CN111369041B - 一种液相乙烷输送管道最优管径设计方法 - Google Patents
一种液相乙烷输送管道最优管径设计方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111369041B CN111369041B CN202010118765.0A CN202010118765A CN111369041B CN 111369041 B CN111369041 B CN 111369041B CN 202010118765 A CN202010118765 A CN 202010118765A CN 111369041 B CN111369041 B CN 111369041B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- pipeline
- liquid
- ethane
- phase
- pipe diameter
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- OTMSDBZUPAUEDD-UHFFFAOYSA-N Ethane Chemical compound CC OTMSDBZUPAUEDD-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 83
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 title claims abstract description 65
- 238000013461 design Methods 0.000 title claims abstract description 55
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 34
- 239000012071 phase Substances 0.000 claims abstract description 30
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 28
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims abstract description 17
- 238000005457 optimization Methods 0.000 claims abstract description 8
- 238000010276 construction Methods 0.000 claims description 23
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 claims description 22
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 claims description 10
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 9
- 238000009413 insulation Methods 0.000 claims description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 6
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 claims description 4
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 claims description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 3
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 3
- 230000009467 reduction Effects 0.000 claims description 3
- 238000004642 transportation engineering Methods 0.000 claims description 3
- 238000005086 pumping Methods 0.000 claims description 2
- 238000004321 preservation Methods 0.000 claims 1
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 18
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 abstract description 8
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 7
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 8
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 239000003208 petroleum Substances 0.000 description 3
- ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N Propane Chemical compound CCC ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000010779 crude oil Substances 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 238000007726 management method Methods 0.000 description 2
- 239000012533 medium component Substances 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N Ethene Chemical compound C=C VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000005977 Ethylene Substances 0.000 description 1
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000013064 chemical raw material Substances 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000003209 petroleum derivative Substances 0.000 description 1
- -1 polyethylene Polymers 0.000 description 1
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 1
- 239000001294 propane Substances 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 230000005514 two-phase flow Effects 0.000 description 1
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06Q—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES; SYSTEMS OR METHODS SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G06Q10/00—Administration; Management
- G06Q10/04—Forecasting or optimisation specially adapted for administrative or management purposes, e.g. linear programming or "cutting stock problem"
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
- F17D—PIPE-LINE SYSTEMS; PIPE-LINES
- F17D1/00—Pipe-line systems
- F17D1/08—Pipe-line systems for liquids or viscous products
- F17D1/082—Pipe-line systems for liquids or viscous products for cold fluids, e.g. liquefied gas
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
- F17D—PIPE-LINE SYSTEMS; PIPE-LINES
- F17D1/00—Pipe-line systems
- F17D1/08—Pipe-line systems for liquids or viscous products
- F17D1/086—Pipe-line systems for liquids or viscous products for explosives
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06Q—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES; SYSTEMS OR METHODS SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G06Q10/00—Administration; Management
- G06Q10/20—Administration of product repair or maintenance
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06Q—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES; SYSTEMS OR METHODS SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G06Q30/00—Commerce
- G06Q30/02—Marketing; Price estimation or determination; Fundraising
- G06Q30/0283—Price estimation or determination
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06Q—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES; SYSTEMS OR METHODS SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G06Q50/00—Information and communication technology [ICT] specially adapted for implementation of business processes of specific business sectors, e.g. utilities or tourism
- G06Q50/06—Energy or water supply
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Business, Economics & Management (AREA)
- Economics (AREA)
- Strategic Management (AREA)
- Human Resources & Organizations (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Marketing (AREA)
- Development Economics (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Business, Economics & Management (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Entrepreneurship & Innovation (AREA)
- Tourism & Hospitality (AREA)
- Water Supply & Treatment (AREA)
- Public Health (AREA)
- Operations Research (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Quality & Reliability (AREA)
- Game Theory and Decision Science (AREA)
- Accounting & Taxation (AREA)
- Finance (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Primary Health Care (AREA)
- Pipeline Systems (AREA)
Abstract
本发明公开了一种液相乙烷输送管道最优管径设计方法，属于天然气管道设计技术领域。步骤一，收集液相乙烷输送管道的基础数据；步骤二，建立以液相乙烷输送管道年折合费用最低为目标函数，包含乙烷相变约束在内的乙烷输送管道最优管径设计模型；步骤三，确定优化参数及其可行域；步骤四，对液相乙烷管道设计参数进行计算；步骤五，得到目标函数值；步骤六，改变优化参数得到目标函数值集合，通过经济比较得到最小值，所对应管径即为最优管径。本发明提出的液相乙烷输送管道设计方法具有计算流程清晰、操作方便、计算速度快的特点，为液相乙烷输送管道的安全、经济高效设计和运行管理提供指导。
Description
技术领域
本发明属于天然气管道设计技术领域，尤其涉及一种液相乙烷输送管道最优管径设计方法。
背景技术
乙烷是一种重要的化工原料，可用于合成乙烯、聚乙烯等产品。对于大量乙烷的长距离陆上输送，管道输送是最方便和经济的输送方式。目前，国内外尚未形成液相乙烷输送管道的设计标准和规范，对于液相乙烷管道的最优管径设计研究鲜见于报道，其设计主要参考天然气、石油制品输送管道的相关标准。
现有的天然气石油输送管道最优管径设计方法流程为：第一步，根据设计输量和输送介质的经济流速，初步得到输送管道直径，再根据管径制造标准取相近三个管径尺寸进行设计；第二步，根据所取的三种管径，利用水力热力公式，结合管道设计压力，最低进站压力等约束，得到壁厚，泵站数、热站数及位置，是否设置保温层等设计参数，最后形成三种设计方案；第三步，对三种方案进行经济比较得出最优设计方案，所对应的管径即为最优管径。
天然气石油管道在运输过程中，起点处于高压高温的状态，流体在输送中与管壁的摩擦会导致压力的损失使得输送压力从起点逐渐下降，与环境温度的传热会使得流体温度逐渐下降到环境温度。而流体到达输送终点处的压力(最低进站压力)要求不小于大气压力(0.101MPa)，才能保证正常输送，但是天然气石油输送管道长达几百公里，其流体压力损失很大，在输送中途压力就会降低到不能输送，不能满足最低进站压力要求，因此需要设置中间泵站/压缩机站增压。这种设计泵站/压缩机站依据的约束是管道最低进站压力约束。但是对于商品乙烷，其临界压力、临界温度分别约为4.9MPa和32℃，在常温输送下容易发生相变(例如当流体温度为10℃时，其临界压力为3.0MPa，当运行压力低于此压力时液相乙烷会发生相变)。如果按照现有设计方法，一旦乙烷发生相变的临界压力大于最低进站压力，会导致液相乙烷还未进站时压力就会降到临界压力以下从而产生相变，使得管道内变成气液两相流，形成引发管道气阻、段塞流等流动安全问题。因此现有的天然气原油管道最优管径设计方法的缺点就在于未考虑输送介质易相变的特性，故此方法不能适用于乙烷。所以需要开发一种新的设计方法对液相乙烷管道最优管径进行设计研究，避免液相乙烷发生相变，提高管道的经济性和安全性。为此，本发明提出了一种液相乙烷输送管道最优管径设计方法，提出了液相乙烷相变约束条件，既降低了施工成本，降低了能耗，又保证乙烷处于单相输送，为液相乙烷输送管道的安全、经济高效设计和运行管理提供指导。
发明内容
本发明提供了一种根据液相乙烷易相变的特性，引入液相乙烷相变约束，确定液相乙烷输送管道最优管径的方法，克服了现有天然气、原油管道最优管径设计方法无法适用于液相乙烷输送管道的设计问题。
上述的一种液相乙烷输送管道最优管径设计方法，包括以下步骤：
步骤一，收集液相乙烷输送管道的基础数据，包括输送介质组分、管道长度、管道输量、环境温度、最低进站压力，和经济数据，包括征地费用、管材费用、保温层费用、防腐层费用、中间站建设费用、维护费用、电价；
步骤二，建立以液相乙烷输送管道年折合费用最低为目标函数，包含液相乙烷相变、管道稳定性和管道强度约束在内的液相乙烷输送管道最优管径设计模型，具体模型如下所示：
目标函数如下式所示：
minF＝(FLi+FPi)·E+FLj+FPj+FPk (1)
式中：F——管道总费用，万元/年；
FLi——管道投资，万元；
FPi——建站投资，万元；
FLj——管道运行维护费用，万元/年；
FPj——泵站运行维护费用，万元/年；
FPk——能耗费用，万元/年；
E——折算系数，1/年。
目标函数中各部分具体内容如下所示：
(1)管道建设投资FLi
式中：a0——土地建设费用系数，万元/km；
a1——管道的施工费用系数，万元/(m.km)；
a2——管材的费用系数，万元/(t.km)；
a3——管道的外防腐费用系数，万元/m2；
D——管道的外径，m；
δ——管道壁厚，m；
ρ——管材密度，t/m3；
L——管道长度，km；
DB——保温层外直径，m；
aw——保温层价格，万元/m3；
i——第i节管道；
m——管道节点数。
(2)管道维护费用FLj
式中：c0——管道的年运行维护因子；
y——管道的设计寿命，年；
i——管道运行第i年。
(3)泵站建设投资FPi
式中：b0——站场的建设费，万元；
b1——与设备功率有关的设备投资系数，万元/kW；
N——泵站功率，kW；
i——第i座泵站；
n——泵站数量。
泵站功率N可按下式计算：
式中：Qi——输送温度下，第i站泵的排量，m3/s；
ρl——输送温度下的液体密度，kg/m3；
H——输量Qi时泵的扬程，液柱m；
ηi——输量Qi时泵的效率。
(4)泵站维护费用FPj
式中：c1——站场的年运行维护因子；
y——站场的设计寿命，年；
i——站场运行第i年。
(5)能耗费用FPk
式中：η——能耗附加系数；
Y——电价，元/(kW·h)；
Hd——年运行天数，d；
i——第i座泵站；
n——泵站数量。
(6)折算系数E
式中：y——管道的设计寿命，年；
i——内部收益率，一般取为0.12～0.15。
约束条件如下所示：
(7)相变约束条件
相变约束是指，液相乙烷在输送工程中任一点温度所对应的压力要大于该温度所对应乙烷发生相变的临界压力。约束条件如下式所示：
Pbubble<Px (9)
式中：Px——管道某一温度所对应的运行压力；
Pbubble——该温度所对应的输送乙烷的临界压力。
(8)强度约束
在管道运行过程中，管道运行压力必须小于等于管道的最大允许操作压力。管道强度约束具体形式如下式所示：
式中：P——管道的设计压力，取起点压力的1.2倍；
σs——管材最低屈服强度，MPa；
F——强度设计系数；
t——温度折减系数。
(9)管道稳定性约束
长距离液相管道在埋地时需要考虑管道横截面向的失稳，稳定性约束条件如下式：
式中：Ep——管径与壁厚的比例限制值，一般取80～120之间。
步骤三，确定优化参数，包括管道材料、起点压力、管道直径、是否设置保温层及其厚度，及各个参数的可行域；
步骤四，根据步骤一中的基础数据和步骤三的优化参数，在参数的可行域任意选取一组参数，通过水力热力公式(12)、(13)计算管道运行的压降和温降，再结合步骤二中的约束条件对整条液相乙烷管道进行计算，得到管径、泵站数、增压功率、保温层等参数，形成一组设计方案；水力计算公式：
式中：h——管道沿程摩阻损失，m(液柱)；
Q——管道输量，m3/s；
ν——管道介质的运动粘度，m2/s；
d——管道内径，m；
β、m——与流态有关的常数。
热力计算公式：
TL＝(T0+b)+[TR-(T0+b)]e-aL (13)
式中：TL——距起点L处温度，℃；
TR——管道起点温度，℃；
T0——周围介质温度，℃；
a、b——热力参数。
步骤五，将步骤四计算所得的参数带入到步骤二中的目标函数(2)～(7)中得到目标函数值Q1；步骤六，通过改变步骤三中的优化参数，即在可行域中选取另一组数据，再进行步骤四和步骤五的计算。循环此步骤直到可行域中数据选择完，可得到n组的目标函数值{Q1，Q2，…，Qn}，通过比较得到最小目标函数值Qmin，所对应方案的管径即为最优管径。
本发明由于采取以上技术方案，可以达到以下有益效果：
建立以液相乙烷输送管道优化最优管径设计模型，增加了液相乙烷相变约束条件，能够得到液相乙烷管道设计的最优管径，保证液相乙烷在输送过程中不会发生相变，从而避免出现管道气阻、段塞流等流动安全问题。本发明方法计算流程清晰、操作方便、计算速度快，计算结果符合实际情况，为液相乙烷管道的设计提供了可靠的依据。
附图说明
图1为本发明计算液相乙烷输送管道最优管径设计方法步骤图。
图2为本发明计算液相乙烷输送管道最优管径设计方法步骤四流程图。
图3为本发明计算液相乙烷输送管道最优管径设计方法具体实施方式验证图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。
本发明提供一种液相乙烷输送管道最优管径设计方法，该方法包括以下步骤：
步骤一，收集液相乙烷输送管道的基础数据，包括输送介质组分、管道长度、管道输量、环境温度、最低进站压力，和经济数据，包括征地费用、管材费用、保温层费用、防腐层费用、中间站建设费用、维护费用、电价；
步骤二，建立以液相乙烷输送管道年折合费用最低为目标函数，包含液相乙烷相变、管道稳定性和管道强度约束在内的乙烷输送管道最优管径设计模型，具体模型如下所示：
目标函数如下式所示：
minF＝(FLi+FPi)·E+FLj+FPj+FPk (14)
式中：F——管道总费用，万元/年；
FLi——管道投资，万元；
FPi——建站投资，万元；
FLj——管道运行维护费用，万元/年；
FPj——泵站运行维护费用，万元/年；
FPk——能耗费用，万元/年；
E——折算系数，1/年。
目标函数中各部分具体内容如下所示：
(1)管道建设投资FLi
式中：a0——土地建设费用系数，万元/km；
a1——管道的施工费用系数，万元/(m.km)；
a2——管材的费用系数，万元/(t.km)；
a3——管道的外防腐费用系数，万元/m2；
D——管道的外径，m；
δ——管道壁厚，m；
ρ——管材密度，t/m3；
L——管道长度，km；
DB——保温层外直径，m；
aw——保温层价格，万元/m3；
i——第i节管道；
m——管道节点数。
(2)管道维护费用FLj
式中：c0——管道的年运行维护因子；
y——管道的设计寿命，年；
i——管道运行第i年。
(3)泵站建设投资FPi
式中：b0——站场的建设费，万元；
b1——与设备功率有关的设备投资系数，万元/kW；
N——泵站功率，kW；
i——第i座泵站；
n——泵站数量。
泵站功率N可按下式计算：
式中：Qi——输送温度下，第i站泵的排量，m3/s；
ρl——输送温度下的液体密度，kg/m3；
H——输量Qi时泵的扬程，液柱m；
ηi——输量Qi时泵的效率。
(4)泵站维护费用FPj
式中：c1——站场的年运行维护因子；
y——站场的设计寿命，年；
i——站场运行第i年。
(5)能耗费用FPk
式中：η——能耗附加系数；
Y——电价，￥/(kW·h)；
Hd——年运行天数，d；
i——第i座泵站；
n——泵站数量。
(6)折算系数E
式中：y——管道的设计寿命，年；
i——内部收益率，一般取为0.12～0.15。
约束条件如下所示：
(7)相变约束条件
相变约束是指，液相乙烷在输送工程中任一点温度所对应的压力要大于该温度所对应乙烷发生相变的临界压力。约束条件如下式所示：
Pbubble<Px (22)
式中：Px——管道某一温度所对应的运行压力；
Pbubble——该温度所对应的输送乙烷的临界压力。
(8)强度约束
在管道运行过程中，管道运行压力必须小于等于管道的最大允许操作压力。管道强度约束具体形式如下式所示：
式中：P——管道的设计压力，取起点压力的1.2倍；
σs——管材最低屈服强度，MPa；
F——强度设计系数；
t——温度折减系数。
(9)管道稳定性约束
长距离液相管道在埋地时需要考虑管道横截面向的失稳，稳定性约束条件如下式：
式中：Ep——管径与壁厚的比例限制值，一般取80～120之间。
步骤三，确定优化参数，包括管道材料、起点压力、管道直径、是否设置保温层及其厚度，及各个参数的可行域；
步骤四，根据步骤一中的基础数据和步骤三的优化参数，在参数的可行域任意选取一组参数，通过水力热力公式(12)、(13)计算管道运行的压降和温降，再结合步骤二中的约束条件对整条液相乙烷管道进行计算，得到管径、泵站数、增压功率、保温层等参数，形成一组设计方案；水力计算公式：
式中：h——管道沿程摩阻损失，m(液柱)；
Q——管道输量，m3/s；
ν——管道介质的运动粘度，m2/s；
d——管道内径，m；
β、m——与流态有关的常数；
热力计算公式：
TL＝(T0+b)+[TR-(T0+b)]e-aL (26)
式中：TL——距起点L处温度，℃；
TR——管道起点温度，℃；
T0——周围介质温度，℃；
a、b——热力参数。
步骤五，将步骤四计算所得的参数带入到步骤二中的目标函数(2)～(7)中得到目标函数值Q1；步骤六，通过改变步骤三中的优化参数，即在可行域中选取另一组数据，再进行步骤四和步骤五的计算。循环此步骤直到可行域中数据选择完，可得到n组的目标函数值{Q1，Q2，…，Qn}，通过比较得到最小目标函数值Qmin，所对应方案的管径即为最优管径。
下面结合具体实例对本发明的应用原理作进一步描述。
例：TLM管道的液相乙烷的成分为96％乙烷，2％甲烷，2％丙烷，管道总长度为200km，管道输量为2286t/d，起点温度为293.15K，环境温度为283.15K。以本发明所给出的方法，计算液相乙烷管道的最优管径。
步骤一，收集TLM管道的基础数据：输送乙烷的组成为2％CH4，96％C2H4，2％C3H8；管道总长度为200km，管道输量为2286t/d，起点温度为293.15K，环境温度为283.15K，其余基本参数见下表。
| 基本参数 | 参数取值 |
| 泵机效率 | 0.75 |
| 年工作日 | 350 |
| 管道设计寿命 | 20年 |
| 土地建设费用系数 | 52.0639万元/km |
| 管道施工费用系数 | 0.8244683万元/(mm.km) |
| 管材费用系数 | 0.62万元/t |
| 外防腐费用系数 | 8万元/(mm.km) |
| 内涂层费用系数 | 4万元/(mm.km) |
| 站场建设费用 | 588.9万元 |
| 与功率有关的设备投资系数 | 1.36万元/kW |
| <![CDATA[管道的年运行维护因子c<sub>0</sub>]]> | 0.02 |
| <![CDATA[站场的年运行维护因子c<sub>1</sub>]]> | 0.02 |
步骤二，建立液相乙烷管道最优管径设计模型。
步骤三，确定优化参数为管道材料、起点压力、管道直径、是否设置保温层及其厚度，其可行域分别为：{管道材料|L245，L360，20#，L415，L485}、{起点压力，MPa|5，6，7，8，9}、{管道直径D，mm|100<D<1000，D∈Z}、{保温层厚度，mm|0，10，20，30，40}，确定第一种方案为：管道材料为L245钢，起点压力为6.0MPa，管道直径300mm，不设置保温层。
步骤四，根据步骤一、步骤三中的基础数据通过水力热力公式再结合步骤二中的约束条件对整条液相乙烷管道的参数进行计算，得到该条件下的计算结果如下所示，管道直径300mm，壁厚为10.2mm，中间站数为1，泵机功率127kW，不设置保温层。
步骤五，将步骤四计算所得参数带入到步骤二中的目标函数中得到目标函数值，即第一种方案管道建设年折合费用为Q1＝1.2044亿元。
步骤六，通过改变步骤三中的优化参数(管道材料、起点压力、管道直径、保温层)，即在可行域中选取另一组数据，再进行步骤四和步骤五的计算。循环此步骤直到可行域中数据选择完，可得到n组的目标函数值{Q1，Q2，…，Qn}，部分数据如下表所示，通过比较得到最小目标函数值Qmin，所对应方案的管径即为最优管径。
结合上表可知，该液相乙烷管道的最优管径为250mm。而本方法改进的地方见说明书附图3。图(a)、图(b)中A-B-C的过程是一致的，A-B-C是管道温度压力变化过程，C-A和D-A是管道增压过程。
图中A点是管道起点，此时压力温度处于最高点，然后沿着管道运行(此过程流体压力温度逐渐下降)到B点，此时温度刚好降到环境温度。继续运行(此过程流体压力逐渐下降，温度保持环境温度不变)直到C点，此时介质温度为环境温度，压力为该温度对应的临界压力。当采用本发明的设计方法，如图(a)所示，管道运行到C点时，由于液相乙烷相变约束，管道会进行增压，保证乙烷处于液相状态；当采用现有的设计方法，如图(b)所示，管道运行到C点之后，由于没有液相乙烷相变约束条件，会运行到D点，此时乙烷会由液相变为气相，导致泵不能工作，增加运行风险。
因此，本发明提出的液相乙烷输送管道最优管径设计方法填补了国内设计的空白，弥补了现有设计方法不适用乙烷的缺点，具有计算流程清晰、操作方便、计算速度快、当地建设实际的特点，为液相乙烷输送管道的安全、经济高效设计和运行管理提供指导。
Claims (2)
1.一种液相乙烷输送管道最优管径设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，收集液相乙烷输送管道的基础数据和经济数据；
步骤二，建立以液相乙烷输送管道年折合费用最低为目标函数，包含乙烷相变约束的乙烷输送管道最优管径设计模型；
所建立的乙烷输送管道最优管径设计模型如下所示：
目标函数如下式所示：
F＝(FLi+FPi)·E+FLj+FPj+FPk (1)
式中：F——管道总费用，万元/年；
FLi——管道投资，万元；
FPi——建站投资，万元；
FLj——管道运行维护费用，万元/年；
FPj——泵站运行维护费用，万元/年；
FPk——能耗费用，万元/年；
E——折算系数，1/年；
目标函数中各部分具体内容如下所示：
(1)管道建设投资FLi
式中：a0——土地建设费用系数，万元/km；
a1——管道的施工费用系数，万元/(m.km)；
a2——管材的费用系数，万元/t；
a3——管道的外防腐费用系数，万元/m2；
D——管道的外径，m；
δ——管道壁厚，m；
ρ——管材密度，t/m3；
L——管道长度，km；
DB——保温层外直径，m；
aw——保温层价格，万元/m3；
i——第i节管道；
m——管道节点数；
(2)管道维护费用FLj
式中：c0——管道的年运行维护因子；
y——管道的设计寿命，年；
i——管道运行第i年；
(3)泵站建设投资FPi
式中：b0——站场的建设费，万元；
b1——与设备功率有关的设备投资系数，万元/kW；
N——泵站功率，kW；
i——第i座泵站；
n——泵站数量；
泵站功率N可按下式计算：
式中：Qi——输送温度下，第i座泵站的排量，m3/s；
ρl——输送温度下的液体密度，kg/m3；
H——输量Qi时泵的扬程，液柱m；
ηi——输量Qi时泵的效率；
(4)泵站维护费用FPj
式中：c1——站场的年运行维护因子；
y——站场的设计寿命，年；
i——站场运行第i年；
(5)能耗费用FPk
式中：η——能耗附加系数；
Y——电价，元/(kW·h)；
Hd——年运行天数，d；
i——第i座泵站；
n——泵站数量；
(6)折算系数E
式中：y——管道的设计寿命，年；
i——内部收益率，一般取为0.12～0.15；
约束条件如下所示：
(7)相变约束条件
相变约束是指，液相乙烷在输送工程中任一点温度所对应的压力要大于该温度所对应乙烷发生相变的临界压力，约束条件如下式所示：
Pbubble<Px (9)
式中：Px——管道某一温度所对应的运行压力；
Pbubble——该温度所对应的输送乙烷的临界压力；
(8)强度约束
在管道运行过程中，管道运行压力必须小于等于管道的最大允许操作压力；管道强度约束具体形式如下式所示：
式中：P——管道的设计压力，取起点压力的1.2倍；
σs——管材最低屈服强度，MPa；
F——强度设计系数；
t——温度折减系数；
(9)管道稳定性约束
长距离液相管道在埋地时需要考虑管道横截面向的失稳，稳定性约束条件如下式：
式中：Ep——管径与壁厚的比例限制值，一般取80～120之间；
步骤三，确定优化参数，包括管道材料、起点压力、管道直径、是否设置保温层及其厚度，及各个参数的可行域；
步骤四，根据步骤一中的基础数据和步骤三的优化参数对整条液相乙烷管道进行计算，得到管径、泵站数、增压功率、保温层参数，形成一组设计方案；
步骤五，将步骤四所得的参数带入到步骤二中的目标函数中得到目标函数值Q1；
步骤六，通过改变步骤三中的优化参数，即在可行域中选取另一组数据，再进行步骤四和步骤五的计算；循环此步骤直到可行域中数据选择完，可得到n组的目标函数值{Q1，Q2，…，Qn}，通过比较得到最小目标函数值Qmin，所对应方案的管径即为最优管径。
2.如权利要求1所述的一种液相乙烷输送管道最优管径设计方法，其特征在于，设计输送管道的最优管径时，增加了液相乙烷相变约束条件，防止乙烷在管道中从液相转变为气相，保证管道运行安全。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010118765.0A CN111369041B (zh) | 2020-02-25 | 2020-02-25 | 一种液相乙烷输送管道最优管径设计方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010118765.0A CN111369041B (zh) | 2020-02-25 | 2020-02-25 | 一种液相乙烷输送管道最优管径设计方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111369041A CN111369041A (zh) | 2020-07-03 |
| CN111369041B true CN111369041B (zh) | 2023-04-07 |
Family
ID=71208227
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010118765.0A Active CN111369041B (zh) | 2020-02-25 | 2020-02-25 | 一种液相乙烷输送管道最优管径设计方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111369041B (zh) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103324989A (zh) * | 2013-05-29 | 2013-09-25 | 杭州电子科技大学 | 一种城市供水管网优化方法 |
| CN110513600A (zh) * | 2019-09-06 | 2019-11-29 | 中国石油工程建设有限公司 | 一种气态乙烷管道末端流动保障系统及方法 |
| CN110805831A (zh) * | 2019-11-12 | 2020-02-18 | 西南石油大学 | 一种液相乙烷管道放空液的回收工艺及装置 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107886182B (zh) * | 2016-09-30 | 2022-03-01 | 中国石油化工股份有限公司 | 油田集输系统优化设计方法及装置 |
-
2020
- 2020-02-25 CN CN202010118765.0A patent/CN111369041B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103324989A (zh) * | 2013-05-29 | 2013-09-25 | 杭州电子科技大学 | 一种城市供水管网优化方法 |
| CN110513600A (zh) * | 2019-09-06 | 2019-11-29 | 中国石油工程建设有限公司 | 一种气态乙烷管道末端流动保障系统及方法 |
| CN110805831A (zh) * | 2019-11-12 | 2020-02-18 | 西南石油大学 | 一种液相乙烷管道放空液的回收工艺及装置 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| 王敏捷,姜淑兰,王勇,李发荣.世界管道工程建设综述.国外油田工程.2005,(07),第26-32页. * |
| 王玉柱 ; 陈欢 ; 张新庆 ; 孙凤枝 ; 赵建彬 ; 王军伟 ; .长距离乙烷外输管道输送方案研究.天然气与石油.2019,(06),第37-42页. * |
| 陈俊文 ; 刘鑫 ; 汤晓勇 ; 谌贵宇 ; 郭艳林 ; .气态乙烷管道停输特性探讨.天然气与石油.2018,(05),第12-18页. * |
| 陈衍飞 ; 林冉 ; 朱英如 ; 陈由旺 ; .油气长输管道节能降耗技术综述.石油规划设计.2016,(02),第1-5页. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111369041A (zh) | 2020-07-03 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN1690360B (zh) | 一种海底天然气水合物的开采方法及系统 | |
| CN111310359B (zh) | 一种超临界乙烷长距离输送管道最优流速设计方法 | |
| CN104271807A (zh) | 涉及水的电解和二氧化碳氢化为甲烷的用于能量转换和产生的方法和系统 | |
| CN104390136A (zh) | 一种bog回收的方法和装置 | |
| CN106287221A (zh) | 一种液化天然气接收站蒸发气直接输出工艺和装置 | |
| CN106089107A (zh) | 一种耐磨、内衬耐压、防腐、纳米隔热复合油管 | |
| CN102444396B (zh) | 一种天然气生产方法 | |
| CN111369041B (zh) | 一种液相乙烷输送管道最优管径设计方法 | |
| CN105863762B (zh) | 一种利用液化天然气冷能发电的工艺系统及方法 | |
| CN100436932C (zh) | 一种脱水超稠油管道输送方法及配套装置 | |
| CN109539636B (zh) | 一种带走风冷箱冷凝器热量的方法 | |
| CN207555202U (zh) | 一种lng冷能回收汽化器 | |
| CN205939928U (zh) | 一种回收lng槽车bog的撬装式液化装置 | |
| CN107469367B (zh) | 一种可回收能量的液氨蒸发装置及方法 | |
| CN113673746A (zh) | 一种基于成品油优化配泵的变时间步长建模方法 | |
| RU2088866C1 (ru) | Способ подготовки природного газа к транспорту | |
| CN220017009U (zh) | 一种提高lng热值的装置 | |
| Wanga et al. | Study on Calculation Method of Economic Velocity of Gas Phase Ethane Conveying Pipeline | |
| CN206504498U (zh) | Lng气化冷能冷库系统 | |
| CN221005039U (zh) | 一种锅炉除氧器排空汽回收系统 | |
| CN104197123B (zh) | 可多次修复降磨防腐复合管的制造方法 | |
| CN209839674U (zh) | 高压天然气收集直充系统 | |
| CN210332591U (zh) | 苯乙烯制备装置中苯烷基化反应的进料系统 | |
| CN217953240U (zh) | 地层储能发电系统 | |
| CN213176442U (zh) | 一种耐腐蚀的汽车传动轴用精密冷轧钢管 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Jia Wenlong Inventor after: Hu Xinyi Inventor after: Zhang Yuanrui Inventor after: Li Changjun Inventor after: Wu Xia Inventor before: Jia Wenlong Inventor before: Zhang Yuanrui Inventor before: Li Changjun Inventor before: Wu Xia Inventor before: Hu Xinyi |
|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |