基于長輸管線效能提高及管路性能的思考

文/劉繼志

本文對長期使用的管線的管路性能進行了水力核算，并針對其設備設施狀況及地形環境條件建立模型，對其效能提高提出相應的見解和方法。本文詳細闡述了管路特性的計算過程，泵輸揚程和流量的供需關系。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，進而節約投資，提速增效。

引言：

某地輸送成品油管線已建成投產近25年，長達38公里，穿越了2市，5個鄉鎮，沿途穿越了2條河流、2條高速公路，4條鐵路，4條高等級公路，數條水渠、農田，地形較復雜，連通卸油站和使用油庫，多年來是某機場航煤供應的唯一的動脈。該管線的實際運行的輸送能力只有70立方/小時，而機場隨著航班量的攀升，日耗量達1600噸/天，約2000立方/天。全天24小時不間斷輸油也僅能保證1680立方/天，輸送能力完全達不到需求，需靠公路運油補充。隨著航班量的不斷攀升，需求缺口不斷加大，管線已無法滿足正常供應，形成了保障風險和安全運營風險。而采取新建管線的方法無疑能一勞永逸解決該問題，但建設周期長，一般從立項到建成需要3-5年，建設成本高，500萬/公里，約需2個億的投資。因此考慮通過提高長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贏得時間，并起到降本增效得效果。

1.管線效能影響因素

一般來說，提高泵的揚程和流量是最簡單的提升輸送能力的辦法。而實際上長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度、承壓能力。需在管線承壓范圍內，以泵的性能曲線和管路特征曲線中匹配合適的工況點。目前我們知道管線的型號為無縫鋼管，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備、設施狀況來考慮和核算管路特性，掌握這條管路流量和揚程的供需關系，在管路能承受的情況下尋找提高流量的方法。

2.以實際的工藝輸送流程來核算管路特征

2.1 長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.臺輸油泵型號為DT80-240B*6，額定流量68立方/小時，額定揚程420米，輸油泵房地坪標高55，長輸油管線規格Dg159*4.5，限壓閥（考慮到輸油泵揚程較高，輸油管線投產運行了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，通過限壓閥控制，限壓閥出口壓力顯示為2.8Mpa），長輸管線沿程高點標高為99.9米，低點為28米，長輸管線從輸油泵出口到黃花油庫泵房過濾器長度為38000米

2.2 長輸管線末端油庫段：

泵房地坪標高61.05，管線在泵房通過過濾器進入黃花油庫立罐，過濾器入口段壓力顯示為0.2Mpa

2.3 輸送介質的性質

輸送介質為3#噴氣燃料，密度（γ）為0.78-0.81千克/立方米，在這里計算中取密度為0.78千克/立方米，運動粘度（υ）為1.5厘陀=1.5平方毫米/秒

2.4 管路特性計算思路：

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）：油品通過管件、閥門和設備（彎頭、閥門、過濾器）的摩阻損失，高差（ΔΖ）：油品從起點到末端所克服的高差，因此輸送油品管路所需揚程為：H=Ηr+Ηj+ΔΖ，以易家灣卸油站輸油泵出口到黃花油庫輸油過濾器進口之間長輸管路進行計算。

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為管路計算長度:管線長度加上管路上各種管件的局部摩阻換算的當量長度，米

d為管內徑，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；λ=0.3164/(Re1/4)，Re為雷諾數，Re=Vd/υ，考慮為油品在管路流動時，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，粗糙度對流體摩阻不起影響，僅與雷諾數有關。

從上計算式可以看出，所需揚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，目前無法確定L的大小，但可以利用目前運行的流速和壓力關系，推算出L來：

目前運行的數據為：

輸出壓力P=3.3Mpa，

流速為Q=70立方/小時;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=

管內徑d=0.15米

過濾器進口壓力P剩=0.2MPa

按照水力方程計算：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待入數據：（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（管線長度為38000米，管路上各種管件的局部摩阻換算的當量長度為8802.3米，占實際管線長度的23%，與常規經驗值15-25%基本符合）

2.5 以當量長度核算流量與壓力關系

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

（表一）

通過以上數據，可以看出，目前工況70立方/小時，是處于管路承壓能力內。

若提高流量，壓力需增大，需對全線的管線承壓能力進行測算，經測算管線實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在現有的基礎上提高流量的方法：可通過2臺輸油泵并泵運行，通過并泵的泵特性曲線和管路特性曲線來找到合理的工況點，看此點的壓力是否超過管路承壓能力?？梢酝ㄟ^并泵的泵性能曲線和管路性能曲線來尋找工況點（如下表二）：

表二

可以看出工況點在流量為85-90之間，揚程在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。但因管線的實際距離長，因而難以大幅度改變管路曲線的平緩度，可操作性不強。

2.采取大流量、較低揚程的泵在管線沿途串泵運行。若從長遠來看，通過中間設泵站，串泵運行，較大的提高管線輸送能力，大大降低員工勞動強度，可以核算帶來的經濟效益和安全保障能力（輸送時間短、通過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）與一次的投資額和泵站的管理難度進行對比。

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

（1）當泵出口壓力達到4.2Mpa時，在中間18000米（從易家灣計算起點）設置中間泵站，通過揚程為4.2Mpa，流量為150立方的泵組串泵運行可實現輸送。按照輸油時間24小時，每天即可輸送3600立方即2800噸。

（2）當泵出口壓力達到3.2Mpa時，在中間19000米（從易家灣計算起點）設置中間泵站，通過揚程為3.2Mpa，流量為120立方的泵組串泵運行可實現輸送，按照輸油時間4小時，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年對管線進行了管線滲漏檢測、管道外防腐檢測、管道雜散電流檢測，檢測結果良好，未發現管線滲漏，對發現的外防腐破損處進行了修復，并對外防腐破損處進行了開挖后的壁厚測量壁厚均在4.2mm以上，評價目前管線狀況良好，承壓能力可達到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，這無疑是解決該問題最一勞永逸的方法，但至少要經過3-5年的建設期，在此期間安全運營和保供風險依然巨大。

5.2汽車公路運輸補充，目前2地公路60公里，由高速和城市道路相連，最大接卸量僅20車，即300噸/天，一旦日需量超過2000立方就供應不足，且頻繁的?；饭愤\輸安全風險大。

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

6.結論：

為保障供應，降低安全運營風險，近期（1-4年內）可考慮管線改造，在管線中段設立中繼泵站，建設過程中可在設中繼泵站位置并聯一段管線，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。另一方面起到為遠期建設新管線起到緩沖作用。遠期建議利用4年緩沖期建設新管線，一勞永逸消除供應風險。C