吴水平

(长岭炼化岳阳工程设计有限公司,湖南 岳阳 414000)

管道负责介质的输送，是过程工业重要的组成部分，管道投资占建设投资的20%～30%。因此管径的选择对装置建设投资有着重要的影响。管道根据输送距离可分为长输管道和装置内管道。长输管道输送距离通常在50km以上，采用埋地输送；装置内管道通常距离较短，管道阻力小，参考书中已归纳出不同工况下的经济管径的选择方法。随着石化工业的发展，炼厂之间互送原料或炼厂与码头之间的物料输送的管道逐渐增多，这类管道一般在15公里左右，输送的介质较多，且一般采用管架敷设，土建费用占总投资比例较高，管道阻力是影响操作费用的主要因素，因此，可将这类管道称为长距离输送管道。由于其特殊性，原有的长输管道和装置内管道管径选择经验数据均不适用与长距离管道的管径选择。针对上述问题，本文结合实例，总结出了长距离管道管径优化的方法。

2 管径优化方法

2.1 长距离输送管道工程优化的变量分析

工程项目的优化主要考虑两方面因素，分别为固定投资和操作费用，在装置使用期限内，操作费用和固定投资折旧之和最小时，工程项目即达到最优。针对长距离输送管道工程，固定投资主要包含管道费用和土建费用；操作费用则源于克服管道摩擦阻力损失的动力消耗。

管道费用由管径和壁厚决定，土建费用则由管架数量决定。影响管架数量的主要因素是管架的间距，而管架间距根据管道的最大跨距确定，在操作工况确定的情况下，管径成为影响管道跨距的主要因素。因此，管道管径的选择对土建费用有着重要影响，尤其是管架上管径最小的管道。

操作费用由管道阻力决定。在一定范围内，随着管径的增大，流速减慢，管道阻力降低，操作费用也随之降低；反之，随着管径的减小，操作费用将增大。因此，管径对操作费用也有重要影响。

综上所述，管径不仅决定了管道费用，同时也决定了操作费用，在某些情况下甚至对土建费用也有重要影响。因此，长距离输送管道工程优化设计的关键为管径的选择。

2.2 长距离输送管道工程优化方法

优化方法可分为以下几个步骤：(1)根据经验数据初选流速；(2)计算管道压降，压降合理则进行下一步，若不合理则需再另选管径；(3)计算管道压降所需泵轴功率(其它因素可暂不考虑)；(4)确定管架跨距；(5)选择比初选管径大(小)1级管道，并从第2步重新计算，然后，将得到的数据整理成综合评价表，具体如下图1所示。

图1 优化方法的步骤

3 工程实例

3.1 工程概况

下面以已经施工的某工程为例，对其管径进行优化计算，得到综合费用评价表，看现有管径的选择是否合适。此工程需新敷设4根管道，4根管道设计参数如果表1 所示。

表1 管道基本参数

3.2 管径的选择

可以看到乙苯管径最小，同时也是影响管架设置的一个重要因素，为此，以乙苯为例，对其管径进行计算，看不同管径的综合费用有何变化。

3.2.1 初选管径

根据经验数据选择流速为1.5m/s，管道内径由下面公式计算：

qv——在操作条件下流体的体积流率，m3/h；

u——流体的流速，m/s；

修正后的流速为u=1.16 m/s。

3.2.2 计算管道压力降

流体在管道中流动时的压力降可分为直管压力降和局部障碍压力降，即：

△Pp=△Pf+△Pt

式中:△Pp——管道压力降，kPa；

△Pf——直管压力降，kPa；

△Pt——局部压力降，kPa。

(1)直管压力降可按下式计算：

式中：L——直管长度，m；

λ——摩擦系数。

摩擦系数λ可由计算雷诺数和查相对粗糙度后，用图表法得出：

式中：Re——雷诺数；

ρ——流体密度，kg/m3；

u——流体动力粘度，cP；

u——流体的流速，m/s；

于是查图可得：λ=0.026

(2)局部阻力的计算：

局部阻力的计算可用当量长度法，本处阻力可只考虑按600个90度弯头、6个阀门，其它阻力可不计，其当量长度为： Le=(40×600+7×6) ×0.078=1875。

(3)总压降的计算：

3.2.3 确定管径

管道的百米压降为：19.4 kPa，在合理范围之内，因此管径选用DN80是可行的。

3.3 管路压降需要的泵轴功率

管路压降需要的泵轴功率为(效率按50%选取)：

式中:W——泵轴功率，kW;

△Pp——管道压力降，kPa；

V——介质体积流量，m3/h；

η——泵效率；

计算可得管路压降需要泵轴功率为：34.86kW。

3.4 管架最大间距的选取

因DN80(Sch40)管道的允许最大跨距是7.67m，考虑是在野外，并为施工时调整个别管架留有空间，在地势比较平坦的地方(如农田)，管架的跨距可定为7m，在高差或水平变向的地方管架间距需相应缩短。

3.5 不同管径综合费用评价

按一般程序，在初选管径-核算压降-确定管径-计算泵轴功率-确定管架跨距之后，整个选型就算结束了，但这是不是综合费用最优的管径呢，就得对多种可能的管径的综合费用进行对比才能得出。

以上选定管径是DN80，所以选择DN50与DN100作对比，看看有没有更优选择。在相同流量下，按以上计算方法，可得到这两种管径的相关参数，同时也将各管径需要的管道重量列出，见下表2。

表2 各管径计算所得参数

从上表可以看出，管径为DN50压降太大不合适，而选用管径DN100的压降较小，但同时其管材用量也较大，不过管架最大间距可增加1米。理论上，沿线14300m长，可节省管架个数=(14300/7-14300/8)≈255，考虑现场情况特殊，按可节省管架120个考虑。当然管架距离的设置还要考虑预留因素，这里只做理论计算，不同工况不尽相同。

两种管径的综合评价表见下表3。

表3 综合费用评价

由表3可以看出虽然管径扩大后管材费用有所增加，但也可节省管架费用，使用较大管径则使流速降低，进而降低了管路压降，泵的轴功率也可相应减小，节省了操作费用。从建设当年来看综合费用还不如选用DN80管径省，但5年后即可看出效益，而10年后则可节省近90万，这还只是简单计算，并没有考虑泵的价格及泵的实际电机功率的选用，因此选用管径DN100比DN80更合适。

4 结论

(1)通过分析长距离管道工程的固定投资和操作费用，确定了管径为长距离输送管道工程优化设计的关键变量，并提出了最优管径的确定方法。

(2)采用本文所提方法对某工程乙苯输送管道进行优化，并最终确定选用较大管径管道，虽管道投资增加98.15万元(包括建设费用)，但至少节省管架120榀(约72万元)，节省电耗22.06kW(折合11.12万元/年)，其长远经济效益非常可观。

(3)结果表明，对长距离管道工程进行管径优化是非常必要的，每根长距输送管道都应进行综合费用评价，以选择最优管径。