李鑫偉

〔中國石化銷售有限公司華中分公司 湖北武漢 430023〕

1 安徽二期管道概況

中國石化安徽二期成品油管道是將安慶石化的成品油輸送到合肥油庫、淮南油庫、阜陽油庫和蚌埠油庫，以滿足管道沿線合肥、淮南、阜陽和蚌埠等地區(qū)的成品油市場需求。管道全長519.4 km，管道設(shè)計(jì)壓力9.5 MPa，管道入口設(shè)計(jì)輸量為410×104t/a。全線采用密閉工藝順序輸送92號汽油、95號汽油、0號車用柴油和0號普通柴油兩大類4個(gè)品種。各段間距、管徑、管容及設(shè)計(jì)壓力見表1。

表1 安徽二期管道沿線管段一覽表

管道沿線設(shè)置18座線路截?cái)嚅y室(其中4座為遠(yuǎn)控閥室)、9座陰極保護(hù)站和10座光通信站。全線自動控制采用SCADA系統(tǒng)，沿線各站場與調(diào)度中心采用光纜傳輸方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，調(diào)度中心通過各站的站控系統(tǒng)對全線進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及控制，并負(fù)責(zé)編排批次、批量計(jì)劃、輸送方案、跟蹤批量、泄漏檢測和優(yōu)化運(yùn)行等。輸送流程為：

本文以安徽二期成品油管道為例，依據(jù)成品油管道水力特性和順序輸送理論，對該管道各管段的臨界雷諾數(shù)、臨界流量、水力摩阻系數(shù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和分析，并總結(jié)出適合各管段的水力計(jì)算公式，為配泵和高效節(jié)能運(yùn)行提供理論依據(jù)。

2 臨界雷諾數(shù)Re、混油臨界雷諾數(shù)Rec和臨界流量Qc的計(jì)算

2.1 臨界雷諾數(shù)Re的計(jì)算

管線和所輸成品油的流動狀態(tài)用臨界雷諾數(shù)表示式(1)：

(1)

式中：Q——油品在管路中的體積流量，m3/s；

d——管道直徑，m；

ν——油品的運(yùn)動粘度，m2/s。

管壁相對當(dāng)量粗糙度ε計(jì)算，如式(2)：

(2)

式中：e——管壁的絕對當(dāng)量粗糙度，m。

光滑區(qū)與混合摩擦區(qū)的臨界雷諾數(shù)計(jì)算，見式(3)：

(3)

混合摩擦區(qū)與粗糙區(qū)臨界的雷諾數(shù)計(jì)算，見式(4)：

(4)

2.2 混油臨界雷諾數(shù)Rec的計(jì)算

采用奧斯汀和柏爾弗萊由雷諾數(shù)Re與無因

次量C2/Ld的關(guān)系總結(jié)出的經(jīng)驗(yàn)公式(5)：

(5)

2.3 臨界流量Qc的計(jì)算

臨界流量的計(jì)算公式(6)如下：

Qc=3 600πdvRec/4

(6)

式中：QC——臨界流量，m3/h；

d——管道內(nèi)徑，m；

ν——油品的運(yùn)動粘度，m2/s；

Rec——混油臨界雷諾數(shù)。

式(5)、(6)的計(jì)算結(jié)果見表2。當(dāng)雷諾數(shù)ReRe>Re1時(shí)流態(tài)處于混合摩擦區(qū)，當(dāng)Re>Re2時(shí)流態(tài)處于粗糙區(qū)，此時(shí)混油長度則隨雷諾數(shù)的減小增長較為緩慢。故參考表2計(jì)算結(jié)果，順序輸送過程中當(dāng)管道存在混油頭時(shí)，應(yīng)保證各管段的混油界面雷諾數(shù)Re>Rec，最小流量Qmin>QC，以防因管輸流量小而產(chǎn)生大量混油。

表2 混油臨界雷諾數(shù)Rec和臨界流量Qc的計(jì)算結(jié)果

3 沿程水力計(jì)算

管道輸油過程中壓力能的消耗主要包括兩部分，一是用于克服地形高差所需的位能；二是克服油品沿管路流動過程中的摩擦及撞擊產(chǎn)生的能量損失轉(zhuǎn)換成的液柱高度，通常稱為摩阻損失。長輸管道的摩阻損失主要由通過直管段所產(chǎn)生的沿程摩阻和通過各閥件、管件所產(chǎn)生的局部摩阻組成。而長輸管道站間管路的摩阻損失主要是沿程摩阻，局部摩阻只占1 %～2 %。

因此，為了計(jì)算各控制點(diǎn)在不同工況下的壓力控制值，首先需用達(dá)西公式計(jì)算推導(dǎo)出列賓宗公式，再由列賓宗公式計(jì)算出沿程摩阻大小，最后由管道全線壓力供需平衡關(guān)系式計(jì)算出壓力控制值。

水力摩阻系數(shù)計(jì)算，如式(7)：

(7)

式中：A、m根據(jù)雷諾試驗(yàn)可知水力摩阻系數(shù)λ與不同流態(tài)下流體的雷諾數(shù)有關(guān)，因此得到不同流態(tài)下與雷諾數(shù)相關(guān)的常數(shù)系數(shù)A、m。

達(dá)西公式如式(8)：

(8)

式中：V—油品在管路中的流速，m/s；

hl—管路的沿程摩阻損失，m；

L—管道長度，m；

d—管道直徑，m；

g—重力加速度，取9.81 m/s2。

(9)

式中：Q——油品在管路中的體積流量，m3/s；

d——管道直徑，m；

ν——油品的運(yùn)動粘度，m2/s；

L——管道長度，m；

A、m——不同流態(tài)下與雷諾數(shù)相關(guān)的常數(shù)系數(shù)；

β——列賓宗公式(9)含A、m的簡化替代量。

各流態(tài)區(qū)的A、m、β值及沿程摩阻計(jì)算式見表3。

得出各流態(tài)下流體對應(yīng)的沿程摩阻計(jì)算公式后，將其代入管道全線壓力供需平衡關(guān)系式中即可求得各工況下各管段沿程摩阻損失的計(jì)算值。通過實(shí)際值與計(jì)算值比較可以得到誤差系數(shù)，具體記錄數(shù)據(jù)見表4。

假設(shè)一條管道有N座泵站，且泵站特性相同，全線管徑相同，無分支，首站進(jìn)站壓頭和各站內(nèi)摩阻均為常量，可寫出全線的壓力供需平衡關(guān)系式(10)如下

Hs1+NHY-N×hm=HI+(Z2-Z1)+Hs2

(10)

式中：Q——全線工作流量，m3/s；

N——全線泵站數(shù)；

Hl——管道沿程摩阻值，m液柱；

Hs1——管道首站進(jìn)站壓頭，m液柱；

Hs2——管道終點(diǎn)剩余壓頭，m液柱；

HY——泵站揚(yáng)程，m；

Z1、Z2——管道起、終點(diǎn)高程，m；

hm——每個(gè)泵站的站內(nèi)損失，m液柱。

表3 不同流態(tài)時(shí)的A、m、β值及列賓宗公式

表4 安徽二期各管段不同工況下運(yùn)行的記錄數(shù)據(jù)

通過采集數(shù)據(jù)將其代入公式(10)即可得到實(shí)際各管段在不同工況下沿程摩阻損失值。再通過式(7)、(8)、(9)及表3對應(yīng)公式計(jì)算出相應(yīng)的沿程摩阻損失值。由計(jì)算值和實(shí)際值比較得到的各管段在不同工況下的誤差系數(shù)見表5。由此值可以更加準(zhǔn)確地計(jì)算各管段的摩阻損失，為配泵和高效節(jié)能運(yùn)行提供了理論依據(jù)。各段管道在不同工況下的誤差系數(shù)見表5。

表5 各段管道在不同工況下的誤差系數(shù)

由表5可知，安徽二期管道各管段在單輸汽油時(shí)計(jì)算摩阻損失值與實(shí)際摩阻損失值相差過大，因此在計(jì)算時(shí)不可以用列賓宗公式。由于安合二期管道各管段在單輸汽油時(shí)流態(tài)均由水力光滑區(qū)進(jìn)入混合摩擦區(qū)，可見列賓宗公式在混合摩擦區(qū)計(jì)算時(shí)誤差較大。

Moody圖是由自然粗糙管實(shí)驗(yàn)得出，Cole-brook-White(以下簡稱C-W)公式(11)為：

(11)

該公式綜合了光滑管路普朗特公式和粗糙管尼古拉茲公式得出的，又經(jīng)實(shí)驗(yàn)修正。因此C-W公式被公認(rèn)為計(jì)算水力摩阻系數(shù)λ的精確性標(biāo)準(zhǔn)。遺憾的是，公式(11)為一隱函數(shù)，必須用迭代方法才能求解，不便于工程應(yīng)用。下面介紹幾個(gè)混合摩擦區(qū)的摩阻系數(shù)公式均為顯函數(shù)形式，以此來確定安徽二期管道各管段混合摩擦區(qū)計(jì)算公式。

Jain公式(12)：

(12)

Swamee&Jain公式(13):

(13)

Haaland公式(14)：

(14)

Manadilli公式(15)：

(15)

將表4安徽二期各管段單輸汽油數(shù)據(jù)代入式(12)、(13)、(14)和(15)中得到表6、表7、表8、表9。

表6 安慶—合肥段單輸汽油數(shù)據(jù)

表7 合肥—淮南段單輸汽油數(shù)據(jù)

表8 淮南—阜陽段單輸汽油數(shù)據(jù)

表9 淮南—蚌埠段單輸汽油數(shù)據(jù)

由表6、表7、表8和表9可知，Haaland公式更適合安慶至合肥段及合肥至淮南段單輸汽油時(shí)沿程摩阻的計(jì)算，計(jì)算值與實(shí)際值相比很小。在淮南至阜陽段及淮南至蚌埠段時(shí)，雖然Haaland公式比列賓宗公式更加精準(zhǔn)但誤差仍較大，因此需要進(jìn)行系數(shù)調(diào)整，以求出符合各管段的沿程摩阻系數(shù)計(jì)算方程。

通過對式(14)改編，得到符合淮南至阜陽段及淮南至蚌埠段公式(16)：

(16)

將表4淮南至阜陽段及淮南至蚌埠段單輸汽油數(shù)據(jù)代入式(16)中得到表10。

表10 改編公式計(jì)算數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

(1)通過理論計(jì)算，確定安徽二期各管段混油臨界雷諾數(shù)Rec和臨界流量Qc，其中

安慶—合肥段，Rec=54 927，Qc=268.246 m3/h；

合肥—淮南段，Rec=45 591，Qc=176.611 m3/h；

淮南—阜陽段，Rec=40 058，Qc=129.838 m3/h；

淮南—蚌埠段，Rec=40 058，Qc=129.838 m3/h。

(2)安徽二期各管段適用的水力計(jì)算公式分別為：

安慶—合肥段單輸柴油時(shí)：列賓宗公式，單輸汽油時(shí)：Haaland公式；

合肥—淮南段單輸柴油時(shí)：列賓宗公式，單輸汽油時(shí)：Haaland公式；

淮南—阜陽段單輸柴油時(shí)：列賓宗公式，單輸汽油時(shí)：Haaland改編公式；

淮南—蚌埠段單輸柴油時(shí)：列賓宗公式，單輸汽油時(shí)：Haaland改編公式。

參考文獻(xiàn)

[1] 嚴(yán)大凡.輸油管道設(shè)計(jì)與管理[M].北京：石油工業(yè)出版社，1986.

[2] 夏于飛，張國忠，卜文平，等.成品油管道的運(yùn)行技術(shù)管理[M].北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，2010:13-56.

[3] 王彌康等.管內(nèi)單相流體沿程摩阻系數(shù)分析[J]，油氣儲運(yùn)，1998,17(7)：22-26.

[4] 蒲家寧.紊流混摩區(qū)十一個(gè)顯式摩阻公式的比較[J]，油氣儲運(yùn)，1987,6(2)：13-16.