大落差输油管道水力学计算与分析毕业论文
2020-02-19 09:39:58
摘 要
大落差输油管道的运行条件十分复杂。当石油产品在这种管道中运行时，会受到管道运输量和石油产品物料性能等因素的影响，容易出现许多问题，影响管道的安全运行。为保证社会生产安全，掌握大落差输油管道中油品流动变化规律是非常关键的。
近年来，管道的计算机仿真技术日渐成熟，可以进行各种极限工况的模拟，模拟效果与实际效果十分吻合。本文首先建立了一个途经起伏较大地形的长输管道模型，借助计算管道仿真分析软件SPS（Stoner Pipeline Simulator）9.5版软件进行模型的仿真、模拟。通过sps软件的运行，对模型进行稳态工艺计算和瞬态分析。通过计算，得出管道在设计输量下是否能稳定运行、管道的最大输送能力。以及泵站在停止运行时，不采取任何措施和只采取压力开关和泄压保护时，管道局部压力是否超压或为负压。
关键词：大落差输油管道；仿真；稳态计算；瞬态计算
Abstract
The working conditions of large drop oil pipelines are very complex. When oil is running in such pipelines, it is easy to produce many problems and affect the safe operation of the pipelines due to the influence of pipeline throughput, changes in physical properties of the oil and other factors. In order to ensure the safety of social production, it is very important to master the change rule of oil flow in large drop oil pipelines.
With time goes by,the computer simulation technology of pipelines has made great progress.It can simulate various harsh working conditions.The simulation results are in good agreement with the actual results. In this paper, firstly, a long-distance pipeline model passing through the undulating terrain is established, and the model is simulated and simulated with the help of sps (Stone Pipeline Simulator) version 9.5 software. Through the operation of sps software, steady-state process calculation and transient analysis are carried out on the model. Through calculation, it is concluded whether the pipeline can run stably under the designed throughput and the maximum transportation capacity of the pipeline. And whether the local pressure of the pipeline is overpressure or negative pressure when the pump station stops running, no measures are taken and only pressure switch and pressure relief protection are adopted.
Key words: large drop oil pipeline；Simulation；Steady state calculation；Transient calculation
目录
第1章 绪论 1
1.1 本文项目的研究背景及意义 1
1.2 国内外研究现状 2
1.3 课题研究内容 4
1.3.1 掌握大落差输油管道水力计算的理论和方法 4
1.3.2 建立大落差长距离输油管道模型 4
1.3.3 对模型进行水力计算与分析 4
第2章 工艺计算理论方法 5
2.1 沿程摩阻水力计算公式 5
2.2 局部摩阻水力计算公式 6
2.2.1 干线管道的摩阻损失 6
2.2.2 站场内摩阻损失 6
2.3 水力坡降 7
2.4 确定泵站 8
2.5 混油计算 8
2.6 本章小结 8
第3章 工艺基础参数 9
3.1 油品物性 9
3.2 管道输量与市场 9
3.2.1 管道沿线资源市场与分配 9
3.2.2 干线管道设计输量 9
3.3 管道设计参数 10
3.3.1 干线设计参数 10
3.3.2 干线站场设置 10
3.3.3 干线阀室设置 11
3.4 输油泵配置 12
3.5 管道沿线气象参数 12
3.6 工艺节点图 13
3.7 其它参数 14
3.8 本章小结 14
第4章 稳态工艺计算 15
4.1 稳态分析工况 18
4.1.1 分输方案制定原则 18
4.1.2 管道油品输量确定 18
4.2 稳态分析结果 18
4.2.1 2019年任务输量下稳态计算结果 19
4.2.2 2020年任务输量下稳态计算结果 20
4.2.3 2025年任务输量下稳态计算结果 22
4.2.4 结论 24
4.3 适应性分析 25
4.3.1 最小输量 25
4.3.2 最大输量 25
4.4 稳态计算结论 31
4.4.1 管道设计输量及任务输量计算结果分析 31
4.4.2 管道适应性分析 32
第5章 瞬态水力分析 33
5.1 瞬态水力分析基础 33
5.2 瞬态水力分析事故工况保护范围及措施 33
5.2.1 瞬态分析事故工况保护范围 33
5.2.2 瞬态水力分析工况 34
5.3 设计输量下瞬态水力分析 34
5.3.1 首站A停运的事故控制 34
5.3.2 分输泵站B停运的事故控制 36
5.3.3 分输泵站C停运的事故控制 37
5.3.4 结论 38
5.4 启输量（2019年）下瞬态水力分析 39
5.4.1 首站A停运的事故控制 39
5.4.2 分输泵站B停运的事故控制 40
5.4.3 分输泵站C停运的事故控制 41
5.4.4 结论 43
第6章 结论 44
参考文献 45
附录 47
致谢 66
第1章 绪论
1.1 本文项目的研究背景及意义
全球的经济水平在近150年内快速发展，在这发展中能源扮演着最关键的角色。而石油与人类的衣食住行紧密的联系在一起，是工业的命脉，是一个国家的血液，是战略能源中最重要的一份子。因此，保证石油在安全、环保、经济的条件下满足各行各业的需求是值得人们重视的问题。21世纪以来，我国以西气东输为代表的油气产业得到了飞跃式的发展。但是因为我国国土辽阔，地质条件十分复杂，地形变化大，管道建设中未免会遇到一些难题。为保证管道系统在安全的前提下运行，要求人们从管道设计到运营管理各个方面，都要全面、透彻地了解管道水力工况变化规律。只有这样，才能设计出安全可靠并且有效的工艺流程和控制策略。由此可知，对大落差输油管道进行水力学计算与分析具有现实价值与长远意义。通过研究其特殊的水力状态，对增强设备安全性、保证生产和社会安全，促进国家经济发展都有着重要的意义。
本论文是以云南省成品油管道干线为模型，所进行水力计算与分析，主要有以下几点意义：
（1）是中国石油贯彻西部大开发战略、促进地方经济发展的需要
成品油供应充足，有利于当地经济提高和人民生活水平的改善。随着对成品油需求的持续增长，为缓解铁路运输压力，促进地方经济的发展，建设成品油管道是非常必要的。云南成品油管道的建设不仅帮助了经济建设，同时符合了沿线及周边地区的市场需要，带动沿路有关行业的发展和结构调整，并且也为中国石油带来巨大的经济效益和社会效益。
（2）改善成品油管输条件，增加市场竞争力
铁路成品油运输因为容易受到天气变化和铁路运力的影响，经常发生不能按时到货，难以满足市场需求的状况。这样不但会使成品油的市场竞争力降低，上游炼油厂油品疏散也会因此受到破坏。管道输送凭借其所具有的安全、环保、高效、低耗节能等优点，已成为发达国家的主要运输手段，也是当今世界成品油运输的发展趋势。建设成品油管道，可以提高成品油市场供需的稳定性与灵活性，提高石油相关企业的经济效益，提高对社会的环保效益。
（3）可促进管道沿线基础设施的建设，有利于带动地方经济发展
实施建设成品油管道项目，可促进管道沿线的能源、交通等基础设备的建设。并通过建设大型炼油站场等，向管线周边地区提供工业发展最重要的石油能源，从而提高地方经济。
1.2 国内外研究现状
2002年建成的成品油长输管道兰成渝管道是我国典型的大落差管道，其最大高程差为2270m，管道沿着呈现出锯齿状连续起伏的复杂地貌条件敷设。它的投入和使用拉开了我国成品油建设的新帷幕[1]。管道大落差段混油界面的定位和管理技术在国际上开创了先锋。库尔勒鄯善管道输送工程项目是国内设计院和意大利斯南普及提公司联合设计完成。该管道是世界上难得一见的呈现出U形的大落差管道，在里程113km的范围内，管道高程差达到1660m。国际上的大落差管道大部分是翻越高点后向下直泻，不存在U形起伏产生的问题。在此期间设计人员研究了大落差管道中不满流段液相和气相流动的水力变化特点，建立出水击事故超前的数学模型，提出水击事故超前的控制办法及模型动态变化的控制办法。在中国开辟了先例。管道在经过高程差为1665m的觉罗塔格地区时，采用设立减压站的办法有效消除了大落差地段对输油管道可能造成的危害。在美国、西欧等各国，成品油管道发展都相对成熟，美国成品油管道具有管道输送效率高、输油种类多、管网布局密集等特点；西欧成品油管道则具有跨国运输量大、多种模式并存的特点[2]。
20世纪70年代开始，管道应用软件开始作为一种水力计算工具应用于实践中。80年代，其主要运用于管道的泄漏检测。90年代，随着计算机技术的飞速发展，管道应用软件的功能不断被更新，并且开始应用到管道设计之中。与国外商业软件产业的发达相比，国内的油气行业相关的商业软件仍落后于国外，存在很大的差距，自主开发的可应用于生产实践中的石油软件少之又少[3]。在长输管道仿真技术方面，国外发展已经十分成熟。在国外众多公司中，美国的SSI公司开发了INTERACT11、TLNET、TGNET，这些软件都可以运用到长输管道的离线模拟中。美国的Stoner公司则开发出能够模拟长输管道水力运行工况的仿真软件SPS，在世界各地许多工程建设中得以应用。
在国内，80年代以来，有关教师及科研人员为发展我国地形起伏地区成品油管道设计及管道仿真软件进行了卓越工作。
李长俊、文继军介绍了建立输油管道不稳定流数学模型的方法以及如何消除管道中不满流现象的方法[4]。
史秀敏、张国忠使用自创的管道仿真软件对安延输油管道进行动态水力分析，同时提出具体详细的水击保护措施[5]。
王强对长陡下坡路所发生的不满流、管道压力过高的两个特殊水力特性进行了分析。对于管道输送条件没有太大变化、静水压头不超压，而且不需要清管的线路，可以串联小口径管道或者增加管道壁厚，这是比较有效的方法。当下坡路高程差别较少、剩余能量较少、静水压头不超压时，可以延长管道长度，减少下坡坡度。对于几种水力状态可能同时出现的最不利情况，只有采取最佳办法，即在下坡线路设置压力控制装置[6]。
吴浩、吴梁红等通过对典型案例分析，同时进行水击动态模拟分析和建立大落差段工艺优化数字模型等，提出一些结论。首先是建议在长距离输油管道翻越点后的管段采用缩短管径结合设立减压站的技术策略，再进行进一步设计选择最佳方案。其次是，迷宫盘片式减压阀适合作为减压站的减压阀设置。最后是建议在每个减压阀前面设置一个永久锥形过滤器。最后，应该考虑到站场气候因素等，区别是否应该设立热力安全泄放阀[7]。
梁志敏、金劲松、杨毅通过对三塘湖输油管道（管道敷设地区地形复杂、起伏大，最大高程差大概3000m）进行热力、水力计算以及动静水压力校核，对管道沿线和站场进行了设计。并进一步对提出的两种方案进行了优化设计，并从经济性和运行损耗两个方面进行了分析比较，选择出了技术水平更加完善，经济性能更加良好的方案[8]。
陈世勋、桑广世针对兰郑成成品油管道的实际生产情况，研究了大落差成品油管道容易发生静压过高以及动压过高的问题，提出在管输过程中可以采取改变管道管径的方法，以消除动压过大的问题。同时对变径管进行了水力计算。为减少静压压力，在管道停止输送的时候进行截断，流量低的时候采取油品间歇输送。为消除不满流，将压力调节设备设置在了各个站场，减少管输运行动压，限制背压[9]。
姜岩、王长保、严建峰提出对于有较大落差的管道，稳态分析和瞬态分析同等重要。一开始应该采用静力学基本公式对管道系统进行稳态的静压分析，确保静水压力不超过管线最高承受压力，然后对管道各个瞬态工况进行分析，校核出管道壁厚能否符合管输条件。最后综合分析比较稳态和瞬态的工况计算结果，向设计人员提出管壁厚度建议[10]。
孙立刚、朱坤锋、孙宇结合实例，通过对不同油品在大落差管道中发生混油现象进行水力计算和分析，得到油品在管道沿线的压力变化规律。并且进一步提出了保障管道压力在安全范围里的方法措施[11]。
于卫通过伯努利方程和列宾宗公式对混油界面进行水力学计算，提出了其在翻越点前后的压力变化规律。再提出石太管道高庄至阳泉段的输油管道的实例，进行计算和分析，得出以下结论：油品在顺序输送过程中，管道压力会随着管线高程呈现有规律的变化。此时必须根据此变化采取相应的措施，确保管道能在安全条件下运行[12]。
张楠、宫敬对典型的成品油管道——大落差管道西部成品油管道进行计算。提出了一些在管道投产过程中因为大落差的存在可能导致的问题,，并且针对性的介绍了一些量的计算方法，提出了解决方案和建议[13]。
陈媛媛、宫敬、于达、吴海浩、 李晓平、高博翔、刘先平、刘慧姝以流体力学知识和不满流理论为基础，在Microsoft VC 和Delphi语言环境下编写输油管道中不满流段的软件。软件可以针对不满流可能产生的地点、长度、气体空间体积、不满流各节点的持液率和油品流动速度，在任何工况下进行工况仿真计算[14]。
而国外的科研人员也在不停进行探索。Ali.Ahmadian.Mazreah等介绍到水力瞬变是油气管道中最具破坏性的影响之一[15]。H.R.KaramiD等研究了原油管道中添加少量减阻聚合物对压降的影响。结果表明，减阻量随温度、油流量、管道粗糙度和降阻剂浓度的增加而增加。实验还表明，阻力比随着管径的减小而增大[16]。G. Sotgia等提出对水平管道中两相流动特性的物理理解在石油工业中非常重要，因为水润滑原油运输可以显著节省泵送功率[17]。
1.3 课题研究内容
1.3.1 掌握大落差输油管道水力计算的理论和方法
根据大学所学的输油管道设计与管理、流体力学、泵与压缩机等教学教材以及在网上查询的相关资料，整理出输油管道水力计算的基本理论知识，掌握水力计算的基本步骤和方法。
1.3.2 建立大落差长距离输油管道模型
通过相关实际案例，确立水力计算所需要的基本参数，如油品物性、管道沿线气候特点、管道沿线地形特点等，建立出大落差长距离输油管道模型。
1.3.3 对模型进行水力计算与分析
通过对管道工艺系统进行描述，然后根据各种可能出现的工况进行稳态计算，对计算结果进行分析验证。除此之外，进一步结合管道特点以及长输管道的水击特点对不同的瞬态工况进行水击模拟分析，并提出与之对应的处置办法。
第2章 工艺计算理论方法
本文根据《输油管道工程设计规范（2006年版）》GB50253-2003中的相关规范进行管道的水力计算。
2.1 沿程摩阻水力计算公式
管道的沿程摩阻按下面式子计算：
（2.1）
（2.2）
水力摩阻系数反映在不同流动情况下，流体的流动速度、粘度、管径和管道粗糙度等参数和摩阻损失值的关系。在不同的流动状态下，水力摩阻系数具有不一样的算法。其计算公式按照表2.1所示。
把表2.1各个流态区的计算公式综合为如下形式：
（2.3）
把式子2.3代入达西公式2.1可以得出输油管道水力计算惯用的列宾宗公式：
（2.4）
（2.5）
表2.1
流态 | 层流 | 紊流 | ||
水力光滑区 | 混合摩擦区 | 粗糙区 | ||
划分范围 | Re＜2000 |
|
| Re＞ |
|
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