温度和粘度曲线(Excel)可得:
图3.1原油粘温回归曲线图
(1)管径为660mm时:
(2)管径为812.8mm时:
(3)管径为863.6mm时:
3.2.4雷诺数的计算和流态的判断
(1)当Re<2000时,流体的流态为层流,水力摩阻系数与管壁粗糙度无关,仅为Re的函数=64/Re;
(2)当2000 (3)当Re>3000时,流体处于紊流状态,根据边界层流态的情况可分为三个区域: 当3000 当 当Re>Re2=时,为粗糙区,。 管径为762mm时: 管子的绝对粗糙度为: e=0.03mm。 管子的相对粗糙度为: 。 则雷诺数为: 。 ν1=31.78。 。 ν2=31.21 。 ν3=30.20 。 因为3000 同理可得: 当管径为812.8mm和863.6mm时,结果与上述情况相同。 3.2.5沿程摩阻的计算 基本参数如下表: 表3.5基本参数表 流态 λ m β,s2/m hr,m 层流 64 1 4.15 过渡区 0.16 0.25 0.0124 紊流 水力光滑区 0.3164 0.25 0.0246 混合摩擦区 A 0.123 0.0802A 粗糙区 λ 0 0.826 列宾宗公式为: 式中: β,m表示由流态确定的系数,在水力光滑区时: m=0.25,β=0.0246 Q—设计输量,m3/s; ν—粘度,m2/s; d—管道内径,m; L—计算长度,m (1)当管径为762mm时: 局部摩阻为: 同理可得: (2)管径为812.8mm时: (3)管径为863.6mm时: 3.2.6泵的选择和计算 (1)单泵扬程的计算: 本设计输量为: QP=0.67225m3/s=2420.1m3/h Q=(1.05~1.10)QP=1.10×2420.1=2662.11m3/h 依据泵的规范选择泵的型号为: ZLMIP530/06 转速n=2980r/min; 效率η=87.5%; NPSH=19m; 电机功率P=2400kw 由鲁尔泵规范计算泵的特性曲线为: H=a-bQ2-m H=350.29-0.000099Q1.75 代入Q的泵的扬程为: H=253m (2)泵的连接形式的确定: 泵站(以及管道)的出站压力根据管道的设计输量和设计输量对应的合理管径、壁厚、输油站数量、输油泵的性能、管材强度、阀门及管件的耐压等级等因素综合确定,本管线设计压力定为7MPa,由于铁大原油管道的三条管线中最低强度的一条管线的最大承压为9.67MPa,所以出站压力符合管道承压范围。 所以铁大原油管道管线设计压力: 7Mpa。 在7MPa设计压力下,相当于的原油液柱高度为: 依据上述结果得: 选择两台ZIM530/06型号的泵串联,另外配一台备用, Hc=2×253=506m。 故每个泵站所能提供扬程Hc取506m。 确定泵站数目及泵站间距: 首站进口压头: ΔH1=30m; 站内摩阻损失: hc=15m; 根据水力坡降图确定泵站位置: (3)管径为762mm时: ①=0.003819 根据管道纵断面图可以确定共需建设4个泵站,前三个泵站每个泵站设3台泵,其中两台串联运行,一台备用;第四个泵站设两台泵,一台运行,另一台备用。 共需11台鲁尔泵。 图3.2水力坡降图 (1) ②=0.003802 根据管道纵断面图可以确定共需建设4个泵站,前三个泵站每个泵站设3台泵,其中两台串联运行,一台备用;第四个泵站设两台泵,一台运行,另一台备用。 共需11台鲁尔泵。 图3.3水力坡降图 (2) ③=0.0037707 根据管道纵断面图可以确定共需建设4个泵站,前三个泵站每个泵站设3台泵,其中两台串联运行,一台备用;第四个泵站设两台泵,一台运行,另一台备用。 共需11台鲁尔泵。 图3.4水力坡降图(3) (4)管径为812.8mm时: ①=0.003639 根据管道纵断面图可以确定共需建设4个泵站,前三个泵站每个泵站设3台泵,其中两台串联运行,一台备用;第四个泵站设两台泵,一台运行,另一台备用。 共需11台鲁尔泵。 图3.5水力坡降图(4) ②=0.003621 根据管道纵断面图可以确定共需建设4个泵站,前三个泵站每个泵站设3台泵,其中两台串联运行,一台备用;第四个泵站设两台泵,一台运行,另一台备用。 共需11台鲁尔泵。 图3.6水力坡降图(5) ③=0.003589 根据管道纵断面图可以确定共需建设4个泵站,前三个泵站每个泵站设3台泵,其中两台串联运行,一台备用;第四个泵站设两台泵,一台运行,另一台备用。 共需11台鲁尔泵。 图3.7水力坡降图(6) (5)管径为863.6mm时: ①=0.002757 根据管道纵断面图可以确定共需建设3个泵站,前两个泵站每个泵站设3台泵,其中两台串联运行,一台备用;第3个泵站设两台泵,一台运行,另一台备用。 共需8台鲁尔泵。 图3.8水力坡降图(7) ②=0.002733 根据管道纵断面图可以确定共需建设3个泵站,前两个泵站每个泵站设3台泵,其中两台串联运行,一台备用;第3个泵站设两台泵,一台运行,另一台备用。 共需8台鲁尔泵。 图3.9水力坡降图(8) ③=0.002706 根据管道纵断面图可以确定共需建设3个泵站,前两个泵站每个泵站设3台泵,其中两台串联运行,一台备用;第3个泵站设两台泵,一台运行,另一台备用。 共需8台鲁尔泵。 图3.10水力坡降图(9) 3.3泵站加热站合并 为了节省建设成本,泵站与加热站应进行合并,本次设计的泵站位置由管线纵断面图确定,再由泵站位置确定加热站位置。 (1)管径为762mm时: 由上述管道纵断面图可知,泵站间的间距大约为150km左右,所以要想将泵站和加热站合并加热站间的距离也应该在150km左右,综合泵站和加热站各自的特性得出: 第一个泵站和第二个泵站间距145.3km; 第二个泵站和第三个泵站间距122.4km; 第三个泵站和第四个泵站间距105km; 在上述四个泵站中都建设加热站,共四个加热站,出站温度均取48.55℃。 (2)管径为812.8mm时: 由上述管道纵断面图可知,泵站间的间距大约为150km左右,所以要想将泵站和加热站合并加热站间的距离也应该在150km左右,综合泵站和加热站各自的特性得出: 第一个泵站和第二个泵站间距152km; 第二个泵站和第三个泵站间距134.38km; 第三个泵站和第四个泵站间距105km; 在上述四个泵站中都建设加热站,共四个加热站,出站温度均取54℃。 (3)管径为863.6mm时: 由上述管道纵断面图可知,第一个泵站和第二个泵站间距191.42km;如果第一个加热站和第二个加热站的间距也取191.42km,那么就要将原油加热到63℃,才能正常输送191.42km,这样做反而不经济了。 所以应采用折中的办法,首站设一个加热站,距首站110km处设第二个加热站,第二个泵站内再设第三个加热站,即距首站191.42km处设第三个加热站。 第一、二加热站出站温度取45.78℃,第三个加热站出站温度取54℃,第二个泵站和第三个泵站间距151.28km,所以在第三个泵站内设第四个加热站,第四加热站出站温度取45℃。 3.4经济性的校核 3.4.1热负荷的计算 式中: G—油流质量流量,kg/s; c—油品比热容,kJ/kg·℃; (1)管径为762mm时: 全程出站温度均为48.55℃,所以TR=48.55℃ (2)管径为812.8mm时: 全程出站温度均为54℃,所以TR=54℃ (3)管径为836.6mm时: 为了更经济的输送原油,各个加热站出站温度可能不同,第一、二加热站出站温度取45.78℃,第三加热站出站温度取54℃,第四加热站出站温度取45℃。 ①第一、二加热站的热功率: ②第三加热站的热功率: ③第四个加热站的热功率: (4)加
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