按最低成本估算液體管線的最佳管徑、壓降及流速.docx

1、按最低成本估算液體管線的最佳K管徑、壓降及流速千庭甘仞中國(guó)石化咨詢公司(100088)陳允中部祖光編譯、管線設(shè)計(jì)是任何裝置設(shè)計(jì)都要遇到的問題，設(shè)計(jì)時(shí)，有時(shí)可能依據(jù)流速，有時(shí)考慮單位長(zhǎng)度管子和壓降。一個(gè)典型的管段如圖1所示。其中可能引起壓降的因素有設(shè)備(如換熱器)、儀表(如流量計(jì)和管線。在討論之前，對(duì)此典型管段作如下一些說明和假設(shè)：引起班降的原因1. 設(shè)備2. 僅表圖1一個(gè)典型的管段(1) 管內(nèi)流速恒定J(2) 狀態(tài)紊流，摩擦系數(shù)值定，為0.015;(3) 管段總的基建費(fèi)用三倍于設(shè)備和管子費(fèi)用之和；(4) 除泵之外的操作費(fèi)用不變；(5) 管線成本可用管內(nèi)徑(ID的線性函數(shù)表示；(6) 泵與其它設(shè)

2、備費(fèi)用在優(yōu)化中不變；(7) 管段僅以安裝一個(gè)控制闕為限，其壓降是設(shè)備、儀表、管線總壓降的1/2,加，減壓時(shí)對(duì)翠:的吸附容成減少的特性。利用這種特性，采用變壓吸附法進(jìn)行氧、鈕分離，即加壓吸附，減壓解析的快速循環(huán)過程。增加壓力時(shí)，破分子篩大最吸附氧，這時(shí)就有大量的氮富集于不吸附相中并釋放出來，這樣就分離出所需要的濃集的氯氣。碳分子篩制氮機(jī)分為高壓吸附常壓解析和低壓吸附真空解析二種，分別適用于不同領(lǐng)(8除控制潤(rùn)外,設(shè)備和儀表的壓降不變3(9)年運(yùn)行時(shí)間8000h,(10)電費(fèi)0.05$/kW-ho根據(jù)上述幾點(diǎn)假設(shè)測(cè)算如下， 管線費(fèi)用Cp=S+a：)L其中t一管內(nèi)徑；乙一管長(zhǎng)；但、。，一成本系數(shù)。 如

3、以Cx表示管段內(nèi)設(shè)備費(fèi)(包括蒙)，旦為不變值，則管段總基建投資為Cc=3.0(Cx+CQ。不難看出，G也是管內(nèi)徑的函數(shù)。 如以APx表示全部設(shè)備、儀表的壓降，AR.表示管壓降，刖控制闕壓降可升為：APcv=0.5(APx+Pl) 若以Cox表示管段內(nèi)除泵之外設(shè)備的年的操作費(fèi)用，則C”為定值。若年泵的操作費(fèi)用設(shè)為C”，計(jì)為：C.p=a3(8000/V)(Hp)(0.7457)Hp=g(AP)/(1714E)這里，再一每kWh電費(fèi)3N-操作年數(shù)；HP一泵功率，馬力；9一液體流,gaL/minjAP一泵的壓差，psijE一泵效率。進(jìn)一步AP=1.5APX+1.5APl4-(Pf-P.)域。其流程圖見

4、圖1、圖2。碳分子篩制氮裝置由空氣預(yù)處理、碳分子篩變壓吸附部分、電控部分、氣動(dòng)閥組組成。由PC機(jī)對(duì)工作過程自動(dòng)控制，并有測(cè)氧儀可對(duì)產(chǎn)品(氛氣)中的氧氣含世進(jìn)行連續(xù)測(cè)量。用碳分子飾制氮，特別適合中小企業(yè)的需要，是一項(xiàng)很有發(fā)展前途的新技術(shù)。(收孺日期19940417)APx與(Pf-P.)為定值，白/可表示為：APL=p£/308491.76DI111,ilII30100?00100030001005030000100000佳速度七，由V.對(duì)Q及相關(guān)系數(shù)F,對(duì)£與V之關(guān)系作成圖6、圖7。上述討論均以泵的出口管線為對(duì)象。事實(shí)上，討論的結(jié)果也可應(yīng)用于使壓降最小，甚至無泵的任何輸送液

5、體的管線。對(duì)于這種情況，在計(jì)算時(shí)，我們可在管段開始部位設(shè)置一個(gè)假想泵。因?yàn)楣芫€總要有一個(gè)壓降A(chǔ)R.和與其相其中：P液體密度。由以上幾式可以看出是管內(nèi)徑D、流量“京效率£、電費(fèi)和操作年數(shù)N的函數(shù)。該管段忌的操作費(fèi)用C則可表示為：C°=C"x+C°p因此操作年內(nèi).管段總的費(fèi)用為：ClCo+g由于G與G均是D的函數(shù)，因此對(duì)最佳管尺寸應(yīng)存在：dCJdD=dC/dD+dCJdD=O經(jīng)運(yùn)算，最佳管內(nèi)徑Do為：D="SE(aJa”/5.732Hx(NW=D、xFd(1)Fd=(N/£"一旦找出最佳管內(nèi)徑則可計(jì)算最佳壓降A(chǔ)PU和最佳液體速度

6、VneAPl。="'"30)5/49.84820'x(£/""=A"p(2)F=(E/N)小/,=13.42235(aJa,5/Q"'x(£/")“，=乙x巴(3)F,=(E/N)w有意思的是最佳速度乙與液體密度有關(guān)，而與流髭無關(guān)。最佳管徑m、最佳流速匕均與管長(zhǎng)度L無關(guān)。應(yīng)該指出，市場(chǎng)上出售的碳鋼無縫管及焊接管價(jià)格符合管線費(fèi)用】線性公式。對(duì)無縫管，6或小于6inC,=0.965OL624inC,=(-12.5+3.OD)L對(duì)焊接管：648inCp=(-55+175D乙對(duì)于最佳管子內(nèi)

7、徑D。,由D,對(duì)g及相關(guān)系數(shù)巳對(duì)£與W之關(guān)系作成圖2、圖3。對(duì)于最佳管壓降A(chǔ)Pl#,由APLm對(duì)g及相關(guān)系數(shù)F,對(duì)£與川之關(guān)系作成圖4、圖5。對(duì)最L一-一>4in,Iml汴：操作年散IW7泵岐率IE；=1.0果牧攀不址”城住管內(nèi)徑泵效率泵效率圖3最佳管內(nèi)怒相關(guān)因數(shù)圖£齦佳管內(nèi)徑，E-1.04Mo四=】0也1-233o1001000J00010X330WCKO003液休疏量/"Imia*'注：操作年tl仲=|案效率秒=】0對(duì)泵效率不是以最佳管壓降?«.o>I=（戶9E=）3|i>IIlli*1!1_ld"亡ul

8、o*"1&修.度圖6最佳液體流速（管內(nèi)），E=1.0216ooO.0.¥>%0.01圖4最佳管壓降，E=1.0020.3妥效木圖5最佳管壓降相關(guān)因數(shù)適應(yīng)的費(fèi)用，因此設(shè)置一個(gè)嘏想泵就有道理。式1）和圖2、圖3表明最佳管內(nèi)徑D,不是不變的，它與管長(zhǎng)無關(guān)。最佳管內(nèi)徑D.與液體體積流量的1/2次方、液體密度的1/6次方、電費(fèi)及所考慮操作年數(shù)的1/6次方或正比:圖7最佳管液體流速相關(guān)因數(shù)反比于泵效率及管成本率5的1/6次方。一般情況下，大流量、高密度需要較大的最佳管徑。高電費(fèi)及較長(zhǎng)的操作年限，較低的泵效率和較低的管子費(fèi)用也導(dǎo)致要求較大的管內(nèi)徑.由式（2）和圖4、圖5可知

9、，每100ft長(zhǎng)管子的最佳壓降不是定數(shù)。它與液體體積流量的平方根、電費(fèi)的5/6次方和所考慮的操作年數(shù)5/6次方成反比，而與液體密度的1/6次方、泵效率5/6次方和管子成本率J成正比變化。因此，小流量和高密度導(dǎo)致較大的最佳壓降，低電費(fèi)、操作年數(shù)少及高泵效和高管子成本也導(dǎo)致較大的最佳管壓降。由式（3）和圖6、圖7可知，管內(nèi)最佳流速不是一個(gè)定數(shù)。它與流量、管子長(zhǎng)度無關(guān).與宓度的1/3次方、電費(fèi)和考慮的操作年數(shù)成反比：與泵效率的1/3次方和管子成本率a2成正比變化。作為結(jié)論可以說I較低密度的液體可以有較大的最佳流速；低電費(fèi)、操作年數(shù)少、高泵效和高管子成本率也要求管內(nèi)有較高的最佳液速。在圖2圖7上，使用

10、者可預(yù)先估計(jì)操作年數(shù)和乘效率。而圖8圖10則更易于應(yīng)用，這些圖固定了操作年數(shù)為一年和泵效率為75%,不同泵效率的相關(guān)系數(shù)則表示在圖11。應(yīng)該指出，圖2、圖4或圖8與圖10是以管內(nèi)徑為連續(xù)數(shù)劃出的。實(shí)際上，管內(nèi)徑是不連續(xù)的。應(yīng)用上述諸圖時(shí)可以簡(jiǎn)化一些步驟。首先用圖2或圖8找出最佳管內(nèi)徑然后圓整D.得到一個(gè)可以生產(chǎn)供貨的內(nèi)徑值。再應(yīng)用下列兩式來關(guān)聯(lián)由圖4和圖6或圖9與圖10查出的最佳管壓降與液速，求出APl和匕APl=（APl）,（劣/）'v=y,（DjDT此處的（APl）,或V1分別是由圖4和圖9或圖6和圖10讀出的最佳管壓降或速度。Dr則是由圖2和圖8查出的最隹管內(nèi)徑。則為圓整后的管內(nèi)

11、徑值。如果所求管線輸送液體的溫度是變化的，在使用方法上，可將管段分成若干小段，這樣每段的溫度就近似恒定。對(duì)溫度不變的小管段應(yīng)用討論過的方法，其他管段則可作為設(shè)備處理。>2in廠建管W注：操作年散w=i/拿效率（Il=o75甘栗效率下是0”的情況：最桂內(nèi)徑。=S9ffi=0.?65d>Fd見攫H頒骨>6Ji_憤符<6ir.比敢14、7OSC81052£>冬OHMBso玄h石-w«tlir;lml<Iinj!103010030010003OGO10DOO303。IOCWO.液體流磁/C»lmio_,液體流量/gilK.I&圖

12、8最佳管內(nèi)徑，E=0.75J03-«<。0一(SZ05曹。.-d?fc.HsrT5圖9最佳管線壓降，E=0.75如果管段內(nèi)無控制閥，由式（1）和圖2與圖8計(jì)算的最佳管內(nèi)徑除以1.07。由式（2）或圖4與圖9計(jì)算的最佳管壓降乘以1.402.由式（3）或圖8和圖11計(jì)算的最佳液速乘以1.1447。-Jf笞="嵬ntw艇e*M<I-Jf笞="嵬ntw艇e*M<I圖10管內(nèi)最佳液速，E=0.75圖11圖5、圖6、圖7的各相關(guān)因數(shù)所有已有的計(jì)算假定，液體流都是處于摩攜系數(shù)為0.015的紊流區(qū)。這對(duì)大多數(shù)裝置的管線是適用的。然而，如果摩擦系數(shù)不是0.015,

13、那么最佳管內(nèi)徑的校正系數(shù)是】D.=0（OO】5）i"對(duì)于素流流動(dòng)，摩擦系數(shù)隨管大小變化（表1）。一般摩擦系數(shù)的校正較/卜，在10%以內(nèi)。表1清潔管內(nèi)的全來流流動(dòng)的摩擦系敷管尺寸庫演系Ifcf10.02320.01930.01840.01760.0158100.01412160.01313240.01230360.0H48o.nio盡管上述討論是以碳鋼管為對(duì)象，但對(duì)合金鋼管，式Cp=（a1+a,P）L中用不同管子成本系數(shù)。如若找出合金管線性成本公式，則下式可用于計(jì)算最佳管內(nèi)徑。a,是碳鋼管成本公式系數(shù)。在開始的幾點(diǎn)說明中，假定管段總的基建成本為設(shè)備和管子成本之和的3倍。根據(jù)管線系統(tǒng)的復(fù)雜程度，基建成本系數(shù)可能不是3,對(duì)這種情況，F(xiàn)式可用來校正最佳管內(nèi)徑，0=0（3/孔"已是特殊管線系統(tǒng)的成本系數(shù)。圖7圖10是基于運(yùn)行一年的管系統(tǒng)，對(duì)于操作年數(shù)為"