输油管道设计与管理

输油管道设计与管理design and management of oil pipelines第一章输油管道运输工况(o verview of pipeline transportation)1.1 输油管道概况一、概述 管道是石油生产过程中的重要环节，是石油工业的动脉。在石油的生产过程中，自始至 终都离不开管道。我们可以把石油的生产过程简单的表示为：原油管 成品油管油f计量站一井联合站一转油站一矿场油库一炼油厂一用户 矿场油气集输系统长输管道从油井出来的油气通过管道输送到计量站，经过计量后又由管道输送往联合站，在联合站生 产出合格的原油，合格原油通过管道和转油站输到矿场油库或外输到管道首站，通过长输原 油管道输到炼油厂加工精练，生产出各种产品，通过成品油管道或铁路、公路、水路将各种 产品送往用户。油井至矿场油库部分属于矿场油气集输系统，这属于“油气集输”课程研究的内容。后面的 原油管道和成品油管道属于长输管道的范畴，是本课程要研究的内容。长输管道是长距离输油管道的简称，它是指流量大，管径大，运距长的自成体系的管道系 统。可简单地表示为：首站 一 中间站 一 一 末站收计加加 收加加 收计发油 量压热 油 压热 油 量油长输管道总是由输油站和线路组成。而首战、末站和中间站统称为输油站。流体沿 管道流动过程中要消耗能量，所以沿线要不断地由泵站和热站增加能量，因而要建若干中间 站(booster station ,heating station)。首站(initial station) 和末站 (terminal) 的位置视情况 而定。对于原油管道，首站一般在油田，末站一般为炼厂和港口。为了保证管道的连续运行， 首末站一般建有较大的库容，而中间站一般只设一座旁接油罐或高 罐。用以调节流量的不 平衡(旁接 油罐流程)或高泄压(密闭流程)。输油管道一般由离心泵提供压能。电动机为 原动机。对于加热输送的管道，由于沿程散热，为了保持油品的温度，沿线还要设加热站， 所用原料一般为所输原油或渣油。为了保证管道的正常运行，全线设有有效的通信系统，以调度、指挥生产。目前多采用微波 通信系统( microwave communication system)。二、管道运输的发展历史和发展趋势1、 管输的发展历史 管道工业有着悠久的历史。中国是最早使用管道输送流体的国家。早在公元前的秦汉时代， 在四川自贡就有人用打通了的竹子连接起来输送卤水，随后又用于输送天然气。现代管道始 于19世纪中叶，1859年，美国宾夕法尼亚(pensylvania)打出了第一口油井，所生产的原 油起初用马车拉运，从而导致了严重的交通拥挤。直到1865年，才建造了第一条用于输送 原油的管道。直径为50mm,长为10km，输量为12.8m3/h,用往复泵驱动。1879年，在美国 的宾夕法尼亚铺设了一条口径为150mm,长为17.4km的输油管道。1886年，美国又铺设 了一条口径为200m,长为139km的输油管道。在 1920 年前，管道均采用丝扣连接，因此管径较小。1920 年，在管道铺设中开始采用气焊， 随后又被电焊所取代。金属焊接工艺的发展和完善促进了大口径、长距离管道的发展，同时 也促进了新管材的使用。但真正具有现代规模的长输管道则始于第二次世界大战。当时由于 战争的需要，美国急需将西南部(southwest)油田生产的油运往东海岸(eastcoast),二由 于战争，海上运输常常被封锁而中断，这就促使美国铺设了两条输油管道。一条是原油管道， 口径为600mm长为2158km，输量为47700m3/d(1500万吨/年)，由德克萨斯到宾夕法尼亚。另一条为成品油管道，口径为500mm,包括支线全长为2745km，输量为3760m3/d(1300万吨 /年)。由德克萨斯到新泽西，同时还铺设了一条输气管道，口径为600mm,长为2035km， 有西南部到东海岸。随着石油工业的发展，战后各产油国都铺设了不少长输管道。从60年代起，输油管道向大 口径、长距离的方向发展，并出现许多跨国管线。较著名的有：1964年，苏联建成了苏联一东欧的“友谊”输油管道，口径为1020mm,长为5500km。1977年，建成了第二条“友谊”输油管道，在苏境内与第一条平行，口径为1220mm,长为 4412km，经波兰至东德。两条管线的输量约为1亿吨/年。1977年，美国建成了世界上第一条伸入北极的横贯阿拉斯加管道(trans alaska pipeline), 口径为1220mm,全长为1287km，其中900km管道采用架空保温铺设。年输量约为1.2亿 m3。不设加热站，流速达3m/s,摩擦热可保持油温60，投资77亿美元。1983年，沙特建成了东一西原油管道，从东海岸至西海岸，管径1220mm,长为1202km，输 油量1.37亿m3/a1988年，美国建成了从西部圣巴巴拉至休斯顿的原油管道，管径162mm,总长2731km，年 输油能力约为1600万吨。同时，成品油管道也获得了迅速发展。典型的是美国的科罗尼亚成品油管道系统。干线口径 为750、800、900、1000mm,总长为8413km，输油能力为1.4亿吨/年。2世界管道的发展趋势 高压力、大口径的大型输油管道 从经济角度看，大口径管道比小口径管道的输油成本低得多，例如：一条直径 1220mm 管 道，在7.35 mpa的压力下，输量为Q1,直径920mm管道，在同样压力下，输量为Q2，则 Q1=2Q2。也就是说，一条直径1220油能力是一条直径920管道的2倍。而建一条直径1220 管道比建2条直径920管道节省投资30，同时，一条大口径管道的运行费用也大大低于2 条小口径管道的运行费用。从而可以大大降低输油成本。也就是说，输油成本随管径的增加 而降低。目前国内最大口径为直径720，国外为直径1220。采用高压力输送，可以提高一条管道的输油能力，从而降低输油成本。国外输油管道压力一 般均在6.0mpa以上。如阿拉斯加输油管道的操作压力为8.2mpa。 采用高强度、高韧性、可焊性良好的管材 采用先进的输油工艺和技术a. 设计方面，采用航空选线，有利于优化设计，并重视管线的可行性研究。b. 采用密闭输送工艺流程，减少油气损耗和压能损耗。c. 采用计算机自控。遥控技术、减少操作人员，实行优化运行。d. 采用化学药剂(减阻 剂、降凝剂)降低能耗，提高管线的输油能力。 采用新型、高效、露天设备采用露天设备可以大大降低战场投资。输油设备功率大，常年运行，必须保证高效、可靠 如加热炉效率：国外可达90，国内70左右，泵：国外可达80以上，国内只有70左 右。三、管道运输的特点1、长输管道的分类： 原油管道（crude oil trunk line）:特点是输量大，运距长，管径大，分输点少。它的起 点一般为油田，终点一般是炼厂或港口。 成品油管道（produsts pipeline）:特点是所输油品品种多，批量多，分油点多，采用顺 序输送。它的起点一般为炼厂，终点一般为消费地区的储油库和分配油库。2管输的特点从管道运行的发展历史和目前的现状我们可以看到，管道的发展和能源工业、矿产业的发展 密切相关，而且管道输送已成为一种独立的主要的运输方式。下表是美国19751980 年各 年原油和成品油运输中的各种运输工具所占的比例：年管道水运 公路 铁路总运量（亿吨）197548.0222.0628.421.5018.32197648.0221.8628.751.3719.45197747.9521.7228.941.3920.56197846.2423.6828.881.2021.24197946.6623.4528.681.2120.96198046.2125.5727.041.1819.92由上表看出，管道运输是原油和成品油的主要运输方式。我国已把管道、铁路、水路、公路 和空运并列为 5 种主要的运输方式。管道运输具有以下几点特点： 用量大，基建费用低（与铁路相比） 一条直径720的管道，全年用量2000万吨，相等于一条单线铁路的全年用量，而基建费用 仅为铁路的一半。 受外界限制少，可长期稳定连续运行，对环境的污染小。 车船受台风和气候的影响较大，而管道则基本上不受恶劣气候的影响。管道一般埋入地下一 米左右，泵站一般使用电力，无废气排放，对环境的噪音污染小。管线基本上采用密闭输送， 减少了油品的损耗。而铁路、船都很难做到密闭输送，沿途的呼吸损耗，特别是装卸时的呼 吸损耗很严重，而车船要排出废气，发出噪音，对环境污染很大。 便于管理，易于实现集中控制，劳动生产率高。一般来说，管线操作人员比铁路值班 人员要少的多。如美国一条长1600km的浆液管道影响和维护人员为325人，仅为相应铁路 运输工作人数的 1/6。 运价低，耗能少国外管输运价约为铁路的 1/6，能耗约为铁路的 1/7-1/12。在各种运输方式中，运价由低到 高依次为水运、管输、铁路、公路。 占地少，受地形限制少。管道全长地 95埋于地下，地面仍可耕种。管道比铁路更便于翻山越岭，穿越河流、湖泊。 铁路的坡度不得超过 0.003，而管道基本上不受限制，这样更便于取捷径，缩短运距。在起 终点相同的两地区，铁路长度一般比管道长3%左右。 管输适于大量、单向、定点的运输，不如铁路、公路运输灵活。四、我国输油管道概况1 。概况1958年以前，我国输油管道还是一个空白。 1958年，我国修建了第一条长输管道：克拉玛依独山子原油管道。随着我国石油工业的发展， 70 年代开始兴建大型输油管道， 主要是原油管道，到80年代末，我国铺设的百公里以上的原油长输管道20余条，管径为 159720,形成了具有一定规模的原油管网（参看挂图。） 在东北和华北地区，先后建成了庆铁线、铁大线、铁秦线、秦京线、铁扶线、抚鞍线和任京 线，形成了规模大的东北管网，担负了大庆油田、辽河油田、华北油田的原油外输任务。 在华东地区，先后建成了鲁宁线、濮临线、沧临线、中洛线、东临线、东黄线、东黄复线 东辛线、临济线，形成了规模较大的华东原油管网，担负了胜利油田、中原油田的原油外输 任务。另外，已经停止运行的任沧线实际上已将东北和华东两大管网连为一体。在华中地区，魏荆线担负了河南油田地原油外输任务。在华南地区，湛茂线担负了茂名石化 地供油任务。在内蒙境内还有阿赛线。在西北地区，马宁线担负了长庆油田地原油外输任务。花格线担负了青海油田地原油我是任 务。克独线担负了克拉玛依油田地原油我是任务。横跨青藏高原的格拉管道是我国第一条也 是唯一一条成品油管道。到1990年为止，我国油气管道总长已超过1.5万km。担负了 80%以上的原油外输任务。00% 的天然气外输任务。目前我国主要输油管道的概况见下表：线名起止地点管线长度（km）管径（mm）输油能力（万吨/年） 投产日期庆铁线林源铁岭515.87720X 8945001971.11庆铁复线 林源铁岭523.79720X 8945001974.9铁大线铁岭鲇鱼湾458.69720X 820001975.9铁秦线铁岭秦皇岛454.25720X 8920001973.9鲁宁线临邑仪征655.37720X 8920001978.7东临线东营临邑188.8529X 7810001977东黄复线 东营黄岛245.4711.2X7.148.74 20001986.72我国输油管道存在地问题我国管道工业与一些发达国家相比还比较落后。原苏联地管道运价约为铁路地1/21/4,美 国约为1/10，而我国与铁路运价差不多，甚至有些管线还高与铁路运价。这一方面是由于我 国原油多数魏易凝或高粘原油，必须采用加热输送，能耗大：另一方面是我们地技术落后， 管理水平低下。归纳起来存在以下几个问题： 对管道的前期工作重视不够，油气资源不落实，盲目建管道，造成管道利用率低。 以华东输油管网为例：华东管网担负胜利和中原油田地原油外输任务。目前这两个油田地原 油产量约为400百万吨/年，而华东管网地外输能力已达到6005万吨 /年，平均利用率只有 57，造成东黄、鲁宁两大输油动脉不能满足负荷运行。特别是中洛复线的建设更是极大的浪 费。中原油田当时产量6百万吨/年左右，实际外销也只有500万吨/年左右，原中洛线和濮 临线的外输能力为 600 万吨/年。河南省只考虑了本省的利益，借口洛阳炼厂扩建，在未作 可行性研究的情况下，由洛阳炼厂集资2亿多元，盲目修建了输油能力为500万吨/年的中 洛复线，该线于91 年建成， 92年投产，造成了极大的经济损失，由于输油量低，只能靠添 加剂维持输送。75年开始修建的川一沪输气管道更是一个典型的例子。原计划建一条直径1020长1800km 的输气管，计划输气 300 亿立方厘米/年，但由于气源不落实而告吹。当时四川的天然气还 不能满足本省需求。75年会战， 76年开始修公路， 79年完成了四川境内的管道铺设和长江 穿越工程，耗资数亿元。由于输油管道不能满足满负荷运行，造成输油成本很高，其原因为：a. 输量小，输油成本中固定资产折旧费占的比例很大。b. 热油管道，输油量越小，要求加热温度越高，且泵也会偏离高效区，使输油成本中能 耗费和劳务费用增加。 输油管道主要设备的性能和效率低下。钢管：我国目前使用的16Mn钢，承压能力低，再加上制管工艺不够完善，施工质量差，管 道变形等原因，只能使管子降级使用。如直径529X8 16Mn管线，操作压力一般应达5.0MPa, 但实际操作中只能使用到4.14.4MPa。目前国外多采用可焊性好的低合金高强度钢，如阿 拉斯加管道，输送压力可达8.2MPa。由于我国的管子承压较低，因而站间距较短，耗钢量 较多，投资较大。泵：目前我国输油主泵的效率一般在70%左右，国外可达85%。 加热炉：我国一般在75%左右，国外可达90%。长输管道是耗能大户，设备的效率至关重要。如东北管网，若泵效提高1%，全年可节省电 费近二百万元。 自动化水平低 管道系统自动化水平的高低是衡量管道技术水平高低的重要标志之一。目前，我国管道系统 自动化水平还很低，许多管道还不能实现集中控制和优化运行，操作人员和附属人员过多。 工艺流程落后。目前我国管道大部分仍采用旁接油罐流程，油气损耗严重，能量浪费 惊人。加上过去多采用先泵后炉流程，通过泵的油品的粘度大，导致泵效率降低，也造成一 定的动力浪费。3我国管道今后发展的方向 东部不会有大的建设任务，重点是完善、改造输油工艺，采用先进的工艺流程，实行 密闭输油和优化运行，提高管道的自动化水平和管理水平。 管道建设重点将向西部转移。由于西部人稀地广，自然条件差，需要增大泵站间距， 减少操作人员，提高自控水平。 发展成品油管道和浆体管道。目前我国成品油主要靠铁路和公路运输，运价高，且给 铁路运输造成很大压力，因此发展成品油管道系统将是我国管道建设的一个重点。第二节 管道的勘察、选线和设计步骤(参考第一章)(Exploration,route selection and design steps of pipelines) 大型输油管道的设计一般分为三个阶段(即所谓的三段设计)可行性研究(又叫方案设 计)，初步设计和施工图设计。1. 可行性研究(Feasibility Study) 一条新管线的建设首先要进行整体规划和可行性研究。“可行性研究的任务是根据国民经济 长期规划和地区规划、行业规划的要求，对建设项目在技术、工程和经济上是否合理和可行， 进行全面分析、论证，做出多方案比较，提出评价，为编制和审批设计任务书提供可靠的依 据。”可行性研究应包括工程项目的各项技术指标和经济条件，如： 油田的近、远期生产能力 管道的最佳工艺方案 线路的最佳路径方案 工程的主要设备材料及其来源 投资额及其来源、工期 逐年运行成本和利润、内部收益率、投资回收期等经济指标。在可行性研究之前，要进行实地踏勘(Survey)，了解沿线的地貌，选定一条或多条线路。 在国外，非常重视管道的可行性研究工作。在油田进行勘探开发的同时，就用勘探费用的 2%左右的资金，从高原油外输方案的可行性研究，所需时间约为612个月。2. 初步设计(Preliminary design)根据设计任务书确定线路走向，选择工艺方案和输油站，确定管道的铺设方式、保温和防腐 措施、管道穿跨越各种障碍的建设方案，全线的主要设备和材料。该间段要包括所有的计算 工作和其他附属工程的方案图等。为了进行初步设计，要进行初步设计勘察，并做工程概算。3.施工设计（detailing ）该间段的工作主要包括：组织施工图间断的勘察、修改或补充原初步设计，根据修改后的初 步设计进行线路设计和输油站设计，绘制施工图，并绘制出带状地形图和管线纵断面施工图。 同时做出工程预算。纵断面图示布置泵站的主要依据，在纵断面图上布置完泵站后，再到实际现场，检查是否 合理，并进行站址调整。纵断面图包括沿线地形标高、地貌（河流、公路、建筑物等）（幻灯片）注意：在纵断面图上，任一两点之间的实际距离等于着两点的横坐标之差。地形起伏只是 形象表示地形、地貌与实际地形图不同。也就是说管线的实际长度即为横坐标值。纵断面的画法：纵断面图要紧凑。一般横坐标（里程）比例要比纵坐标（高程）的比例小 的多。1.3 学习专业课应注意的几个问题 专业课与基础课不同。基础课有其特定的理论体系，而专业课特别使储运专业课，它没有自 己的理论体系，它使基础知识的综合应用。因此学习时应根据专业课的特点注意以下几个问 题：1. 善于思考，多提问题。把工程问题与相关的基础理论有机地联系起来。多问几个为什么？2. 努力培养自己地自学能力。根据专业课特点，有些内容可能不讲，也可能不完全按照教材 地顺序讲。因此大家一定要作好笔记。要求自学地部分，希望大家一定要看，并希望大家养 成查阅参考资料的习惯，从参考资料中丰实自己的知识。3. 认真独立地完成作业，杜绝抄袭作业的恶习。专业课习题有的是一项工程的缩影，作起 来比较繁，涉及的知识面广，做一道习题就是一次训练，只有独立完成，才能使你更好地掌 握解决问题的方法，加紧对所学知识的印象。作业我们尽量做到详尽批改，大家一定要写整 齐，否则就退回重做。另外每次作业都要给成绩，并以一定的比例计入总成绩，希望大家认 真对待。4. 本课程分三部分讲：等温输送，加热输送，顺序输送。每堂课后都要告诉大家下堂课要讲 的内容，希望大家提前预习。主要参考书：“复杂混合物在管道中的流动”戈威尔等编，中译本，1983 “高粘高凝原油和成品油管道输送”中译本，石油工业出版社，1987 教材（输油管道的设计与管理） “原油和油品管道的热力与水利计算”石油工业出版社，1986 “成品油顺序输送最优化”石油工业出版社，1989 “输油管道工作状态的调节”石油工业出版社，1989 “原油管道工程”曲慎扬编，石油工业出版社，1991 “含蜡原油流变性及管道输送”罗唐湖编，石油工业出版社，1991杂志：油气储运油田地面工程石油规划设计journal of pipeline5.0il and Gas Journal Pipeline Industry Pipe and pipeline Internalional国外油气储运