基于長(zhǎng)輸管線效能提高及管路性能的思考

文/劉繼志

本文對(duì)長(zhǎng)期使用的管線的管路性能進(jìn)行了水力核算，并針對(duì)其設(shè)備設(shè)施狀況及地形環(huán)境條件建立模型，對(duì)其效能提高提出相應(yīng)的見(jiàn)解和方法。本文詳細(xì)闡述了管路特性的計(jì)算過(guò)程，泵輸揚(yáng)程和流量的供需關(guān)系。探討考慮管線承受能力的前提下提高管線輸送效能的可行性，進(jìn)而節(jié)約投資，提速增效。

引言：

某地輸送成品油管線已建成投產(chǎn)近25年，長(zhǎng)達(dá)38公里，穿越了2市，5個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，沿途穿越了2條河流、2條高速公路，4條鐵路，4條高等級(jí)公路，數(shù)條水渠、農(nóng)田，地形較復(fù)雜，連通卸油站和使用油庫(kù)，多年來(lái)是某機(jī)場(chǎng)航煤供應(yīng)的唯一的動(dòng)脈。該管線的實(shí)際運(yùn)行的輸送能力只有70立方/小時(shí)，而機(jī)場(chǎng)隨著航班量的攀升，日耗量達(dá)1600噸/天，約2000立方/天。全天24小時(shí)不間斷輸油也僅能保證1680立方/天，輸送能力完全達(dá)不到需求，需靠公路運(yùn)油補(bǔ)充。隨著航班量的不斷攀升，需求缺口不斷加大，管線已無(wú)法滿足正常供應(yīng)，形成了保障風(fēng)險(xiǎn)和安全運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)。而采取新建管線的方法無(wú)疑能一勞永逸解決該問(wèn)題，但建設(shè)周期長(zhǎng)，一般從立項(xiàng)到建成需要3-5年，建設(shè)成本高，500萬(wàn)/公里，約需2個(gè)億的投資。因此考慮通過(guò)提高長(zhǎng)輸管線的效能即提高管線輸送能力，從而提升管線的保障能力為后期的管線建設(shè)贏得時(shí)間，并起到降本增效得效果。

1.管線效能影響因素

一般來(lái)說(shuō)，提高泵的揚(yáng)程和流量是最簡(jiǎn)單的提升輸送能力的辦法。而實(shí)際上長(zhǎng)輸管線輸送能力很大程度上受限于管線特性曲線和管線強(qiáng)度、承壓能力。需在管線承壓范圍內(nèi)，以泵的性能曲線和管路特征曲線中匹配合適的工況點(diǎn)。目前我們知道管線的型號(hào)為無(wú)縫鋼管，20#鋼，承壓能力不大于4Mpa，但管路的特性不清楚。

這就需要從目前的設(shè)備、設(shè)施狀況來(lái)考慮和核算管路特性，掌握這條管路流量和揚(yáng)程的供需關(guān)系，在管路能承受的情況下尋找提高流量的方法。

2.以實(shí)際的工藝輸送流程來(lái)核算管路特征

2.1 長(zhǎng)輸管線始端某卸油站：

4座立式油罐容量為2000立方2座和3000立方2座，3.臺(tái)輸油泵型號(hào)為DT80-240B*6，額定流量68立方/小時(shí)，額定揚(yáng)程420米，輸油泵房地坪標(biāo)高55，長(zhǎng)輸油管線規(guī)格Dg159*4.5，限壓閥（考慮到輸油泵揚(yáng)程較高，輸油管線投產(chǎn)運(yùn)行了25年，限壓閥安裝在輸油泵出口處，輸油泵出口壓力顯示為3.3Mpa，通過(guò)限壓閥控制，限壓閥出口壓力顯示為2.8Mpa），長(zhǎng)輸管線沿程高點(diǎn)標(biāo)高為99.9米，低點(diǎn)為28米，長(zhǎng)輸管線從輸油泵出口到黃花油庫(kù)泵房過(guò)濾器長(zhǎng)度為38000米

2.2 長(zhǎng)輸管線末端油庫(kù)段：

泵房地坪標(biāo)高61.05，管線在泵房通過(guò)過(guò)濾器進(jìn)入黃花油庫(kù)立罐，過(guò)濾器入口段壓力顯示為0.2Mpa

2.3 輸送介質(zhì)的性質(zhì)

輸送介質(zhì)為3#噴氣燃料，密度（γ）為0.78-0.81千克/立方米，在這里計(jì)算中取密度為0.78千克/立方米，運(yùn)動(dòng)粘度（υ）為1.5厘陀=1.5平方毫米/秒

2.4 管路特性計(jì)算思路：

輸送油品消耗的能量主要有以下部分組成：沿程摩阻（Ηr）：油品沿管路的摩阻損失，局部摩阻（Ηj）：油品通過(guò)管件、閥門和設(shè)備（彎頭、閥門、過(guò)濾器）的摩阻損失，高差（ΔΖ）：油品從起點(diǎn)到末端所克服的高差，因此輸送油品管路所需揚(yáng)程為：H=Ηr+Ηj+ΔΖ，以易家灣卸油站輸油泵出口到黃花油庫(kù)輸油過(guò)濾器進(jìn)口之間長(zhǎng)輸管路進(jìn)行計(jì)算。

高差ΔΖ=61.05-55=6.05米，沿程摩阻（Ηr），局部摩阻（Ηj）：Ηr+Ηj=IL=（λ/d）*（V2/2g）L，其中：I為水力坡度

L為管路計(jì)算長(zhǎng)度:管線長(zhǎng)度加上管路上各種管件的局部摩阻換算的當(dāng)量長(zhǎng)度，米

d為管內(nèi)徑，米

V為流速，米/秒

g為重力加速度，米/秒2

λ 為水力摩阻系數(shù)；λ=0.3164/(Re1/4)，Re為雷諾數(shù)，Re=Vd/υ，考慮為油品在管路流動(dòng)時(shí)，管壁的粗糙度，即管壁的凸凹表面，完全為邊界層流層所覆蓋，粗糙度對(duì)流體摩阻不起影響，僅與雷諾數(shù)有關(guān)。

從上計(jì)算式可以看出，所需揚(yáng)程在不同的管路流速下（流量）是不同的。不同的流速（V）下有不同λ，但d、g、L是不變的，目前無(wú)法確定L的大小，但可以利用目前運(yùn)行的流速和壓力關(guān)系，推算出L來(lái)：

目前運(yùn)行的數(shù)據(jù)為：

輸出壓力P=3.3Mpa，

流速為Q=70立方/小時(shí);V=1.099米/秒限壓閥損失壓力P損=0.5Mpa

高差ΔΖ=6.05米

粘度υ=1.5平方毫米/秒=

管內(nèi)徑d=0.15米

過(guò)濾器進(jìn)口壓力P剩=0.2MPa

按照水力方程計(jì)算：P/γ=（λ/d）*（V2/2g）L+P損+ΔΖ+V2/2g+P剩

λ=0.3164/(Re1/4)

Re=Vd/υ=1.099*0.15/（1.5*10-6）=109900待入數(shù)據(jù)：（3.3*1.02*105）/780=（0.0174/0.15）*0.0615L+（0.5*1.02*105）/780+6.05+0.0615+（0.2*1.02*105）/780L=46802.3米（管線長(zhǎng)度為38000米，管路上各種管件的局部摩阻換算的當(dāng)量長(zhǎng)度為8802.3米，占實(shí)際管線長(zhǎng)度的23%，與常規(guī)經(jīng)驗(yàn)值15-25%基本符合）

2.5 以當(dāng)量長(zhǎng)度核算流量與壓力關(guān)系

通過(guò)L，可核算出一組管路輸送流量與所需揚(yáng)程及輸出壓力的數(shù)據(jù)表（如下表一）：（在此計(jì)算中不考慮限壓閥的限壓損耗）

（表一）

通過(guò)以上數(shù)據(jù)，可以看出，目前工況70立方/小時(shí)，是處于管路承壓能力內(nèi)。

若提高流量，壓力需增大，需對(duì)全線的管線承壓能力進(jìn)行測(cè)算，經(jīng)測(cè)算管線實(shí)際承壓能力后才能考慮流量的增加值。

3.提高流量的可行性方法：

3.1在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上提高流量的方法：可通過(guò)2臺(tái)輸油泵并泵運(yùn)行，通過(guò)并泵的泵特性曲線和管路特性曲線來(lái)找到合理的工況點(diǎn)，看此點(diǎn)的壓力是否超過(guò)管路承壓能力。可以通過(guò)并泵的泵性能曲線和管路性能曲線來(lái)尋找工況點(diǎn)（如下表二）：

表二

可以看出工況點(diǎn)在流量為85-90之間，揚(yáng)程在441米-529米之間，此方法并不能提高很大的流量，相比功效降低很多。

3.2因此較大提高輸送流量并可靠安全的方法：

1.改變管路曲線，使之較平緩。但因管線的實(shí)際距離長(zhǎng)，因而難以大幅度改變管路曲線的平緩度，可操作性不強(qiáng)。

2.采取大流量、較低揚(yáng)程的泵在管線沿途串泵運(yùn)行。若從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，通過(guò)中間設(shè)泵站，串泵運(yùn)行，較大的提高管線輸送能力，大大降低員工勞動(dòng)強(qiáng)度，可以核算帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益和安全保障能力（輸送時(shí)間短、通過(guò)大流量能沖洗管線中的沉積水分減緩管線腐蝕和減少微生物的滋長(zhǎng)）與一次的投資額和泵站的管理難度進(jìn)行對(duì)比。

設(shè)想在中途某合適位置設(shè)置中間泵站，進(jìn)站壓力為0.1Mpa， 高差忽略不計(jì)， 以易家灣出口壓力為2Mpa，3Mpa，4Mpa進(jìn)行核算，考慮首次輸送翻越高點(diǎn)99.9米，位于管線距離16000米（從易家灣計(jì)算起點(diǎn)），經(jīng)核算：（計(jì)算方法同上）

（1）當(dāng)泵出口壓力達(dá)到4.2Mpa時(shí)，在中間18000米（從易家灣計(jì)算起點(diǎn)）設(shè)置中間泵站，通過(guò)揚(yáng)程為4.2Mpa，流量為150立方的泵組串泵運(yùn)行可實(shí)現(xiàn)輸送。按照輸油時(shí)間24小時(shí)，每天即可輸送3600立方即2800噸。

（2）當(dāng)泵出口壓力達(dá)到3.2Mpa時(shí)，在中間19000米（從易家灣計(jì)算起點(diǎn)）設(shè)置中間泵站，通過(guò)揚(yáng)程為3.2Mpa，流量為120立方的泵組串泵運(yùn)行可實(shí)現(xiàn)輸送，按照輸油時(shí)間4小時(shí)，每天即可輸送2880立方即2250噸。

4.管線承壓能力

管線所屬方定期每3年對(duì)管線進(jìn)行了管線滲漏檢測(cè)、管道外防腐檢測(cè)、管道雜散電流檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果良好，未發(fā)現(xiàn)管線滲漏，對(duì)發(fā)現(xiàn)的外防腐破損處進(jìn)行了修復(fù)，并對(duì)外防腐破損處進(jìn)行了開(kāi)挖后的壁厚測(cè)量壁厚均在4.2mm以上，評(píng)價(jià)目前管線狀況良好，承壓能力可達(dá)到4.0MPa。

5.管線效能提高的建議

5.1新建管線，加大管徑，提高泵輸能力，這無(wú)疑是解決該問(wèn)題最一勞永逸的方法，但至少要經(jīng)過(guò)3-5年的建設(shè)期，在此期間安全運(yùn)營(yíng)和保供風(fēng)險(xiǎn)依然巨大。

5.2汽車公路運(yùn)輸補(bǔ)充，目前2地公路60公里，由高速和城市道路相連，最大接卸量?jī)H20車，即300噸/天，一旦日需量超過(guò)2000立方就供應(yīng)不足，且頻繁的危化品公路運(yùn)輸安全風(fēng)險(xiǎn)大。

5.3考慮在管線上設(shè)立中繼泵站，將泵輸壓力提高到3.2MPa，管輸能力可提升到120立方/小時(shí)，日輸量最大可到2880立方。按平均年增長(zhǎng)8%估算，可以滿足4年后的需求。

6.結(jié)論：

為保障供應(yīng)，降低安全運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)，近期（1-4年內(nèi)）可考慮管線改造，在管線中段設(shè)立中繼泵站，建設(shè)過(guò)程中可在設(shè)中繼泵站位置并聯(lián)一段管線，增加中繼泵，一方面可以提高管線輸送能力，且起到一用一備效果。另一方面起到為遠(yuǎn)期建設(shè)新管線起到緩沖作用。遠(yuǎn)期建議利用4年緩沖期建設(shè)新管線，一勞永逸消除供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)。C