正在建设中的抚顺至营口皺鱼圈港成品油管道（简称南输管道）是一条工业化长输成品油管道，全长240 km, 其中首站至中间站管道（以下称第一段管道）长130 km, 规格为ϕ355.6×6；中间站至末站管道（以下称第二段管道）长110 km, 规格为ϕ377×6。该管道的设计年输量为240×10⁴ t, 主要输送90^#无铅汽油、90^#有铅汽油、0^#柴油和-10^#柴油等。

由于该管道采用单管顺序密闭输送的输油方式，因此，当密度、粘度等理化指标相差较大的不同油品，按一定的顺序周期性在管道内交替运行时，要求管道的运行工况也要经济合理地进行经常性的变化和调节。以下就如何配置全线及各站的泵机组，使全线的运行工况始终处于最佳状态，达到既经济又合理运行的问题进行探讨。

泵机组的最优化

在管道的各种运行工况中，通过调整调速电机转数或调整机泵的数量和型号，来实现最低的输油年耗。一般情况下，对运行管道工况的调节方法有三种：

① 调节电机转速；

② 调整机泵的数量和型号；

③ 调节阀门的开启程度。

前两种方法皆可调整泵机组的组合，是最经济的；而后一种调节方法，则能量损失较大，既不经济又不合理。

由于南输管道没有采用调速电机来调节工况，因此泵机组组合的最优化是靠调整机组的数量及型号来实现。进入管道的油品种类、数量及理化指标见表 1。

表  1  管道输送油品的参数

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由于末站不担负输送成品油的任务，因此，首站及中间站主输机泵型号及其配置情况见表 2。

表  2  各站机泵的配置

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油品的输送顺序

按照油品的理化性质、质量要求，以及对混油的二次加工处理等问题，将所输几种油品的输送顺序排列如下：

夏季: 0^#柴油→90^#无铅汽油→90^#有铅汽油→90^#无铅汽油→0^#柴油;

冬季: -10^#柴油→0^#柴油→90^#无铅汽油→90^#有铅汽油→90^#无铅汽油→0^#柴油→-10^#柴油。

平均摩阻损失

1   平均输量

根据年输量及标准密度，可得出冬、夏季管道内油品的平均输量, 计算公式为：

冬季Q_平=370. 23 m³/h；

夏季Q_平 = 370. 109 m³/h。

2   油品的流态

流态是由雷诺数的大小来判断的^[1]

其中

式中  Re——雷诺数;

d——管道内径, m;

v——油品运动粘度, m²/s。

计算及判断结果见表 3。

表  3  雷诺数计算结果及其所处状态

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3   平均摩阻损失

由于汽油、柴油分别处于混合摩擦区和水力光滑区内，因此，可采用阿尔特舒尔公式计算管道的摩阻损失^[1]。

将式（5）应用于南输管道（管道的局部摩阻损失取沿程摩阻损失的1%，站内摩阻损失取20 m。），得岀计算公式如下，计算结果见表 4。

表  4  平均摩阻损失计算结果

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式中  l₁、l₂——分别为两管道长度, m;

Q——管道内的平均流量, m³/s;

d₁、d₂——分别为两段管道的内径, m。

最佳泵机组的配置

确定最佳泵机组涉及两方面的内容：一是全线最佳泵机组的配置方案；二是首站和中间站泵机组的配置方案。

1   泵机组运行时的限定条件

泵机组的配置要求运行时满足下列条件：

① 保证年输量；

② 各输油站的出口压力不大于允许压力值P_max(P_max=5. 88 MPa);

③ 各站的入口压力保持在最小压力值P_min(P_min=0.196 MPa)与0. 882 MPa的范围之内。

2   建立能量平衡方程

泵站及管道的能量及其损失包括：

（1）首站泵机组的入口压力P_H（这里取0. 39 MPa）；

（2）泵站提供的压力P_i;

（3）泵站节流的压力损失P_ji，（这里取0）；

（4）各站内的压力损失P_si，（这里每站取0. 2 MPa）；

（5）首、末站位差提供的压力P_z，（这里取0. 39 MPa）；

（6）管道的压力损失P_pi；

（7）末站的压力P_K, （这里取0. 2 MPa）。

根据能量平衡原理得出：

① 泵机组压力的计算公式：

式中  n——百站数(末站除外);

m——第i站的机沗数;

a_ij、b_ij——第i站第j台泉的特性参数。

经过数学回归，三种型号机泵的a、b两参数值见表 5。

表  5  机泵特性参数的回归值

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② 管路及站内压力损失的计算公式为：

其中c_i、α_i、β_i的具体数值见表 6。

表  6  c_i、α_i、β_i计算结果

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3   泵机组的最佳配置方案

将基础数据代入式(7)、(8)、(9), 把机泵各种可能的排列组合分别代入算式，经计算机编程运算后，得出机泵的最佳配置，见表 7。

表  7  全线机泵配置

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上述机泵组合的校核工况点见表 8, 年占用时间见表 9。

表  8  全线运行工况点

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表  9  年占用时间校对

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4   各站的机泵配置

以上是把全线作为一个统一的水力系统来研究，得岀的泵机组组合，要将其分配给各输油站，还需进一步的校核计算才能确定。

经计算机的反复运算和校核，首站和中间站机泵的配置及岀、入口压力值见表 10。

表  10  首站、中间站相应机泵配置及参数

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上述结果满足各油品单独充满管道，即管内同一时间输送单一油品时的输送条件。

油品交替时机泵的切换

1   混油段在第一段管道内运行时的压力损失

式中  ρ₁——前行油品的密度, kg/m³;

ρ₂——后行油品的密度, kg/m³;

β₁₁——后一种油品在第一段管道内的参数;

l——混油段距首站的长度，m。

2   混油段在第二段管道内运行时的压力损失

式中  β₂₂——后行油品在第二段管道内的参数。

3   管内含有混油段时的能量平衡方程

由式（7）扩展后得到下列公式：

因南输管道所在的地势较平坦，故P_z不再做分析，仍采用原数值。

将机泵的组合特性方程及式(10)、(11)代入能量平衡方程后经计算机编程计算，即可得出结果。冬季“0^#柴油→90^#无铅汽油”的计算过程数据见表 11。

表  11  混油界面移动过程参数计算结果

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根据各季节和输油的排列顺序得岀机泵切换的时机，见表 12。

表  12  泵机组切换位置

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按照机泵切换的原则条件，即：

① 首站、中间站的出站压力要低于管逋的许用压力；

② 中间站的进站压力要大于或等于0. 196 MPa, 而又要小于0. 882 MPa（泄压阀定值）；

③ 切换前后的流量平均值应基本趋近于年平均输量。

由此得出，如果切换的时机不准确、不及时，就可能造成某些运行参数不合理，直接影响到管道的经济效益，甚至造成事故。另外, 机泵切换时要求将要切换的机泵同时切换, 否则就可能影响到中间站的入口压力，使其压力值得不到满足而造成事故。