原油管道基础知识.

原油管道基础知识管道运输是一种经济、安全、有效的运输方式自1865年美国建成第一条输油管道以来已经有一百多年的历史。近几十年来管道运输在世界范围内有了飞速发展目前干线管道总长度已超过280万千米。管道运输是原油和成品油最主要的运输方式与公路、铁路、水路、航空统称为五大运输行业。原油管道运输与其它运输方式相比具有以下优点运输量大。便于管理，易于实现全面自动化劳动生产率高。能耗少运费低。运输距离短。安全可靠、能够长期连续稳定运行。但是管道运输由于自身的特殊性也有一些不足之处它适合于定点、量大、单种物质的单向运输不如公路、铁路和水路运行方式灵活同时管道一旦建成后还受最低输量的限制。一、原油基础知识天然石油即原油通常是褐色或黑色的在常温下呈流动或半流动的粘稠液体它常与天然气并存，由于原油的产地或油层位置的不同使原油的性质产生了差别。绝大多数原油的密度在08098KG/CM3之间，相对密度一般都小于1流动性的差别也很大。11原油的化学组成及分类原油不导电熔点和沸点都比较低不易溶解于水易燃烧。绝大多数原油都有很浓的臭味这是由于原油中含有一些有臭味的硫化物。通常将含硫化物大于2的原油称为高硫原油，低于05的称为低硫原油。介于052之间的称为含硫原油，对于含硫原油的输送必须要考虑它对管线及金属设备的腐蚀情况。111原油的组成原油主要是由碳、氢两种元素构成的其中碳和氢的质量分数分别是85、12左右，其余为硫、氮、氧和金属化合物碳和氢在原油中按一定的数量关系彼此结合成多种不同性质的碳氢化合物即是烃类化合物。烃类化合物是原油的主要组成部分约占原油总量的8090。原油中所含的烃类主要有正构及异构烷烃、环烷烃、芳香烃。原油内C16以上的正构烷烃称石蜡其熔点高于环境温度若管道输送温度过低将析出蜡晶并在管内壁结蜡。原油为胶体溶液常含有胶质、沥青质还有砂、各种盐类及金属腐蚀产物等。原油中硫、氮、氧等元素和碳、氢元素形成的含硫、含氮、含氧化合物统称为非烃类化合物。原油中非烃类化合物可达原油总量的1020。112原油分类根据原油的成分可把原油分为蜡基、沥青基、混合基三大类含蜡量高的原油称为蜡基原油。沥青质、胶质多的称为沥青基原油。介于两者之间的称为混合基原油。不同产地的原油物理化学性质也有差别。我们目前已开采出来的大多数原油都属于蜡基原油。习惯将含蜡高、凝固点高、粘度高的原油称为“三高”原油。12原油的理化性质原油的理化性质是评定原油质量控制原油输送的重要指标也是输油管道和站库设计的重要依据。了解和掌握原油的理化性质对于输油生产管理工作具有十分重要的作用。例如原油在管道输送时是采用等温输送工艺还是加热输送工艺、输油站建筑物的耐火等级、消防要求、输油设备的防腐都取决于原油的理化性质。121密度与相对密度密度是衡量原油及油品的质量指标之一。根据密度可划分油品的等级从而确定油品的销售价格。在计算原油的质量时必须先测出体积和密度然后计算其质量。密度是指单位体积物质的质量，原油在20C时的密度为原油的标准密度，单位符号为KG/CM3。温度对原油密度影响很大，温度升高，体积膨胀，密度减小温度降低，体积收缩，密度增大。密度通常不用绝对值而用规范化了的相对值来表示。122粘度原油在输送过程中通常处于流动状态粘度是评价原油流动性能的指标。在原油输送过程中，粘度的高低决定着流量和摩阻损失的大小，是决定输油管道运行能耗的重要参数之一。温度对原油的粘度影响很大，温度升高，粘度降低，相反，温度降低，粘度升高。原油的粘度可用动力粘度和运动粘度表示。在实际生产中较多地使用运动粘度。粘度的表示动力粘度P，运动粘度VT条件粘度。温度对粘度有极其重要的影响随着温度升高粘度迅速减小油品温度降低则粘度迅速增大。在说明原油或油品的粘度时,必须注明温度条件,否则粘度数据没有意义。油品粘度随温度变化的性质称为粘温性能。123比热容和发热值在不发生相变和化学变化的条件下,加热单位质量的物质时,温度升高1所吸收的热量,称为此物质的比热容。原油的比热容大约是水的05倍。当原油通过加热炉的温升一定时,原油的比热容越大,管道加热炉消耗的燃油越多。在其他条件相等时,原油的比热容越大管道输送时管中原油的温降越小。1KG固体或液体完全燃烧时所放出的总热量,称为该燃料的发热值124导热系数原油或成品油传导热量的能力用导热系数来表示，表示在单位时间内，当原油或成品油沿热流方向流动，使导热体两侧的温差变化为1时，通过单位长度所传导的热量。导热系数是进行油品传热计算的重要参数。125蜡熔点、析蜡点、凝点原油中的蜡指的是含16个碳原子以上的烃类。这些在常温下是固体的烃类在原油中处于溶解状态，随着温度降低，其溶解度降低，会析出一部分晶体，这种从原油中分离出来的固体烃类，在工业上称之为蜡。结蜡是指在管道内壁上逐渐沉积了某一厚度的石蜡、胶质、凝油、砂和其他机械杂质的混合物。影响管壁结蜡强度的因素油温的影响，在接近析蜡温度的高温或接近凝点的低温下输送时，管道中的结蜡均较轻微，但在二者中间却有一个结蜡严重的温度区域。影响管道结蜡多少的主要因素是原油的结蜡高峰温度区范围。油温及管壁温差的影响结蜡强度随油温壁温差的增大而增强。流速的影响随着流速的增大，管壁结蜡强度减弱。管壁越粗糙越易结蜡原油组成的影响当含蜡原油中同时含有胶质和沥青质时能加速形成密实的结蜡层原油中含水率越大蜡沉积速率降低原油中含砂或其他机械杂质会使结蜡强度增大。新管道刚开始运行时，结蜡速度最快，随运行时间延长结蜡增加速度逐渐减慢。相关概念蜡熔点蜡从固态变为液态时的温度称为蜡熔点。析蜡点原油析蜡点是分析管线结蜡情况确定原油出站温度和清蜡周期的依据之一。原油在静止状态下，开始析出固体蜡的温度称为该原油的析蜡点。不同产地的原油含蜡量不同，析蜡点也不同。一般情况下含蜡量高，蜡熔点高的原油，析蜡点也高。凝点在一定条件下，当原油的温度低于析蜡点，蜡晶开始析出，当温度继续降低析出的蜡晶互相联接，形成网络结构，从而使原油出现凝固现象，丧失流动性时的温度叫做原油的凝点。原油的凝固不同于水的凝固，不是简单地由液态转变为固态，而是转变成凝胶状。故凝固后的原油介于液体和固体之间。原油的凝点也是确定原油进出站油温的重要依据之一，当原油的凝点较高时常取进站油温略高于原油凝点35。在特殊情况下，也有取进站油温等于或低于原油凝点，但此时必须做好一切防范措施，防止管线凝管。原油凝点的高低，主要取决于原油的化学组成和含蜡量，一般含蜡量越多的原油其凝点也越高。两种含蜡量相近的原油，其它组分如胶质、沥青质含量的多少，也会影响凝点，一般含沥青质多的原油凝点低。126闪点、燃点、自燃点、爆炸极限原油及产品大部分用作燃料原油及油品又是很容易着火、爆炸的物质，因而研究与它们着火、爆炸、燃烧有关的性质如闪点、燃点及自燃点对原油和油品的安全储存、输送、炼制及产品应用有很重要的意义。闪点在标准条件下加热油品，油品蒸发出的蒸气与周围空气形成混合物，当油气浓度达到一定量时，以火焰接近，能自行闪火，闪火时间少于5秒，并立即熄灭的最低温度，称为该油品的闪点。不同原油有不同的闪点，一般在20100之间。闪点是油品的安全性指标，可燃液体的危险等级就是根据闪点划分的。由于原油的闪点很低，它和汽油一样被列入一级可燃品之列。燃点油品在标准条件下被加热到一定温度，逸出的油蒸气与空气形成的混合气当火焰接近时即发生燃烧，且着火时间不少于5秒钟的最低温度，称为该油品的燃点。燃点一般比闪点高20左右。自燃点在规定的条件下加热油品，外界无火焰，油品在空气中自行燃烧的最低温度称为该油品的自燃点。油品越轻，其沸点越低，则其闪点、燃点越低，但其自燃点却越高。重质油料比轻质燃料的火灾危险性大。爆炸极限当石油蒸气或可燃气体与空气混合达到一定的浓度时，一旦接触火源，这种混合气体就剧烈燃烧，发生爆炸。混合气能产生爆炸时，油品蒸气或可燃气在混合气中的最低比例称为爆炸下限。其最高比例称为爆炸上限。爆炸上限和爆炸下限间的浓度范围称为石油蒸气或可燃气体的爆炸极限。127油品的蒸气压和馏程原油油品在输送和储存的过程中由于蒸发引起各种各样的问题。如油品蒸发造成管路气阻以致油品装卸困难，油品中轻组分大量蒸发降低了油品的质量，增加了油品的蒸发损耗。油品蒸发易引起火灾，同时也会使人头晕、呼吸困难，甚至窒息死亡。而油品的蒸发性能通常用蒸气压和馏程两个性质来表示。蒸气压油品蒸气压是衡量其挥发性的重要指标。在同一温度下油品的蒸气与液相成平衡状态时所产生的压力，称为该油品的蒸气压。同一温度下蒸气压高的液体比蒸气压低的液体更容易气化。馏程在一定外压下油品的沸点随气化率增大而不断升高。所以油品的沸点不是一个温度点，而是一个温度范围，这个温度范围称为馏程。二、化验基础知识在输油泵站，需要进行原油含水、密度、凝点、粘度及温度等参数的测定。21原油化验分析中常用的玻璃仪器原油化验分析中使用的玻璃器皿有试管、烧杯、量筒、量杯、移液管、滴定管、蒸馏瓶、容量瓶、温度计、密度计、粘度计等。22油品化验221含水量的测定蒸馏法含水量测定仪器玻璃蒸馏烧瓶带有干燥管的直管冷凝器接收器电加热器。测定方法，在被测试样中加入溶剂使原油或油品的粘度减小，加热使油水密度差增加，这些都有利于沉降脱水。溶剂的沸点范围与水的沸点相吻合，在溶剂被蒸出同时也将水蒸出并破坏乳化膜使水能全部从油中分离出来。冷凝下来的水和溶剂在接收器连续分离，水沉降至接收器下部带刻度部分，溶剂返回蒸馏瓶中。最后读出接受器中水的体积并计算出试样中水的体积分数。222密度的测定密度测定仪器，密度计量筒，密度计，恒温浴。测定方法将均匀的试样小心地倾入量筒中，将量筒置入恒温水浴中。把温度计插入试样中并使水银温度计读数示值保持全浸。再将选好的、清洁干燥的石油密度计轻轻地放在试样中，应有充分的时间让石油密度计静止，使其达到平衡。即可读取密度计刻度值。读取密度计的刻度值后，应再次读取试验温度值。223凝点的测定凝点测定仪器试管、套管、水浴、温度计。测定方法将从水浴中取出的装有试样和温度计的试管装在套管中，装好的仪器垂直固定在支架的夹子上，并放在室温中静置，直至试管中的试样冷却到355为止。然后将这套仪器浸在装好冷却剂的容器中。当试样温度冷却到预期的凝点时，将浸在冷却剂中的仪器倾斜成为45度，并将这样的倾斜状态保持1分钟但仪器的试样部分仍要浸没在冷却剂内。找出凝点的温度范围液面位置从移动到不移动或从不移动到移动的温度范围之后，就采用比移动的温度低2或采用比不移动的温度高2，重新进行试验。如此重复试验，直至确定某试验温度能使试样的液面停留不动而提高2又能使液面移动时，就取使液面不动的温度作为试样的凝点。224粘度的测定粘度测定仪器粘度计、恒温浴、玻璃水银温度计、秒表。测定方法将粘度计调整成为垂直状态，将装好试样的粘度计浸在恒温浴内，经恒温后，利用毛细管粘度计吸入试样，观察试样在管身中的流动情况，用秒表记录流动时间，取不少于三次的流动时间所得的算术平均值，作为试样的平均流动时间。最后通过计算得到试样的运动粘度。225温度的测定温度测定仪器杯盒温度计，适合的容器。测定方法选择一个合格的适合容器内原油温度范围的全浸水银温度计放入杯盒中。将杯盒放入容器内指定的测温部位进行测温，测温部位是根据液面高度确定的。三、仪表及自动化自动化仪表是生产自动化系统最基础、最重要的组成部分之一，其可靠性和精度直接影响系统工作的可靠性和技术性能。工业自动化仪表是对生产过程中各种变量进行自动检测、显示、控制和执行仪表的总称。其中用于输油生产过程的仪表我们习惯上称作“输油生产过程自动化仪表”，它是实现输油生产过程自动化必不可少的技术工具。31检测仪表虽然检测仪表的结构、型式有多种多样但均是由传感器、变送器、显示器三大功能部件及连接通道组成。仪表的基本技术指标精确度，变差，防爆。检测仪表分类如下311压力测量仪表压力是指气体或液体垂直地作用于单位面积上的力。输油管道常用压力检测仪表有弹簧管压力表、压力变送器。压力表是一种借助弹性元件受压后产生位移通过机械传动放大机构带动指针在标度盘上指示压力的仪表。压力变送器是将压力信号转换为标准电信号的仪表，目前较为先进的有位移式的和扩散式半导体压力。312液位测量仪表液位检测仪表是检测液体的液面高度，液位检测总体上可分为直接检测和间接检测两种方法。直接测量，是一种最为简单、直观的测量方法它是利用连通器的原理将容器中的液体引入带有标尺的观察管中，通过标尺读出液位高度。间接测量，是将液位信号转化为其它相关信号进行测量如压力法、浮力法、电学法等。313温度测量仪表温度是表征物体冷热程度的物理量。在长输管道上，温度检测仪表一般采用接触式。现场就地指示仪表选用双金属温度计的居多，较少采用玻璃温度计。远传的温度检测仪表选用热电阻、热电偶。314流量测量仪表一般所讲的流量是指单位时间内流过管道某截面液体数量的大小，即瞬时流量。而在某一时段内流过管道的液体流量的总和，即瞬时流量在一段时间内的累积值称为总量。流量和总量可以用质量来表示，也可以用体积来表示。流量计是测量管道输送流体流量的仪表，流量计品种很多，可以归纳为四大类容积式流量计，速度式流量计，质量流量计，超声波流量计。目前原油管道主要使用的计量流量计是容积式流量计中的腰轮流量计、椭圆齿轮流量计、刮板式流量计和速度式流量计中的涡轮流量计。流量计的主要技术参数有、测量范围、公称通径、基本误差、公称工作压力、重复性、压力损失、稳定性、响应时间等。32自动化及控制系统自动化就是利用各种检测仪表、执行器、显示仪表、调节仪表、控制装置或计算机、通信技术等代替人们对生产过程进行自动检测、监视、控制和管理。321自动化控制基础自动化控制系统基本的控制单元由测量元件及变送器、调节器、执行器等组成。322SCADA系统SCADA是英文SUPERVISORYCONTROLANDDATAACQUISITION的缩写，即监督控制和数据采集系统。该系统是以计算机技术、网络技术和现代控制理论为基础的生产过程控制与调度自动化系统。系统通过对现场运行设备和工况的监督和控制，以实现数据采集、设备控制、状态检测、参数调节以及各类信号报警、历史数据查询等多项功能。SCADA系统的特点分级控制采用INTERNET技术采用了网络技术，把管线的生产和经营完整的结合起来管线生产更为安全，提高了环保水平改善了劳动条件，节省人力。以下以管道储运公司所管辖的某管线SCADA系统构成图为例简要介绍SCADA系统的构成。中心监控级徐州控制中心为主控制中心，通过控制权切换的方式，输油处监控中心也可完成徐州控制中心的任务。它的基本功能负责整个管线的调度和监控，对各站下达控制命令，全线生产协调控制，如水击控制、泄漏检测等。站控级站控由PLC、相应模块，AO、AI、DI、DO和通信接口及工作站组成。主要功能是模拟量、数字量的采集和控制，通讯，人机接口。现场仪表和执行系统现场仪表和执行系统主要有压力、温度、流量、液位、振动等参数的传感变送器调节阀、阀门等执行器。主要功能站内工艺过程进行监视、站内装置、设备、阀门的就地和远方操作。通讯站内通信采用有线通信如电缆、光纤等。输油站与监控中心采用光纤、卫星通信等电讯运营商信道。33调节阀调节阀又名控制阀，通过接受调节控制单元输出的控制信号，借助动力操作去改变流体流量。调节阀一般由执行机构和阀门组成。如果按其所配执行机构使用的动力，调节阀可以分为气动调节阀、电动调节阀、液动调节阀、自力式调节阀四种。另外按其功能和特性分，线性特性，等百分比特性及抛物线特性三种。调节阀的阀体种类很多常用的阀体种类有直通单座、直通双座、角形、隔膜、小流量、三通、偏心旋转、蝶形、套筒式、球形等。34泄压阀泄压阀又名安全阀，根据系统的工作压力能自动启闭，一般安装于封闭系统的设备或管路上保护系统安全。当设备或管道内压力超过泄压阀设定压力时，即自动开启泄压，保证设备和管道内介质压力在设定压力之下，保护设备和管道，防止发生意外。输油管道输送距离长，输送压力高，水力工况多种多样，很容易产生水击现象。为保证管道安全稳定运行，需设置合适的水击泄放系统，当压力达到或超过泄放设定值后进行压力泄放保护。水击泄压阀设在进站或出站侧，用于保护本站的设备、管线或保护出站干线不超压，是保护管道安全的重要设备。目前应用较广的泄压阀有两种形式即先导式泄压阀和氮气式泄压阀。35联锁保护在输油生产中，为确保各种联锁保护切实发挥作用，保护装置执行顺序协调动作，压力动作值需要在安全保护范围内，其设定值逐级发生作用。351进站端压力超低保护当进站压力变送器检测到进站压力低时，首先是调节阀进行自动调节，当压力继续下降，达到顺序停泵设定值时，PLC控制器执行顺序停泵逻辑，若进站压力继续下降，达到压力开关设定值时，则执行硬线联锁回路紧急全停泵。352出站端压力超高保护当出站压力升高达到调节阀的起调值时，出站调节阀进行自动调节。当出站压力继续升高，达到高压泄压阀的动作设定值时，高压泄压阀开启，向泄放罐泄放原油。当出站压力继续升高，达到顺序停泵设定值时，PLC控制器执行顺序停泵逻辑。当出站压力继续升高，达到压力开关设定值时，则执行硬线联锁回路紧急全停泵。四、油品输送41输油管道的组成输油管道一般按其输送距离和经营方式分为两类一类属于企业内部，如油田内短距离的油气集输管道，炼厂、油库内部管道，油田、炼厂到附近企业的输油管道等。其长度一般较短，不是独立的经营系统。另一类是长距离输油管道如油田将原油送至较远的炼厂或码头的外输管道等。输油管道按所输油品的种类可分为原油管道与成品油管道两种。原油管道是将油田生产的原油输送至炼厂、港口或铁路转运站具有管径大、输量大、运输距离长、分输点少的特点。成品油管道从炼厂将各种油品送至油库或转运站，具有输送品种多、批量多、分输点多的特点，多采用顺序输送。长距离输油管道一般管径大、运输距离长，有各种辅助配套工程，由输油站与线路两大部分组成。411输油站输油站的基本任务就是供给油流一定的能量，其中包括压力能、热能，以使油品安全经济地输送到目的地。不同类型的输油站，担负着不同的输油任务。输油站按其所处的位置分为首站、中间站和末站，中间站还可按照其所担负的任务不同分为加热站，只提供热能、加压站，只提供压能及热泵站，既提供热能又提供压能。首站首站是输油管道的起点。其任务是接收原油，计量、储存，经加压或加温后输向下一站。首站除了输油泵和加热装置以外，还必须设置较大容积的储油罐以满足计量以及调节来油与输油之间不平衡的需要。首站的主要组成部分，油罐区、输油泵房、计量装置、加热系统及相关的配套设施。中间站原油沿管道不断向前流动，压力不断下降，就需在沿途设置中间输油站，其中包括热泵站、加压站和加热站和三种类型，继续向管中原油提供所需的能量直至将原油送到终点。热泵站负责给管输原油的加热加压工作。主要由输油泵房、加热系统及配套设施组成。加压站负责给管输原油的加压工作。主要由输油泵房及配套设施组成。加热站负责给管输原油的加热工作。主要由加热系统及配套设施组成。在管线沿途有时为了供给其他单位用油或接收沿途油田的来油还需要加设分输站以及在中间站或中间阀室考虑接收来油的措施。为了满足沿线地区用油可在中间输油站或中间阀室分出一部分油品，输往它处。也可在中途接受附近矿区或炼厂来油，汇集于中间输油站或干管，输往终点。末站末站是输油管道的终点，它可能是属于长距离输油管道的转运油库，也可能是其他企业的附属油库。末站的任务是接收来油和把油品输给用油单位，或以其他运输方式如公路、铁路、水路运输等转运给用户。由于来油与转运的不平衡例如用户用油量变化、海运遇台风停运等。末站也需要设有较大容量的储油罐和相应的计量、化验及转运设施。412管线原油长输管道的管线是原油运输的通道，如果把输油站比作人的心脏话，管线则是人的大动脉。由管道本身和沿线的截断阀室、通过河流、公路、铁路、山谷的穿、跨越设施、阴极保护装置、通讯与自控线路等组成。长输管道由钢管焊接而成，一般埋地敷设，为防止土壤对钢管的腐蚀，管外都包有防腐绝缘层，并采用电法保护措施。长距离输油管道上每隔一定距离设有截断阀室大型穿、跨越构筑物两端也有，其作用是一旦发生事故可以及时截断管内油品，防止事故扩大并便于抢修。通讯系统是长距离输油管道的重要设施，通讯方式包括微波、光纤与卫星通讯等。管道截断阀室截断阀一般设在管线重要流域两岸、人口稠密地区或管线起伏较大的地域其主要作用是管道出现爆管、穿孔等情况时，减少原油的泄漏，防止事态扩大。根据国家现行的标准，上述地区必须安装截断阀，管线每30KM也建议安装截断阀。对于有短距离大落差管段的原油管道，还需要在落差的高点与低点之间的管道安装减压阀，也常称减压站。减压阀的作用是消耗管线输送过程中过高的动能及停输时的高静压，防止管线出现超压情况。如中油的库鄯管道，过天山某一山脉时，在10KM的管道上，其高差达1600米，该线在此段就设置了一个减压站。管道穿越管道经过公路、铁路、河流及障碍物时管道从下面穿过的一种方式。目前管道经过公路、铁路、河流及障碍物时，主要通过这种方法如仪征至金陵的管线，采用穿越的方式过长江，穿越的总长度约为1200M，东临复线、鲁宁线过黄河，塘燕线过海河，均采用这种方式。管道跨越管道经过公路、铁路、河流及障碍物时，管道从上面跨过的一种方式。但目前这种方式采用得比较少，主要在一些不通船的小型河流、水渠上使用。阴极保护装置管道一般均埋在地面12米以下，钢管的外壁采用绝缘防腐，为防止或减缓钢管的腐蚀速率，管道均采用强加电流的阴极保护形式。局部区域外加牺牲阳极。42输油管道的输送工艺421输送方式长距离输油管道的输送方式有等温输送和加热输送两种。常温输送输送低粘、低凝点原油或轻质成品油时，只需对原油加压提供动能即可，沿线不需对油品加热。油品从首站进入管道，输送一段距离后，管内油温就会等于管道埋深处的地温，故称常温输送，也称等温输送。这种输送方式无须考虑管内油流与周围介质的热交换，汽、煤、柴油等成品油及低凝点、低粘度轻质原油可直接进行常温输送。对于高凝、高粘、高含蜡原油的管道输送，也可采用添加化学添加剂，降凝剂、防蜡剂等、热处理、稀释、热裂解和乳化降粘等方式，使其改性后再进行常温输送。加热输送对于高凝、高粘油品当其凝点高于管道周围环境温度，或在环境温度下油流粘度很高，不能直接输送，必须采用措施降粘、降凝。加热输送是目前最常用的方法，即将原油加热、加压后进入管道通过提高原油输送温度使油品粘度降低减少管路摩擦阻力损失，或使管内最低油温维持在凝点5以上，保证安全输送。在热油沿管路输送的过程中，由于油温远高于管路周围的环境温度，油流所携带的热量将不断地往管外散失，因而