長距離輸送管道管徑的優化

吳水平

(長嶺煉化岳陽工程設計有限公司,湖南 岳陽 414000)

管道負責介質的輸送，是過程工業重要的組成部分，管道投資占建設投資的20%～30%。因此管徑的選擇對裝置建設投資有著重要的影響。管道根據輸送距離可分為長輸管道和裝置內管道。長輸管道輸送距離通常在50km以上，采用埋地輸送；裝置內管道通常距離較短，管道阻力小，參考書中已歸納出不同工況下的經濟管徑的選擇方法。隨著石化工業的發展，煉廠之間互送原料或煉廠與碼頭之間的物料輸送的管道逐漸增多，這類管道一般在15公里左右，輸送的介質較多，且一般采用管架敷設，土建費用占總投資比例較高，管道阻力是影響操作費用的主要因素，因此，可將這類管道稱為長距離輸送管道。由于其特殊性，原有的長輸管道和裝置內管道管徑選擇經驗數據均不適用與長距離管道的管徑選擇。針對上述問題，本文結合實例，總結出了長距離管道管徑優化的方法。

2 管徑優化方法

2.1 長距離輸送管道工程優化的變量分析

工程項目的優化主要考慮兩方面因素，分別為固定投資和操作費用，在裝置使用期限內，操作費用和固定投資折舊之和最小時，工程項目即達到最優。針對長距離輸送管道工程，固定投資主要包含管道費用和土建費用；操作費用則源于克服管道摩擦阻力損失的動力消耗。

管道費用由管徑和壁厚決定，土建費用則由管架數量決定。影響管架數量的主要因素是管架的間距，而管架間距根據管道的最大跨距確定，在操作工況確定的情況下，管徑成為影響管道跨距的主要因素。因此，管道管徑的選擇對土建費用有著重要影響，尤其是管架上管徑最小的管道。

操作費用由管道阻力決定。在一定范圍內，隨著管徑的增大，流速減慢，管道阻力降低，操作費用也隨之降低；反之，隨著管徑的減小，操作費用將增大。因此，管徑對操作費用也有重要影響。

綜上所述，管徑不僅決定了管道費用，同時也決定了操作費用，在某些情況下甚至對土建費用也有重要影響。因此，長距離輸送管道工程優化設計的關鍵為管徑的選擇。

2.2 長距離輸送管道工程優化方法

優化方法可分為以下幾個步驟：(1)根據經驗數據初選流速；(2)計算管道壓降，壓降合理則進行下一步，若不合理則需再另選管徑；(3)計算管道壓降所需泵軸功率(其它因素可暫不考慮)；(4)確定管架跨距；(5)選擇比初選管徑大(小)1級管道，并從第2步重新計算，然后，將得到的數據整理成綜合評價表，具體如下圖1所示。

圖1 優化方法的步驟

3 工程實例

3.1 工程概況

下面以已經施工的某工程為例，對其管徑進行優化計算，得到綜合費用評價表，看現有管徑的選擇是否合適。此工程需新敷設4根管道，4根管道設計參數如果表1 所示。

表1 管道基本參數

3.2 管徑的選擇

可以看到乙苯管徑最小，同時也是影響管架設置的一個重要因素，為此，以乙苯為例，對其管徑進行計算，看不同管徑的綜合費用有何變化。

3.2.1 初選管徑

根據經驗數據選擇流速為1.5m/s，管道內徑由下面公式計算：

qv——在操作條件下流體的體積流率，m3/h；

u——流體的流速，m/s；

修正后的流速為u=1.16 m/s。

3.2.2 計算管道壓力降

流體在管道中流動時的壓力降可分為直管壓力降和局部障礙壓力降，即：

△Pp=△Pf+△Pt

式中:△Pp——管道壓力降，kPa；

△Pf——直管壓力降，kPa；

△Pt——局部壓力降，kPa。

(1)直管壓力降可按下式計算：

式中：L——直管長度，m；

λ——摩擦系數。

摩擦系數λ可由計算雷諾數和查相對粗糙度后，用圖表法得出：

式中：Re——雷諾數；

ρ——流體密度，kg/m3；

u——流體動力粘度，cP；

u——流體的流速，m/s；

于是查圖可得：λ=0.026

(2)局部阻力的計算：

局部阻力的計算可用當量長度法，本處阻力可只考慮按600個90度彎頭、6個閥門，其它阻力可不計，其當量長度為： Le=(40×600+7×6) ×0.078=1875。

(3)總壓降的計算：

3.2.3 確定管徑

管道的百米壓降為：19.4 kPa，在合理范圍之內，因此管徑選用DN80是可行的。

3.3 管路壓降需要的泵軸功率

管路壓降需要的泵軸功率為(效率按50%選取)：

式中:W——泵軸功率，kW;

△Pp——管道壓力降，kPa；

V——介質體積流量，m3/h；

η——泵效率；

計算可得管路壓降需要泵軸功率為：34.86kW。

3.4 管架最大間距的選取

因DN80(Sch40)管道的允許最大跨距是7.67m，考慮是在野外，并為施工時調整個別管架留有空間，在地勢比較平坦的地方(如農田)，管架的跨距可定為7m，在高差或水平變向的地方管架間距需相應縮短。

3.5 不同管徑綜合費用評價

按一般程序，在初選管徑-核算壓降-確定管徑-計算泵軸功率-確定管架跨距之后，整個選型就算結束了，但這是不是綜合費用最優的管徑呢，就得對多種可能的管徑的綜合費用進行對比才能得出。

以上選定管徑是DN80，所以選擇DN50與DN100作對比，看看有沒有更優選擇。在相同流量下，按以上計算方法，可得到這兩種管徑的相關參數，同時也將各管徑需要的管道重量列出，見下表2。

表2 各管徑計算所得參數

從上表可以看出，管徑為DN50壓降太大不合適，而選用管徑DN100的壓降較小，但同時其管材用量也較大，不過管架最大間距可增加1米。理論上，沿線14300m長，可節省管架個數=(14300/7-14300/8)≈255，考慮現場情況特殊，按可節省管架120個考慮。當然管架距離的設置還要考慮預留因素，這里只做理論計算，不同工況不盡相同。

兩種管徑的綜合評價表見下表3。

表3 綜合費用評價

由表3可以看出雖然管徑擴大后管材費用有所增加，但也可節省管架費用，使用較大管徑則使流速降低，進而降低了管路壓降，泵的軸功率也可相應減小，節省了操作費用。從建設當年來看綜合費用還不如選用DN80管徑省，但5年后即可看出效益，而10年后則可節省近90萬，這還只是簡單計算，并沒有考慮泵的價格及泵的實際電機功率的選用，因此選用管徑DN100比DN80更合適。

4 結論

(1)通過分析長距離管道工程的固定投資和操作費用，確定了管徑為長距離輸送管道工程優化設計的關鍵變量，并提出了最優管徑的確定方法。

(2)采用本文所提方法對某工程乙苯輸送管道進行優化，并最終確定選用較大管徑管道，雖管道投資增加98.15萬元(包括建設費用)，但至少節省管架120榀(約72萬元)，節省電耗22.06kW(折合11.12萬元/年)，其長遠經濟效益非常可觀。

(3)結果表明，對長距離管道工程進行管徑優化是非常必要的，每根長距輸送管道都應進行綜合費用評價，以選擇最優管徑。