等温输油管道大作业

等温输油管道大作业内容：

拟建一条长690公里，年输量为600万吨的轻质油管线。已知原始资料： ①管路埋深1.5米处的月平均地温： 月份 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 地温℃ 6.3 5 5.9 10.3 14.9 17.4 19.8 21.1 20.8 18.3 13.5 8.6 ②油品密度ρ20=867.5kg/m3 ③油品的粘温特性： 温度（℃） 粘度 （10-6米2/秒） 30.2 22.6 18.8 15.8 13.5 5 10 15 20 25 ④可选用的离心泵型号规格：(P24) 或按照最新的泵机组样本进行选择(网上搜索或图书馆查阅相关手册)。

⑤首站进口压头取ΔH1=45m，站内摩阻取15m。 ⑥管材选用见P64和附录一、附录二。 ⑦ 线路高程： 桩号 里程（km） 高程 517 608 745 596 407 513 536 （km） 设计要求：（提示：先采用手算，步骤熟悉后再采用电算。作业本中要体现手算过程。）

1）合理选择泵型号和泵站的组合方式，并查有关资料作所选型号的泵在输此油品时特性数据的换算；

2）选取合适的管径，计算壁厚并取整，然后计算管道的承压能力和对应的允许最大出站压头；

3）取管道的当量绝对粗糙度e=0.03mm，计算所需的泵站数；

4）将计算的泵站数取大化整，然后提出三项经济可行的措施使输量保持不变，并对每种措施作相应的计算（双号学生选作）。

35 33 17 17 1 0 2 19 3 4 5 6 7 8 9 10 11 124 190 290 335 438 484 554 635 696 5）将计算的泵站数取小化整，分别计算所需副管的长度（管径与主管相同）、大一个等级的变径管长度、大两个等级的变径管长度，并进行管材耗量的比较（单号学生选作）

6）校核:夏季高温时和冬季低温时各站的进、出站压力,并调整站址； 7）设副管敷设在首站出口位置，求第一站间动水压头Hx的表达式，并检查全线动水压头和静水压头；

8）求管道系统的最大和最小输量及相应的电机的总输出功率

已知参数：

管长L?690km，年输量G?600*107kg/a 20℃时油品密度：?20=867.5kg/m3

基本量求解：

根据已知12个月平均温度求得年平均温度： 1t1=?6.3?5?5.9?10.3?14.9?17.4?19.8?21.1?20.8?18.3?13.5?8.6? 12　?13.50?C 已知夏季最高温度：t2=21.1?C；冬季最低温度：t3=5?C A.计算油品密度

根据公式：?t??20???t?20?

其中，??1.825?0.001315?20,kg/?m3??C?

1) 年平均温度下，油品密度：

?1??20??(t?20)?867.5?(1.825?0.001315*867.5)*(13.5?20)?871.95kg/m3 2）夏季最高温度下，油品密度：?2?866.75kg/m3 3）冬季最低温度下，油品密度：?3?877.76kg/m3

B.计算油品体积流量

考虑到管道维修及事故等因素，年输时间按350d（8400h）计算： 1) 年平均温度下，油品体积流量：

7 Q1?G/?1?600*10?819.18m3/h

(8400*871.95)2）夏季最高温度下，油品体积流量：Q2?824.10m3/h 3）冬季最低温度下，油品体积流量：Q3?813.76m3/h C.计算油品粘度

根据已给温度与油品粘度的各个离散点，采用Excel进行数据拟合， 拟合曲线如下：

并得到温度与油品粘度的关系式：

? ? ?10.31ln?t? ? 46.655，10?6m2/s

1）年平均温度下，油品粘度： ?1 ? 19.82*10?6m2/s 2）夏季最高温度下，油品粘度：?2 ? 15.22*10?6m2/s 3）冬季最低温度下，油品粘度：?3 ? 30.06*10?6m2/s

问题一求解：

A.泵型号及泵站组合方式的选择：

按照年平均输量 Q1?819.18m3/h选择所需泵

1）当选用DZ 250*340*4 型并联用离心泵时，各特性参数为：

η=87%，Hc=520,N=1100KW，NPSH=18m 2) 当选用ZS 35*420 型串联用离心泵时，各特性参数为：

η=80%，Hc=255,N=600KW，NPSH=8m 相比之下，选用 DZ 250*340*4 型并联用离心泵效率较高，因此选用 DZ 250*340*4 型并联用离心泵

特性参数的换算：由于在平均温度下，粘度小于20*10?6m2/s，

因此不用进行换算。

问题二求解：

A.选择管径：

根据年输量G?6*106t/a，查找表2-4（P63），得出计算管径为529mm， 因此设计管径应在529mm左右波动。根据API标准钢管规格，见附录二 （P486），选取与529mm相近的三种直径管道，且分别为457mm,508mm，

559mm.从经济效益及节省管径材料方面来看，初选管径为508mm，初选 设计压力为6MPa。

B.校核设计压力：

根据能量平衡关系，管道实际压力计算：

P?(?H?Hc)?g,?H?45m,Hc?520m

1) 年平均温度下：

?6P?4.83MP1?(?H?Hc)?1g?(45?520)*871.95*9.8*10a?6.0MPa 2) 夏季最高温度下：

?6P?(?H?H)?g?(45?520)*866.75*9.8*10?4.80MP2c2a?6.0MPa 3) 冬季最低温度下：

?6P?(?H?H)?g?(45?520)*877.76*9.8*10?4.86MP3c3a?6.0MPa

因此，可选6.0MPa作为设计压力。 C.管道计算承压能力与最大出站压头： 钢管材料选用L450钢

根据许用应力公式：????K??sT

其中，K为强度设计系数，取0.72. φ为焊缝系数，取1.0 T为温度折减系数，取1.0

σs为钢材最低屈服强度，取450MPa。 因此，????K??sT?0.72*1.0*1.0*450?324MPa

PD 根据输油管道壁厚设计公式：??

2??? D1?457mm时,?1?6*457?4.23mm，取整后，?1=6.0mm 2*324 D2?508mm时,?2?6*5082*324?4.7mm，取整后，?2=6.0mm

D3?559mm时,?3?6*5592*324?5.17mm，取整后，?3=6.0mm

根据管道内径计算公式：d?D?2? d1?D1?2?1?457?2*6?445mm d2?D2?2?2?508?2*6?496mm d3?D3?2?3?559?2*6?547mm 屈服校核：??Pd?? 2???Pd ?1?12??222.5MPa?????324MPa

1Pd ?2?22??248MPa?????324MPa

2Pd ?3?32??273.5MPa?????324MPa

3管道最大承压能力：P? d1?445mm时，P1?2????2????1d

d1?2*324*6445?8.737MPa

d1?496mm时，P2? d3?547mm时，P3?2????22????3d2d3?2*324*6?2*324*6496547?7.839MP ?7.108MPa

相应的最大出站压头：H?PD1?457mm时，H1?D2?508mm时，H2?D3?559mm时，H3?P1?g

6?1g?8.737*10871.95*9.86?1022.46m ?917.37m ?831.82m

P2P3?1g?1g?7.839*10?7.108*10871.95*9.8871.95*9.86问题三求解：

泵站数确定：

A. 油品流速：V?4Q?d2

?d1?445mm时，V1?1.47m/s??d2?496mm时，V2?1.18m/s ?d?547mm时，V?0.97m/s3?3B. 流体雷诺数：Re?Vd?4Qv?dv

?d1?445mm时，Re'1?32897.55??'?d2?496mm时，Re2?29514.94 ?'d?547mm时，R?26763.093?e3?C. 第一临界雷诺数：Re1?59.58,??2e

d?7?d1?445mm时，?1?1.35*10?4,Re''1?1576204.97???4''?d2?496mm时，?2?1.21*10,Re2?1784292.39 ??4''d?547mm时，??1.10*10,R?1995464.0633?e3?因此，在三种管径下。流体均处于水力光滑区。

2?mmhQvLD. 水力坡降计算：i???,??0.0246,m?0.25 Ld5?m?d1?445mm时，i1?5.781m/km??d2?496mm时，i2?3.453m/km ?d?547mm时，i?2.169m/km3?3翻越点判断：

由上图可知，在三种不同管径下，均无翻越点存在。

E. 全线压头损失计算，并考虑1%的其余损耗,且末站剩余压头10m：

H?1.01(iL??Z)?10

?d1?445mm时，H1?3568.81m? ?d2?496mm时，H2?1932.72m

?d?547mm时，H?1029.72m3?3F．泵站数确定：N?H(Hc?hm),Hc?520m,hm?15m

?d1?445mm时，N=7.07? ?d2?496mm时，N=3.83

?d?547mm时，N=2.04?3 选取管径d?496mm，D=508mm设置泵站，则N=3.83

问题四求解：

泵站数N=3.83取大化整为N=4

三项可行经济措施及相关运算：

根据泵站Q-H特性方程:Hc?A?BQ2?m

式中:Hc为泵站扬程，m液柱；Q为泵站排量，m3/s

A、B由离心泵特性及组合方式确定的常数

查找图2-1（P24）中DZ 250*340*4 型并联用离心泵，任选10个离 散点，如下表所示： 流量100 200 300 400 500 600 700 800 900 100 Q/m3/h 流量0.028 0.056 0.083 0.111 0.139 0.167 0.194 0.222 0.250 0.278 Q/m3/s Q1.75 0.002 0.006 0.013 0.021 0.032 0.043 0.057 0.072 0.088 0.106 扬程630 628 618 615 605 590 575 550 495 415 HC/m 用Excel作出Hc与Q1.75的离散点关系图，并拟合为线性关系，如下图所示： 扬程H与Q^1.75关系图800600400200000.020.040.060.080.10.12y = -1819.x + 652.3H/m线性(H/m) 由此，得出泵站的特性方程： Hc?652.38?1819.8Q1.75

?d??508?A. 选取变径管，m=0.25,?=??????1.653

d457???0?变径管长：

(N?N2)x?(Hc?hm)i(1??)

?(520?15)(3.83?3)?38.07km3.453*(1?1.653)B. 调节泵转数

调速前：Hc?A?BQ2?m

'调速后：Hc?An' 5?m4.75?n??n?2'?BnmQ2?m

令3.83Hc=4Hc'

以上各式中，A=652.38，B=1819.8，Q=0.228m3/s，m=0.25

'因此，解得：n?0.9826

nC. 改变叶轮半径

变径前：Hc?A?BQ2?m

'变径后：Hc?AD'?D??D?2'?BDmQ2?m

令3.83Hc=4Hc'

以上各式中，A=652.38，B=1819.8，Q=0.228m3/s，m=0.25

'因此，解得：D?0.9826

D问题五求解：

泵站数N=3.83取小化整为N=3

A. 铺设副管（管径与主管相同）

(N?N1)副管长度计算：x1?(Hc?hm)

i(1??)其中，Hc=520m,hm=15m,N=3.83,N1=3,i=3.453,ω=0.298 因此，副管长度：x1=173.41km 对于D=508mm,δ=6.0mm钢管，其管重W1=73.81kg/m

因此，此时钢材耗量：

M1?W1x1?73.81*173.41?1.3*107kg B. 大一个等级变径管

变径管长度：x3?(Hc?hm)(N?N1)

i(1??)4.75??508D其中，????0.635 ??559?D0?因此，变径管长度：x2=322.57km 对于D0=559mm, δ=6.0mm钢管，其管重W2=81.31kg/m 因此，此时钢材耗量：

M2?(W2?W1)x2?(81.31?73.81)*322.57?2.4*106kg C. 大两个等级变径管

(N?N1)变径管长度：x3?(Hc?hm)

i(1??)4.75??508D其中，????0.419 ??D6100??因此，变径管长度：x2=208.93km 对于D0=610mm, δ=6.0mm钢管，其管重W3=88.80kg/m 因此，此时钢材耗量：

M3?(W3?W1)x3?(88.80?73.81)*208.93?3.1*106kg

5?m5?m????综上，由M1>M3>M2知，大一个等级变径管更为经济可行。

问题六求解:

A.夏季时情况:

油品密度:?=866.75kg/m3 油品粘度:??15.22*10?6m2/s 油品流量:Q?0.229m3/s

泵扬程 :Hc?652.38?1819.8Q1.75?514.43m

2?mmQ?水力坡降:i??d5?m?3.26m/km

B.冬季时情况

油品密度:?=877.76kg/m3

油品粘度:??30.06*10?6m2/s

油品流量:Q?0.226m3/s

泵扬程 :Hc?652.38?1819.8Q1.75?517.57m

2?mmQ? 水力坡降:i???3.77m/km

d5?mC.若选择四个泵站,确定各站进出站压力:

进站压力:Hsi?Hd(i?1)?iLi,i?1??Zi,i?1,2?i?4 出站压力:Hdi?Hsi?Hc?hm,1?i?4 其中,His为第i站进站压力 Hdi为第i站出站压力

Li,i-1为第i站与第i-1站之间的距离

ΔZi,i-1为第i站与第i-1站之间的高程差

根据泵站布置图查得各组数据知，进出站压力均符合。 D.泵站布置：

A.第一站间动水压力（副管敷设在首站位置）：

Hx?H??ix?(Zx?Z1)?

问题七求解：

当x??173.41km时，Hx?1932.72??11.75ix??Zx?Z1??

???2? 当x?173.41km时，Hx?1932.72???ix??Zx?Z1??? B.全线动水压头：

根据纵断面图可找的最大动水压头为：Hmax?670.3m 因此，全线最大动水压力为： Pmax??冬gHmax?877.76*9.8*670.3?5.77MPa?6.0MPa C.静水压头：

由题知，全线最大高差为：Hmax?536?35?501m 最大静水压头为：

Pmax??冬gHmax?877.76*9.8*501=4.31MPa?6.0MPa

因此，对管道不会造成破坏。

??问题八求解：

设泵的效率为?1?87%，电动机的效率为?2?85%

A.冬季时具有最小流量：

7Qmin?600*10?0.226m3/s

(8400*877.76*3600) 泵的功率：

N泵=?冬gQminH冬?877.76*9.8*0.226*517.57?1006.19KW 电机功率：

4N N电机=泵???1006.190.87*0.85?5442.56KW

12B.夏季时具有最大流量：

7 Qmax?600*10?0.229m3/s

(8400*866.75*3600) 泵的功率：

N泵=?夏gQmaxH夏?866.75*9.8*0.229*514.43?1000.65KW 电机功率：

4N1000.65N电机=泵?5412.58KW?1?2?0.87*0.85 Hmax?664.25mPmax??冬gHmax?877.76*9.8*670.3?5.77MPa?6.0MPa

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