在石油化工企业，油品的收发作业是极其重要的业务，在其工艺流程和管网布置的设计过程中需要进行水力计算，以便经济合理地选择管径和泵组，而相关的研究目前鲜有报道。根据油品装卸作业区与相关罐区的平面布置位置，较为准确地计算油品摩阻损失，得到管路各节点的压力参数，对于合理设计管径与选择泵型具有十分重要的意义^[1-2]。

1.   沿程摩阻计算方法

1.1   理论公式计算法

1.1.1   简化计算法

该方法基于水力计算理论，在充分保证管路和泵能力有余量的前提下，利用假设简化计算内容。

对于图 1所示油品装卸作业管路，每一段中油品沿程摩阻满足式（1），随着集油管中油品不断通过鹤管分流而使得其中流量不断降低，由式（1）可知，管路沿程摩阻也势必减小。基于此，该计算法将整条集油管中的流量取为最大流量进行水力计算^[3]。

图  1  油品装卸作业管路示意图

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式中：q为计算管段中油品流量，m³/h；D为计算管段直径，m；ν为油品的运动粘度，m²/s；L为计算管段长度，m；β为综合磨阻因数；m为常数。

在假设的基础上，整个管路系统等效为一条恒定流量的等径管道，水力计算的复杂度大为降低。此外，由于油品装卸作业管路长度一般较小，摩阻计算误差在1 m以内，因此，在保证泵允许汽蚀余量满足要求的前提下，泵扬程计算结果与管路实际所需泵扬程差别不大，一般不会影响所选泵的正常工作。为此，该方法在实际设计中应用十分广泛，但在某些特殊情况下，该方法计算所得的泵入口有效汽蚀余量过小，为泵的选型带来困难。

1.1.2   精确计算法

该方法计算原则在于以管中流量为基准，将集油管分段，计算集油管中的总沿程摩阻。根据设计经验，各鹤管的流量相等，设D、L_i、λ分别为第i段集油管的管径、长度、摩阻因数^[3]，则可得集油管中各管段摩阻计算式。

管段1的摩阻：

管段2的摩阻：

管段n的摩阻：

设L_l＝L₂＝…＝L_n＝L_i则消耗在集油管上的总摩阻：

层流时，m＝1，，则：

紊流时，m＝0，，则：

因nq=Q，且当n较大时，（n+1）L_i≈L；2 n+1≈ 2 n。则式（6）和式（7）可简化为：

对于精确计算法，可以通过计算机编程或者手算，在最初的伯努利方程的基础上实现集油管中沿程摩阻的精确求解；然而，L_i在某些工程实际中并不相等，这也为通过手算得到精确计算结果增加了难度。

1.2   软件模拟计算法

由于装卸作业区水力计算涉及的理论基础较为简单，而基于此编制的Hysys、Pipesim、SPS等多款模拟软件均可以针对该工程设计进行水力计算。基于该类软件的编制基础与可视化界面，该类方法可以很简单地实现对各种工程实际设计工况的油品装卸作业较为精确的水路计算^[4-6]。

2.   计算方法应用比较

2.1   计算条件

以某炼化企业油品装卸作业区域相关管区平面布局（图 2）的设计计算（表 1）为例，其中1^#~6^#储罐中的油品要通过1^#~19^#装车鹤管装车外输，由罐区至19^#鹤管。在设计中，通过管路水力计算对泵入口压力进行计算，以指导选泵^[7-8]。

图  2  某炼化企业油品装卸作业区域相关管区平面布局图

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表  1  某炼化企业油品装卸管路设计计算参数

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管路计算参数：输油管长度353.6 m，其中0~180 m管中心标高0.5 m，180~353.6 m管中心标高-1.6 m；集油管长度180 m，管中心标高-1.6 m；泵前鹤管长度10 m，管中心标高0.4 m。油品最大外输量1 900 m³/h。装车采用单泵对单鹤管，即泵位于装车岛上。结合相关标准与工程实际情况^[9-10]，集油管直径取DN600。为了便于计算，以1^#罐出口为起始点，并假设此时流量为1 900 m³/h。

2.2   理论公式计算

2.2.1   简化计算法

经计算可知，所有管段中流体均处于混合摩擦区，得到输油管与集油管中摩阻因数λ₁=λ₂=0.015 71，鹤管中λ₃=0.022；沿程摩阻分别为：h_r1=1.633 m，h_r2=0.84 m，h_r3=0.183 m；局部摩阻h_j=3.57 m，得到泵入口处的有效汽蚀余量N_a=4.7 m；迭代可得泵必需汽蚀余量N_r=4 m，有效汽蚀余量判断系数α= 0.6/N_r=0.15。

2.2.2   精确计算法

忽略各鹤管之间集油管的长度差别，即可以假设L₁=L₂=…=L_i，求得h_r1=1.60 m，h_r2=0.28 m，h_r3= 0.183 m；局部摩阻h_j=3.57 m，泵入口处的有效汽蚀余量N_a=5.5 m；泵必需汽蚀余量N_r=4.8 m，有效汽蚀余量判断系数α=0.13。

2.3   软件模拟计算

选取Pipesim软件进行模拟计算。建立计算模型（图 3），设定起点压力与各终点流量。经计算得到各点压力分布（图 4），其中，由罐出口至19^#鹤管泵入口处沿程摩阻h_r=2.153 m，考虑局部摩阻h_j=3.57 m，得到泵入口处的有效汽蚀余量N_a=5.2 m，泵必需汽蚀余量N_r=4.5 m，有效汽蚀余量判断系数α=0.13。同时，由于软件模拟的固有优势，该方法可以更加清晰、全面地获悉整个管路的压力分布信息。

图  3  油品装车作业水力计算建模示意图

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图  4  油品装车作业管路各点压力分布图

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2.4   求解结果比较

3种求解方法所得结果表明：①对于输油管和泵前鹤管管段中的油品，沿程摩阻的计算结果基本一致，这是因为3种方法对于等径且流量恒定的管路的水力计算理论基础一致。②对于集油管中油品的沿程摩阻，3种方法计算结果相差较大。其中，由于简化计算法进行了较大的保守假设，相较于其他方法，其误差最大；相较于软件模拟法，精确计算法对集油管长度进行了假设，计算结果存在少许的误差。③对于泵必需汽蚀余量，由于沿程摩阻计算结果的不同，3种方法的计算结果存在差异，其中，简化计算法由于进行了较大的保守假设，计算所得N_r很小，以此为依据进行选泵，难度较大（表 2）。

表  2  3种计算方法计算结果比较

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3.   结论

（1）简化计算法、精确计算法和软件模拟法的理论基础均为达西公式，因计算过程中条件假设内容的变化而导致计算结果存在差别。

（2）对于一般的油品装卸区管路的水力计算，简化计算法、精确计算法和软件模拟法均适用；当管路长度、复杂性以及泵必需汽蚀余量计算准确性要求较高时，建议选用软件模拟法进行水力计算。