输油管线参数优化设计软件的编制研究生毕业论文
输油管线参数优化设计软件的编制 学生姓名: _____学号:_____ 系 部:化学与化工系 专 业: 指导教师: 年 月毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明原创性声明 本人郑重承诺:所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果尽我所知,除文中特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料对本研究提供过帮助和做出过奉献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意 作 者 签 名: 日 期: 指导教师签名: 日 期: 使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计(论文)的规定,即:按照学校要求提交毕业设计(论文)的印刷本和电子版本;学校有权保存毕业设计(论文)的印刷本和电子版,并提供目录检索与阅览效劳;学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文;在不以赢利为目的前提下,学校可以公布论文的局部或全部内容。
作者签名: 日 期: 学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品对本文的研究做出重要奉献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明本人完全意识到本声明的法律后果由本人承当 作者签名: 日期:年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保存、使用学位论文的规定,同意学校保存并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅本人授权 大学可以将本学位论文的全部或局部内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 涉密论文按学校规定处理 作者签名: 日期:年 月 日 导师签名:日期:年 月 日输油管线参数优化设计软件的编制摘 要:管道优化设计是一项复杂的系统工程,目标是寻求既满足工艺要求,同时经济效益较好的方案,但工作量和计算量庞大,通过编制计算机软件既提高工了作效率,节省时间,而且能更直观更准确地对管线参数进行操作,从而到达优化的效果。
论文对优化设计的数学模型类型、寻优方法及开展趋势,以及油气管道工程的优化技术研究进行了全面综述,根据流体力学及传热学相关理论建立了热含蜡原油管道系统优化设计的数学模型,并编制了输油管线参数优化软件本软件采用Visual Basic6.0编制,以Microsoft Office Access为数据库,通过ADO数据控件绑定链接,在窗体上采用Date grid控件显示数据,具有网格式大量数据读入、温度压力计算及分布曲线的绘制、停输时间计算、推荐运行参数和数据输出等几大功能 通过对白豹到华池的输油管线的优化设计的实例计算,说明计算结果与管线实际运行参数相符,优化结果令人满意,证实了本软件的可靠性与实用性该优化问题的解决对于提高输油管系统的设计、管理水平具有重要的实际意义 关键词:输油管道;含蜡原油;优化设计;加热输送;软件编制 The design of software for optimezing the parameter of pipelineAbstract: Pipeline optimization design is a complex system engineering. It aims at finding the program that economically meets the technology requirement. However, the system engineering needs enormous calculations and works. The use of software can not only highly raise the efficiency, but also calculate the parameter accurately in intuitionistic way, consequently achieve the optimization of pipeline. This paper first gives a overall summary of mathematical models of optimal design, optimum-seeking techniques and their development trends and the optimization researches in pipeline project. According to the theory of hydromechanics and heat transfor, the author build the mathematical model for the optimal design of pipeline system transporting hot waxy crudes, then design the software for optimezation of pipeline base on the mathematical model in visual basic 6.0 language. The software use Microsoft Office Access as datebase, which was linked by ADO control, then dates were showed in the form by date grid control.The main functions of the software are date inputing, calculating temperature and pressure and drawing their graphs, calculating time of halt and optimal parameter The calculations of the pipeline which is from Bai bao to Hua che indicate that the results accord with practical parameter, consequently achieve the optimezation of pipeline.Thereby, the reliability and practicability of the software is confirmed.It is especially significant for improving the design and management arts of petroleum pipeline to the solution of the problem.Key Word: Oil pipeline; Waxy crude oil; Optimization design; Hot transportation; software目 录1 前言 11.1 问题的提出 11.2 输油管道优化运行研究及其软件编制的开展状况 11.2.1 国外输油管道优化运行及其软件编制研究的开展状况 21.2.2 国内输油管道优化运行研究的开展状况 31.3 管道优化及其软件编制的意义 51.3.1节约能源 51.3.2 降低油品的生产本钱 51.3.3 有利于环境保护 5 1.4 主要研究内容.62根本算法确实定 62.1热油管道沿程温降计算 72.2 热油管道的摩阻计算 82.3 保证管线正常输运所允许的停输时间 82.4 原油输送能耗的计算 123 软件的设计 153.1 软件的设计环境及功能说明 153.2 软件的结构图 163.3 软件的操作界面及使用说明 173.3.1 启动界面及主操作界面 173.3.2数据输入 193.3.3 温度及压力计算 21 3.3.4 停输时间 233.3.5 推荐运行参数 244 计算实例 254.1 管道温度及压力分布 254.2 停输时间的计算 274.2 推荐运行参数 295 结论及建议 31毕业设计小结 32参考文献 33致谢 34附录1 软件源代码 351 前言1.1 问题的提出 石油管道运输是近三四十年开展起来的一种运输方式,特别是近二十年来开展尤为迅速。
随着国民经济开展和石油工业的壮大,石油管道运输已经成为自己的运输体系,并与铁路、公路、水路、航空运输一起成为五大运输体系目前的管道运输已不仅仅运送石油,它已向多品种管道运输开展,已经使用和正在研究使用管道运输的物品有汽体、成品油、水、粮食、煤桨、矿浆及LPG等不仅陆地广泛使用管道运输,海底油气管道也得到大量运用,可以说管道运输已在国民经济开展中起着越来越重要的作用 在现代管道工业中,优化技术在管道规划、设计、运行管理、控制等方面得到了广泛的应用优化技术是在现代计算机技术广泛应用的根底上开展起来的一项新技术,是根据现代数学最优化原理和方法,综合各方面因素,在现有的工程条件下,从问题的众多可行方案中选出最经济的方案[1]输油管道优化运行就是在管线系统本身的结构、流程及其外部环境条件为给定的前提下,合理制定管线的输油方案及运行方案,使之在规定期内完成给定输油任务的同时运行费用最低[2] 输油局是输油企业,也是能源消耗大户,在原油输送中每年就要消耗26.5万吨燃料油,12.4亿度动力电因此,如何才能实现管道的平安运行、低耗、节能、提高系统的经济效益,这是科研攻关和运行管理的大目标[3]输油管道优化运行解决的也是这一问题,在确保完成输油任务的前提下尽可能降低输油能耗,寻求最经济的输送条件。
输油管道在稳态包括准稳态工况下,给定管道流量及其他不可控因素,在满足管道运行的约束条件下,要求选择管道的最优运行方式、设备组合以及运行参数使得单位时间内的能消耗用最低[4]对正在运行中的输油管道,通过降低热能损失来降低总能耗对降低输油本钱、提高经济效益影响重大,输油管道优化运行在现实生活中具有重大的意义 但是,输油管道优化运行的研究是一项浩大的工程,需要消耗大量的人力物力,在科技飞速开展的今天,计算机技术日益兴旺,通过编制软件不仅可以大大节省时间和资源,而且更能准确直观的实现对管线参数的操作目前,国内尚无成熟的输油管线优化软件可供使用,所以该软件的编制具有降低输油本钱、提高经济效益等重大意义1.2 输油管道优化运行研究及其软件编制的开展状况 最优化技术是研究和解决最优化问题的一门学科,属数学规划的范畴,第二次世界大战以前,处理最优化问题的数学方法主要是古典的微分法和变分法,二次大战中,由于军事上的需要产生了运筹学,提出了大量不能用上述经典方法解决的最优化问题,随之产生了线性规划、动态规划、决策论、对策论、图论等新的方法随着近代科技与生产的开展,工程与技术的复杂化,使得一个决策的好坏,对经济效益有着重大的影响,这就要求人们必须寻求最优化决策,以获得最好的经济效益,但由于最优化的任务是要在一切可能的方案中寻求最正确方案,常常需要大量的计算,假设仅依靠手工计算,那么不仅工作量大,计算时间长,而且往往难于实现,令人欣慰的是,由于电子计算机的飞速开展,为最优化技术提供了强有力的计算工具,使其迅速开展成为一门新兴的学科。
自60年代以来,最优化理论和方法不断得到丰富和开展,其应用几乎已深入到各个生产科研领域,成为促进国民经济多快好省开展的有效方法[7]1.2.1 国外输油管道优化运行及其软件编制研究的开展状况[9][8] 油气管道系统最优化技术国外研究较早,水平相对较高早在50年代,苏联学者切尔尼金就提出了热油管道最优加热温度这一概念他针对当时采用的往复泵开式的流程,流型为牛顿流的热油管线,用微分法导出了确定最优出站各参数的关系式六十年代初,美国壳牌石油公司的杰斐逊将动态规划法用于等温密闭输油管道的站间压力分配,随后又提出了隐枚举法确定站内最优泵组合随后,由于计算机技术和应用数学的飞速开展,国外油气管道最优化技术迅猛开展,涉及油气管道系统设计、运行、扩建、控制等领域尤其在最优运行与最优设计领域硕果累累,且到达了相当的深度如Cheesernan用坐标轮换法优化管道程序有两条主线:站位和压缩比优化站位程序的核心是压降计算费用程序包括两个主要参数:动力费和材料投资假设对每一个搜索的参数只有一个最小费用从不同起点出发看有无相同局部优化值,如果有就认为它是全局优化值虽然这对于有约束的非线性问题并不是一个高效的算法,仍使设计时间减少70%,设计费用减少30%,设计质量得到提高。
Grelli和Gilmou:设计的管线优化程序用于太平洋输气公司和阿尔伯达天然气公司的一条输气管线程序采用稳态分析和动态规划1985年1月和8月进行了试验,节约燃料8%-12%在国外油气动力系统中,有不少是采用热机如蒸汽机,燃气轮机等作为原动力的为使油气管道中的泵和压缩机运转,每年用于燃料的费用是很可观的因此,不少管道公司开始对压缩机站和泵站的燃料消耗进行了最优化研究1980年,美国的德克萨斯气体运输公司的Copal提出了一种管道泵站优化运行的方法目标是根据每一原动机的燃料消耗率,决定要开动哪些泵机组,在保证所需流量的前提下使总燃料费用最少;用整数规划算法来选择最优的泵机组搭配,仅需对很少几种组合进行计算此外,还用动态规划的方法对出站压力进行优化Singh美,1981年那么对此问题提出了一种简便的算法苏联学者在这方面的研究主要集中在如何选择油管的最正确工况上1.2.2 国内输油管道优化运行研究的开展状况 对输油管道优化运行的研究是输油工作者研究的重点,建国以来,我国的石油工业和管道事业有了很大的开展,在管道优化运行研究方面所做的工作也很多,取得了较令人满意的成果1 优化的数学模型[10][4][8] 把一个复杂的工程系统抽象成数学模型时,设计者常常面临多种可供选择的数学模型,恰当的选择数学模型是一个至关重要的问题。
较理想的数学模型应尽可能准确的反映工程实际问题,同时又便于处理 已投产运行的输油管道,其设备、管径、管长、站间距等己确定,我们只能对运行参数进行优化,如温度、泵组合等这样影响输油能耗的只有热、动力费用,一般都以二者费用之和最小来建立模型最初建立的是线性稳态模型,后来,石油大学的严大凡、吴长春考虑了油品的温度沿管线真实分布及热机和泵效率的影响,建立了包含全线泵组合与管路的最优匹配和输油温度的最优化两级子问题的动态规划数学模型,该模型适合于我国大多数输油管道1998年,张增强等建立了秦京输油管道优化运行的动态规划数学模型,把全线总压头和全线总热负荷在各站间进行了最优分配,提出了一种二维动态规划求解方法,在求解时用逐次逼近法降维,这种方法既充分考虑了输油管道的特点又兼顾了数学上的严密性2 优化方法 用于优化的方法很多线性规划问题: 单纯形法可以用来解决所有线性规划问题,线性离散优化问题可以使用割平面法、分枝定界法及0-1规划的布尔运算法等非线性规划问题: 计算方法有解析法、搜索法、数值法、线性规划或二次规划逐步逼近非线性规划的方法等解析法亦称间接法,包括古典微分法、古典变分法、极值原理和库恩一塔克定理。
搜索法亦称直接法,包括消去法格点法、黄金分割法、Fibonacci法、爬山法变量轮换法、复合形法、随机试验法等数值法包括牛顿法、变尺度法、可行方向法、鞍点迭代法、梯度法、梯度投影法、简约梯度法、制约函数法等,线性规划或二次规划逐步逼近非线性规划的方法有序列线性规划法SLP和移动限制近似规划法MAP等动态规划问题: 动态规划法是一种能很好的解决所谓多阶段决策过程最优化问题的方法输油管道优化运行研究所要解决的是如何确定各站最正确的进出站油温,各种加热、加压设备的最优组合,可以十分有效的利用这种方法来解决尽管优化的方法很多,而应用到输油管道优化运行上的方法还不是很多在我国输油管道优化运行方面使用过的方法有:1991年,严大凡、吴长春使用了动态规划法:1992年,吴长春又提出了所谓的DFS深度优先搜索法,提高了搜索过程效率;1994年,吴长春又提出了先以随机搜索产Powell法的初始点,采用改良0.618法进行一维搜索的方法:1996年,抚顺石油学院的吴明使用了二分法,相继牛顿-拉普森法也得到了应用;1997年,张其敏使用了MDOD混合离散变量直接搜索法,该方法优化效果好,速度快:1991年,吴立峰考虑到数学模型中既有连续变量温度,又有离散变f 泵组合,将MDCP法混合离散变A组合型法应用到了输油管道的优化运行上,该方法优化速度快、优化结果显著;后来有人采用几种功能不同的算法进行寻优,以期获得最正确运行方案。
3 泵组合和温度优化方面 1980年,吴长春等人对热含蜡原油管道的经济运行方案的求解方法进行了探讨,郑国华等人也讨论过低输量管道的平安经济运行,金德馨那么应用动态规化算法阐述了输油管道最正确运行方案的选择方法训 1986年起,东北输油管理局与华东石油学院对铁秦线输油优化运行进行了协作研究同期,华东石油管理局也开始了对鲁宁线山东临邑至南京仪征低耗节能即开式流程优化运行的工业试验研究由于铁秦线和督宁线自投产后一直处于不满负荷状态下运行,而且实际输量波动较大,因而在输量安排、输油温度选择、管线与泵组合的合理匹配等方面,均为优化运行提供了较宽的决策面,一但实现优化运行,其效益就相当可观这两个研究工程都获得了可喜的成果1991年,西南石油学院吴立峰的硕士论文对热含蜡原油管道进行了优化设计,采用的方法是混合离散变量复合形法,有一定的研究价值 1992年,蒲家宁运用动态规划原理,针对密闭输送工艺,简明、扼要、具体的阐述了长输管道优化运行的分析与计算方法,有助于对输油管道优化运行的研究1992年,金岗、张心等对热油管道优化运行技术进行了探讨,指出输油管道的能耗及运行费用除受油泵压力和油品温度变化影响外,还必须考虑动力和热力设备在不同负荷下系统效率变化的影响。
通过计算机系统的反应验证,找出了偏差并制定了能控制最小运行费用的新优化运行方案 1993年,重庆大学的王勇勤等将线性规划法用于油田输油泵站原油外输机组的优化运行,减少了原油外输中油泵工况搭配和搭配机组运行时间的盲目性,有利于优化运行1995年,王鉴光根据泵的机械特性,提出了泵站节能运行方案和泵速最优节能控制算法,节约了电能,带来了经济效益目前辽河油田考虑到运行温度决定了能消耗用,而运行费用中可变的参数就是能消耗用,所以对沱一鞍输油管道的运行温度进行了优化计算,将中间加热站改成了热泵站,同时,也提高了沱--鞍输油管道输油能力,设计输量为500X104吨,优化前输量仅有350 X104吨,优化后输量到达7450 X104吨通过实践证明,优化了运行温度后,每年可节省能消耗用30.12万元,如果管道较长,输量较大,经济效果会更加明显1998年,吴明等用最优化方法计算了热油输送的经济温度,对节能有重要意义2001年,魏安河等以庆铁线新庙和牧羊泵站为例,提出通过运用降低进站温度的方法,对降低油电消耗总费用的可行性进行了具体分析,通过计算证明在保证低输量的平安运行的前提下,降低进站温度的方法对减少节流损失,降低输油本钱是完全可行的。
我国虽然在输油管道优化运行方面的研究起步较晚,但其进步很快,储运科技人员在不断的朝着这个方向努力,建立了许多数学经济模型,寻求最优运行乡数和最优运行方案,为节能降耗做出了重大奉献目前在这方面的研究还不是很完善,建立的模型都比拟简单,求解的方法也不是很先进,还有待于我们后来之人继续研究和探讨4软件编制方面 1999年,清华大学的张信荣等以东辛含硫管道为例,对孤岛原油和清河原油相混后的流变性进行了研究,提出了一种计算东辛管道输送混合原油粘度的新模型将管道运行参数优选和节能技术方案的研究相结合,建立了节能优化的改造模型,开发了东辛管道优化运行软件,既考虑了管道运行能消耗用又考虑了投资改造费用,实现了优化与改造方案相结合,该模型既可用于寻求最优运行参数又可指导最优改造方案对我们的优化运行研究很有帮助 2004年,长江大学石油工程学院张顶学等受长庆油田分公司第二输油处委托,编制了集输管线优化软件该软件界面友好、操作方便,功能全面,但其缺乏之处是在停输时间的计算上还不够准确,需要进一步完善 1.3 管道优化及其软件编制的意义1.3.1节约能源 节约能源及提高经济效益是当前国家对工交部门的两项重要要求。
石油企业既是能源生产企业,又是能源消耗大户,仅输油的能源消费就占生产本钱的50%,能源消消耗用是企业生产本钱中重要的可控局部,降低单位产品的能源消耗是企业能否有效的控制生产本钱的重要因素能源的开发和合理利用是社会开展的源泉和战略依据,并标志和决定着一个国家的竞争实力和综合实力[1]例如管径为720m,长435km的铁岭至大连的管道,年流量为200万吨,如六个热泵站每站都将出站油温提高1摄氏度,全年将多烧原油8500吨如果每个泵站节流l00kPa,那么全年将损失380万度电假设能将输油本钱降低0.1分/吨.公里,那么一年将节约870万元,可见节省下来的运行费用是惊人的[5]1.3.2 降低油品的生产本钱[1] 随着国内市场的不断标准以及同国际市场的逐步接轨,石油企业在剧烈的市场竞争中通过国家政策和地区保护而获得较好的经济效益的时机越来越少,只有按照市场的需求对运行的管道进行优化,降低产品的单位本钱,才能提高企业在市场经济中的竞争能力1.3.3 有利于环境保护[1] 大量燃料不能合理和有效的利用,增加了污染物的排放,加重了对环境的污染对输油管道的优化运行,不但到达了节能降耗的目的,而且可以降低企业治理工业污染的费用,对企业自身也有着直接的经济效益。
由于管道建设的大型化和现代化,需要巨额的投资,如在运行中引进优化技术,对流量、温度、泵机组特性等参数进行很小的优化改变,便可节省出巨额资金根据技术经济学原理,通过对各种优化措施和可行方案的技术分析、经济比拟和效益评价、寻优技术与经济的最优组合,从而确定出经济合理的运行参数,使系统工作在最正确状态下,到达节约能源、少投入、多产出、提高经济效益的目的可见,输油管道优化运行方案研究是一个很有潜力的开展方向,对输油管道优化运行进行研究具有重大的现实意义[6] 综上所述,油气管道系统最优化技术研究是向复杂化、多目标方向开展随着计算机技术向高速、多功能、智能化方向开展,油气管道系统最优化技术研究的领域更广,设计、运行、控制、模拟技术会相互融合形成综合最优化技术1.4 主要研究内容 本论文主要研究集输管线参数优化软件的编制管道优化设计是一项复杂的系统工程,目标是寻求既满足工艺要求,同时经济效益较好的方案,但工作量和计算量庞大,通过编制计算机软件既提高工了作效率,节省时间,而且能更直观更准确地对管线参数进行操作,从而到达优化的效果 本论文首先对优化设计的数学模型类型、寻优方法及开展趋势,以及油气管道工程的优化技术研究进行了全面综述,建立了热含蜡原油管道系统优化设计的数学模型,然后编制了输油管线参数优化软件。
本软件采用Visual Basic6.0编制,以Microsoft Office Access为数据库,通过ADO数据控件绑定链接,在窗体上采用Date grid控件显示数据,具有网格式大量数据读入、温度压力计算及分布曲线的绘制、停输时间计算、推荐运行参数和数据输出等几大功能 最后,对白豹到华池的输油管线的优化设计进行实例计算,验证计算结果与管线实际运行参数是否相符,从而证实本软件的可靠性与实用性2根本算法确实定2.1热油管道沿程温降计算 易凝、高粘的原油当其凝固点高于管道周围环境温度,或在环境温度下油流的粘度很高时,工程上常采用加热、加添加剂的方法输送,以保证原油输送能平安、经济地运行 热油在输送过程中存在着两个方面的能量损失,即摩阻损失和散热损失因此,也必须从两个方面给油流供应能量,即由加热站供应热能,由泵站该给压能在热油管道的设计和管理中,要正确处理这两种能量的供求平衡关系这两种能量损失的多少又是互相影响的,其中散热损失往往是起取得决定作用的因素因为摩阻损失的大小决定于原油的粘度,而粘度的大小那么决定于输送温度的上下提高油温,使原油在较高温度下输送,散热损失将增大,但摩阻损失那么可减少。
故对于某一输送任务,存在着能量最小消耗的最优输送条件,这也就是热油输送管道工艺计算所要确定的目标为此,首先要确定热油管道沿程的温度分布 油流在加热站加热到一定的温度后进入热油管道油流在沿管道流动的过程中不断向周围散热,使其温度下降散热量和原油温度的沿程分布受到诸如输油量、加热温度、环境条件、管道散热条件等许多因素的影响严格地讲,这些因素是随时间变化的,故热油管道经常处于热力不稳定状态 但在实际工程中,将正常运行工况近似为热力、水力稳定状态,在此前提下进行轴向温降的计算 设管道周围介质的温度为T0,dl微元管段上的油温为T,管道的质量输油量为G,管段的水力坡降为i流经dl段后散热油流产生的温降为dT在稳定工况下,dl微元管段上的能量平衡式为: 上式中左边为dl管段单位时间内向周围介质的散热量,右边的第一项为管内油流温降dT 的散热量;右边第二项为dl段上油流摩阻损失转化的热量由于dl与dT的方向相反,故取负号假定在dl管段内总传热系数K为常数,且忽略水力坡降沿dl的变化,对上式别离变量积分,得到沿程温度分布公式,即列宾宗公式: 记 ,;那么有: 2?1 2?2或 2?3上式中,G?? 原油的质量流量,kg/s;c?? 输油平均温度下原油的比热容,J/kg.℃;D?? 管道外径,m;L?? 管道加热输送的长度,m;K??管道的总传热系数,W/(m2. ℃);TR??管道起点油温,℃;TL??距起点为L处的油温,℃;T0??周围介质温度,埋地管道那么为管中心埋深处的自然地温,℃;I ??油流的水力坡降,m/m;g ??重力加速度,m/s2。
假设油流出加热站的温度TR为定值,那么管道内原油沿程的温度分布可表示为: 2?4 在推导上式时,假定水力坡降i为定值实际上,水力坡降要由管道的摩阻计算得出,在进行温度分布计算时,它还未精确给出在本研究里我们采用迭代算法确定 从温度分布的算式可以看出,两加热站间的温度梯度在各处是不同的在加热站的出口处,油流与环境温度的温差大,温降快;而在进入下一加热站前,由于油温低,温降慢故加热温度愈高,散热愈多,温降就愈快因此,试图靠提高加热站出口的油温来提高管段末端的油温,往往收效不大常常是首端温度提高10℃,而末端的油温仅提高2~3℃2.2 热油管道的摩阻计算 由于热油管道油流的温度沿程是不断下降的,故油流的粘度不断增大,其水力坡降也是不断增大的因此,在计算热油管道的摩阻时,必须考虑管道沿线的温降情况和油品的粘温特性在本研究里,我们采用分段耦合计算热油管道的压力和温度分布 在本研究中,我们采用平均油温的计算法计算油流的压力沿程分布其计算步骤为: a.按甲方的要求,将两加热站间的热油管道分划成需要小的分段,在计算程序里,我们大致按0.1 千米分划,记下每个计算点的管道里程和管道中心的高程; b.由反推计算确定的总传热系数K、原油的比热容和假定的管段内的水力坡度,从加热站开始,逐段计算该段的终点温度T2; c.按下式计算该段原油的平均温度: 2-5 d.由实测的原油粘温曲线,内插得到平均温度下的原油粘度,计算油流的雷诺数,并判别流态; e. 由科尔布鲁克公式计算油流的沿程阻力系数,进而求得该段的水力摩阻损失和计算的水力坡度; f.比拟计算的水力坡度和原假定的水力坡度的差异是否精度要求,假设不满足,那么返回(b),重新计算; g.假设计算的水力坡度和原假定的水力坡度的差异在给定的误差范围内,那么由伯努利方程求的该管段末端的压力P2; h.将计算得到的末端温度和压力作为下一段的起点温度和压力,重复上述计算,直到下一加热站为止。
2.3 保证管线正常输运所允许的停输时间 本节所讨论的问题实质是要弄清楚热油管线的停输时间和再启动压力的计算问题 热油管路的方案检修、电源中断、输油量过低、输油温度过低、管道泄漏都可能造成热油管线的停输在现场,通常在输量缺乏的情况下,为节省动力并为了保持一定的热力条件,也常采用间歇输油的方式来代替反输 停输后,由于管路中所输油品的温度不断下降,油的粘度不断增加,给管路输油的再启动造成困难,甚至造成油品在管路中凝结,使管路“冻结〞为了防止冻结事故,确保管线平安平稳生产,必须了解管路在各种条件下的允许最长停输时间和停输后的温度变化情况,确定出再启动时所需的压力和输量,以确保管线的平安生产 (1)埋地热油管线停输后温降的计算 埋地热油管线停输后,由于经长期稳定输油,管线周围土壤中所积蓄的热量要比管路中原油所含热量大很多故埋地热油管线停输后的温度下降情况与架空管道不同,主要决定于管线周围土壤的冷却情况实践说明,由于刚停输时管内壁处的油温与管外壁土壤间的温差较大在地温为12~15℃,油温为45~50℃时,大约相差3~8℃当地温为2℃,油温为35~40℃时,约相差8~10℃故埋地管线停输后地温降可分为两个阶段: ●管内油温较快地冷却到略高于管外壁土温,其中靠近管壁处的油温下降更快; ●管内存油和管外土壤作为一个整体而缓慢地冷却。
? 开始阶段的温降计算 对于这一阶段的温降计算,我们作如下假设: ① 忽略管内横断面上温度梯度和轴向温降; ② 管道总传热系数K保持不变; ③ 忽略油品特性随温度的变化; ④ 外界温度不变; ⑤ 不计保温层的热容量 在时间内的热平衡方程为: 2?6将上式积分,并整理后得到: 2?7式中,K?停输后油管内原油至油管外壁处的总传热系数,W/m2?℃; D,D1,D2?管道平均直径、油管内径和油管外径,m; ? 原油的比热和密度,J/??℃,?/m3; ? 钢材的比热和密度,J/??℃,?/m3; T0??? 管道埋深处的地温,℃; ???停输后小时的油温,℃; ???停输开始时的油温,℃; ??? 停输时间,h小时 假设考虑到钢管的壁厚不大,可以不计钢管的热容量,那么上式可以更进一步化简为: 2?8 ? 管内存油和管外土壤的共同缓慢冷却 假设输油管道正常运行时管道周围的土壤温度已接近稳定,那么停输后土壤温度场的衰减过程,也就是启动预热的反过程可按恒热流法计算停输不同时间后的各点土壤温度,得到在冷却过程中管壁处的土壤温度随时间的变化规律。
我们选用恒热流法计算停输不同时间后的各点土壤温度这种方法是把埋地管道当作半无限大均匀介质中连续作用的线热源,即认为土壤是各向均匀同性的,管道传往各方向的热流强度是相等的即: 2?9式中, ?开始停输时管壁处的土壤温度;?停输小时后管壁处的土壤温度; ??土壤的导热系数,W/m?℃; ?? 土壤的导温系数,; ?? 管道埋深,m;?? 停输时间,小时,h; ??稳定工况的管道散热量,W/m;假设将上式也可以 2?10 如果近似取停输后的恒定散热损失等于稳定输送时的热损失,那么2?11代入(3-5)式,并考虑当3~4时,,忽略前一项,并将展开为级数,取前两项,整理后得到第二阶段的停输时间: 2?12由(3-10)式,可以求得温降第一阶段的停输时间为: 式中,以秒计 上述恒热流法系一种二维不稳定传热计算它只能求得某一断面或某一管段处的停输温降下面为一种计算管道任意断面上停输后油温的近似计算方法 (2)短期停输后管内油温计算 由于土壤的蓄热量和热阻都很大,埋地管道在停输后,温度的下降是比拟缓慢的因此,可以将管内原油的冷却过程看成是一系列准稳定状态,列出微元时段内的热平衡方程,进行近似求解,得出停输后管内的油温。
假定在时段内,管内所存原油及钢管温降的放热量等于管道向环境的散热,且总传热系数对于稳定状态时的总传热系数K,类似可导得: 2?13 令, 2?14 那么上式可写成: 对上式积分,当此时,距起点l处,油温Tl可按苏霍夫公式计算: 2?15于是,可得距起点任意距离l处,停输温降时间后管内油温的计算式为: 2?16式中,T??距管道起点l处,停输时间后的油温,℃; T0??周围环境温度,℃; TR ??管道起点处,开始停输时的油温,℃; K??管道在稳定状态工况下的总传热系数,W/m2. ℃; L??计算点距管道起点的距离,m; b??由(3?14)式定义的系数; ??停输时间,s (3?16)式可以计算停输后管道任意断面上平均油温随时间的变化 各种突然事故都可能造成输油管线停输因此,停输可能发生在不同的季节(不同的地温)、不同的排量、不同的起点温度、不同的起点压力下,停输的时间长短也不一在停输温降计算的软件设计中,应考虑上述各种可能的情况的停输事件的发生,及时和准确地计算出停输管线沿线各断面处的油温随时间变化的情况。
限于篇幅,在本论文中的各加热站的停输计算中,只对冬季最寒冷的月份发生停输事件的温降进行了计算其他的各种可能的停输温降计算可以很方便地利用本研究提供的软件进行2.4 原油输送能耗的计算 原油在加热输送的过程中,能量消耗主要为提高原油位能和克服管道摩阻损失的机械能损失和加热输送的管道散热损失 a)机械能消耗 在无翻越点的原油输送管道中,机械能消耗仅为提高原油位能和克服原油输送时的摩阻损失泵提供应单位重量原油的有效能头为: (2-17) 而在输送管道存在翻越点的管线中,假设不允许管道出现负压,那么泵提供应单位重量原油的有效能头为: (2-18)上两式中, 泵的有效功率为: (2-19) 上式中, 假设以单位能耗,即输送1吨原油每1千米所消耗的能量表示,再计入泵和电机的效率,那么有: (2-20)式中: b)热能消耗 单位热能的消耗以下述公式计算: (2-21) 式中, 3 软件的设计3.1 软件的设计环境及功能说明 软件的开发环境采用Windows XP操作系统,因为Windows是一个多任务的操作系统,它是集多任务、多用户、多功能和多媒体为一体的软件集成环境。
本软件采用的开发工具为Visual Basic6.0,它有以下特点: VB继承了Basic简单易用的特点,适用于Windows环境下快速编程;采用可视化技术,操作方便;采用面向对象技术,没有复杂的程序流程;编程模块化、事件化、程序由许多小程序组成 本软件采用Microsoft Office Access数据库,以ADO数据控件链接,在窗体上用Date grid控件显示数据 该软件由数据输入、模拟计算、结果输出等三大模块组成 1数据输入模块 该模块包含根本管线根底参数输入和管线高程参数输入及原油粘温数据三个子模块 2模拟计算模块 该模块由管道温度、压力的分布计算模块、保证任务数量下可将能耗将为最低的优化运行参数计算模块及停输降温计算模块组合而成,用户可根据屏幕提示和计算要求进行选择,以便节省计算时间 3结果输出模块 该模块包含文件保存、数据显示、粘温曲线、温度、压力分布曲线等子模块3.2 软件的结构图3.3 软件的操作界面及使用说明3.3.1 启动界面及主操作界面 本软件具有友好的界面设计,在主操作界面上,用菜单编辑器制作了主菜单和其子菜单,为了用户能够方便的使用该软件,使用工具栏(Tool Bar)控件,在主操作界面中制作了工具按钮,然后链接Image list控件为按钮添加了彩色图标。
主菜单包括有管道及原油数据,温度压力计算,停输时间,推荐运行参数,帮助及退出选项在管道及原油数据中,包括有子菜单管道根底数据、管道高程数据和粘温数据工具栏中的工具按钮包括有管道根底数据、管道高程数据、粘温数据、温度压力计算、停输时间、推荐运行参数及退出在状态栏中,有“欢送使用输油管线参数优化软件〞字样和当前的时间显示其源代码见附录1.1 3.3.2数据输入 本软件采用Microsoft Office Access数据库,以ADO数据控件链接,在窗体上用Date grid控件显示数据,从而实现了网格式的大量数据的输入1)管线根底数据(2)管线高程数据 以白豹至华池的输油管线为例,管线全长27.072km,以0.1km为步长,共277个计算点在界面左侧为Date grid控件,可以输入不同管线的各点高程数据,右侧为管线纵断面图在图上方,可实时显示鼠标位置处的座标,从而可以直观的查询到管道任意位置处的高程此功能是通过Picture box图片框控件的line方法实现的,以管线里程为横坐标,管线高程为纵坐标,两点连线,再加以循环即可具体源代码见附录1.3 (3)粘温数据 此窗口用来显示原油的粘温数据,并绘制原油的粘温曲线。
以原油温度为横坐标,原油粘度为纵坐标,具体实现方法与管道高程数据窗口相同实现此功能的源代码见附录1.4 3.3.3 温度及压力计算此窗口功能为在给定的管线起点温度与起点压力条件下,来计算管线沿程的温度与压力的分布,绘制温度及压力分布曲线,并将计算结果保存到文本文件中通过Text box(文本框)来实现管道起点温度与管道起点压力的输入,根据输入的数据,来计算管道沿线的温度与压力的分布具体源代码见附录1.53.3.4 停输时间 此窗口用来实现管道停输时,在地温的条件下,根据输入的停输时间来计算管道沿线的温度分布,并将计算结果保存到文本文件,从而可以判断管道停输多久可能发生原油凝管事故源代码见1.63.3.5 推荐运行参数 此窗口用来实现对管道运行参数的优化根据不同的输送温度下,管道的运行费用不同,以费用最低时的输送温度为最优温度,并计算此起点温度下,管线沿程温度和压力的分布,绘制温度、压力的分布曲线,然后将优化结果保存到文本文件具体源代码见附录1.74 计算实例 以白豹至华池的输油管线为例: 管线全长27.072km,起点温度为32℃,起点压力为3.0MPa,以0.1km为步长,进行计算。
由于计算点较多,这里仅列出整数km的计算点数据4.1 管道温度及压力分布 由软件计算得出的温度压力数据如下表: 表4-1 管道温度压力数据表里程(km) 高程(m) 温度(℃) 压力(MPa)0 1358 32 3.01.001 1363 31.30 2.962.001 1367 30.63 2.933.094 1376 29.91 2.854.029 1391 29.32 2.735.087 1399 28.66 2.666.049 1544 28.09 1.477.069 1533 27.50 1.568.094 1584 26.92 1.149.084 1566 26.38 1.2910.094 1644 25.84 0.6511.044 1672 25.35 0.4212.00 1565 24.87 1.3013.056 1465 24.36 2.1214.028 1402 23.90 2.6415.028 1378 23.44 2.8416.128 1363 22.96 2.9617.034 1361 22.57 2.9718.045 1351 22.14 3.0619.134 1343 21.70 3.1220.034 1332 21.35 3.2121.034 1327 20.97 3.2522.034 1312 20.60 3.3823.034 1306 20.23 3.4324.034 1308 19.89 3.4125.034 1291 19.55 3.5526.034 1290 19.22 3.5627.022 1291 18.91 3.55图4-1 管线纵断面图 图4-2 管线温度分布曲线图图4-3 管线压力分布曲线图4.2 停输时间的计算停输时间的计算结果如下:表4-2 停输后温度分布数据表1h 5h 10h20h0 30.67 26.06 21.56 15.591.001 30.012 25.53 21.16 15.362.001 29.38 25.02 20.78 15.143.094 28.70 24.48 20.36 14.904.029 28.14 24.03 20.02 14.715.087 27.52 23.53 19.65 14.496.049 26.97 23.10 19.32 14.317.069 26.41 22.65 18.98 14.118.094 25.87 22.21 18.65 13.929.084 25.35 21.80 18.34 13.7510.094 24.85 21.40 18.03 13.5711.044 24.38 21.03 17.75 13.4112.0 23.93 20.66 17.48 13.2513.056 23.45 20.27 17.19 13.0814.0 。
