長(zhǎng)距離輸送管道管徑的優(yōu)化

吳水平

(長(zhǎng)嶺煉化岳陽(yáng)工程設(shè)計(jì)有限公司,湖南 岳陽(yáng) 414000)

管道負(fù)責(zé)介質(zhì)的輸送，是過(guò)程工業(yè)重要的組成部分，管道投資占建設(shè)投資的20%～30%。因此管徑的選擇對(duì)裝置建設(shè)投資有著重要的影響。管道根據(jù)輸送距離可分為長(zhǎng)輸管道和裝置內(nèi)管道。長(zhǎng)輸管道輸送距離通常在50km以上，采用埋地輸送；裝置內(nèi)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(jīng)濟(jì)管徑的選擇方法。隨著石化工業(yè)的發(fā)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(zhì)較多，且一般采用管架敷設(shè)，土建費(fèi)用占總投資比例較高，管道阻力是影響操作費(fèi)用的主要因素，因此，可將這類管道稱為長(zhǎng)距離輸送管道。由于其特殊性，原有的長(zhǎng)輸管道和裝置內(nèi)管道管徑選擇經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)均不適用與長(zhǎng)距離管道的管徑選擇。針對(duì)上述問(wèn)題，本文結(jié)合實(shí)例，總結(jié)出了長(zhǎng)距離管道管徑優(yōu)化的方法。

2 管徑優(yōu)化方法

2.1 長(zhǎng)距離輸送管道工程優(yōu)化的變量分析

工程項(xiàng)目的優(yōu)化主要考慮兩方面因素，分別為固定投資和操作費(fèi)用，在裝置使用期限內(nèi)，操作費(fèi)用和固定投資折舊之和最小時(shí)，工程項(xiàng)目即達(dá)到最優(yōu)。針對(duì)長(zhǎng)距離輸送管道工程，固定投資主要包含管道費(fèi)用和土建費(fèi)用；操作費(fèi)用則源于克服管道摩擦阻力損失的動(dòng)力消耗。

管道費(fèi)用由管徑和壁厚決定，土建費(fèi)用則由管架數(shù)量決定。影響管架數(shù)量的主要因素是管架的間距，而管架間距根據(jù)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(duì)土建費(fèi)用有著重要影響，尤其是管架上管徑最小的管道。

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

綜上所述，管徑不僅決定了管道費(fèi)用，同時(shí)也決定了操作費(fèi)用，在某些情況下甚至對(duì)土建費(fèi)用也有重要影響。因此，長(zhǎng)距離輸送管道工程優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵為管徑的選擇。

2.2 長(zhǎng)距離輸送管道工程優(yōu)化方法

優(yōu)化方法可分為以下幾個(gè)步驟：(1)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)初選流速；(2)計(jì)算管道壓降，壓降合理則進(jìn)行下一步，若不合理則需再另選管徑；(3)計(jì)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(jí)管道，并從第2步重新計(jì)算，然后，將得到的數(shù)據(jù)整理成綜合評(píng)價(jià)表，具體如下圖1所示。

圖1 優(yōu)化方法的步驟

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

下面以已經(jīng)施工的某工程為例，對(duì)其管徑進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，得到綜合費(fèi)用評(píng)價(jià)表，看現(xiàn)有管徑的選擇是否合適。此工程需新敷設(shè)4根管道，4根管道設(shè)計(jì)參數(shù)如果表1 所示。

表1 管道基本參數(shù)

3.2 管徑的選擇

可以看到乙苯管徑最小，同時(shí)也是影響管架設(shè)置的一個(gè)重要因素，為此，以乙苯為例，對(duì)其管徑進(jìn)行計(jì)算，看不同管徑的綜合費(fèi)用有何變化。

3.2.1 初選管徑

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)選擇流速為1.5m/s，管道內(nèi)徑由下面公式計(jì)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(jì)算管道壓力降

流體在管道中流動(dòng)時(shí)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(jì)算：

式中：L——直管長(zhǎng)度，m；

λ——摩擦系數(shù)。

摩擦系數(shù)λ可由計(jì)算雷諾數(shù)和查相對(duì)粗糙度后，用圖表法得出：

式中：Re——雷諾數(shù)；

ρ——流體密度，kg/m3；

u——流體動(dòng)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(jì)算：

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

(3)總壓降的計(jì)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(nèi)，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(zhì)體積流量，m3/h；

η——泵效率；

計(jì)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(shí)調(diào)整個(gè)別管架留有空間，在地勢(shì)比較平坦的地方(如農(nóng)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(yīng)縮短。

3.5 不同管徑綜合費(fèi)用評(píng)價(jià)

按一般程序，在初選管徑-核算壓降-確定管徑-計(jì)算泵軸功率-確定管架跨距之后，整個(gè)選型就算結(jié)束了，但這是不是綜合費(fèi)用最優(yōu)的管徑呢，就得對(duì)多種可能的管徑的綜合費(fèi)用進(jìn)行對(duì)比才能得出。

以上選定管徑是DN80，所以選擇DN50與DN100作對(duì)比，看看有沒(méi)有更優(yōu)選擇。在相同流量下，按以上計(jì)算方法，可得到這兩種管徑的相關(guān)參數(shù)，同時(shí)也將各管徑需要的管道重量列出，見(jiàn)下表2。

表2 各管徑計(jì)算所得參數(shù)

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(shí)其管材用量也較大，不過(guò)管架最大間距可增加1米。理論上，沿線14300m長(zhǎng)，可節(jié)省管架個(gè)數(shù)=(14300/7-14300/8)≈255，考慮現(xiàn)場(chǎng)情況特殊，按可節(jié)省管架120個(gè)考慮。當(dāng)然管架距離的設(shè)置還要考慮預(yù)留因素，這里只做理論計(jì)算，不同工況不盡相同。

兩種管徑的綜合評(píng)價(jià)表見(jiàn)下表3。

表3 綜合費(fèi)用評(píng)價(jià)

由表3可以看出雖然管徑擴(kuò)大后管材費(fèi)用有所增加，但也可節(jié)省管架費(fèi)用，使用較大管徑則使流速降低，進(jìn)而降低了管路壓降，泵的軸功率也可相應(yīng)減小，節(jié)省了操作費(fèi)用。從建設(shè)當(dāng)年來(lái)看綜合費(fèi)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(jié)省近90萬(wàn)，這還只是簡(jiǎn)單計(jì)算，并沒(méi)有考慮泵的價(jià)格及泵的實(shí)際電機(jī)功率的選用，因此選用管徑DN100比DN80更合適。

4 結(jié)論

(1)通過(guò)分析長(zhǎng)距離管道工程的固定投資和操作費(fèi)用，確定了管徑為長(zhǎng)距離輸送管道工程優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵變量，并提出了最優(yōu)管徑的確定方法。

(2)采用本文所提方法對(duì)某工程乙苯輸送管道進(jìn)行優(yōu)化，并最終確定選用較大管徑管道，雖管道投資增加98.15萬(wàn)元(包括建設(shè)費(fèi)用)，但至少節(jié)省管架120榀(約72萬(wàn)元)，節(jié)省電耗22.06kW(折合11.12萬(wàn)元/年)，其長(zhǎng)遠(yuǎn)經(jīng)濟(jì)效益非?？捎^。

(3)結(jié)果表明，對(duì)長(zhǎng)距離管道工程進(jìn)行管徑優(yōu)化是非常必要的，每根長(zhǎng)距輸送管道都應(yīng)進(jìn)行綜合費(fèi)用評(píng)價(jià)，以選擇最優(yōu)管徑。