石油基本知识及水力学基础.ppt

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1、第一讲,石油基本知识(5学时） 水力学基础（5学时）,第一节石油基本知识,1.石油的组成。 2.油品的分类 3.油品的物理化学性质,1.石油的组成 1.1定义 石油是从地下开采出来的油状可燃液体，未经加工的石油称为原油，原油经炼制加工后得到的石油产品简称为油品。 1.2组成 石油的主要组成元素是C, H, S, N, O 。其中含量为8387%，H含量为1114%。,原油密度大多在0.800.98g/cm3 绝大多数原油都有很浓的臭味，这是由于原油中含有硫化物。通常按含硫化物的多少分为高硫原油，含硫原油，低硫原油。 西部管道现输油品主要是哈国原油、北疆原油、塔里木原油和土哈原油的混合油品。,原

2、油的分类 根据原油成分： 蜡基、沥青基、混合基 “三高”原油：含蜡量高、凝点高、粘度高 原油的工业分类方法： 1、按原油的相对密度分:,轻质原油,中质原油,重质原油,特重质原油,0.830,0.8300.904,0.966,0. 9040.966,2、按含硫量分类： 低硫原油(S% 2.0%) 3、按含蜡量分类： 低蜡原油(含蜡 0.5%2.5%) 含蜡原油(含蜡 2.5%10%) 高蜡原油(含蜡 10%) 4、按含胶质分类： 低胶原油(含胶 15%),蜡：含碳原子数大于16的固态烷烃。 （碳原子数小于5为气态，如CH4，碳原子数516之间为液态） 胶质：一般是指能常人于石油醚（低沸点烷烃）、

3、苯、四氯甲烷、二硫化碳而不溶于乙醇的物质。 沥青质：能溶于苯、三氯甲烷和二硫化碳，但不溶于石油醚和乙醇的物质。,成品油是原油经过石油炼厂的加工后得到的可以直接使用的油品。 成品油最主要的两个成员：汽油、柴油。 汽油:90# 93# 95# 97#等 柴油:0# -10# -30#,成品油相关知识,1. 汽油 汽油为水白色、易挥发液体。其用途是作为汽油汽车和汽油机的燃料，并按辛烷值划分牌号。对其质量要求如下： 良好的蒸发性：以保证发动机在冬季易于启动；在夏季不易产生气阻，并能较完全燃烧。 足够的抗爆性：以保证发动机运转正常，不发生爆震，充分发挥功率。 有一定的化学安定性：要求诱导期要长，实际胶质

4、要小，以保证长期储存时不会发生明显的生成胶质和酸性物质以及辛烷值降低和颜色变深等质量变化。 较好的抗腐性：要求腐蚀试验不超过规定值，保证汽油在储存和使用中不腐蚀储油容器和汽油机部件。,所谓汽油的标号 即实际汽油抗爆性与标准汽油的抗爆性的比值。 标号越高，抗爆性能 就越强。标准汽油是由异辛烷和正庚烷组成。异辛烷的抗爆性好，其辛烷值定为100 ；正庚烷的抗爆性差，在汽油机上容易发生爆震，其辛烷值定为0。如果汽油的标号为 90，则表示该标号的汽油与含异辛烷90%、正庚烷10%的标准汽油具有相同的抗爆性。 那么，通常的汽车在什么情况下会产生爆震呢？转速越高，越容易产生 爆震。由于目前中国最低的汽油标号

5、已经到了90，所以一般来说，只有在转速非常高 时（至少要到红线区），才可能产生爆震。换句话说，如果你不是一位一见到绿灯就 一脚油门踩到底的“准赛车手”，很可能你一辈子也不会知道爆震是怎么一回事。,那为什么，石油公司会老要我们用高标号的汽油呢？关键就在生产成本上。在中国，实际上根本没有多少（可以说没有）石油公司是使用多次裂解法来生产高标号的 汽油！以前，可以在低标号的汽油中添加少量的四乙基铅来明显提高汽油的抗爆震 性，后来由于污染过于严重，因此被国家明令禁止。那么，他们就改用了含锰的添加 剂（这种添加剂至少在欧洲早已被禁止使用），起着与四乙基铅完全同样的作用。然 而，在出厂油价上却是按照多次裂解

6、法计算的，也就是说，所谓90，93，95，97等标 号的汽油，不过是加入不同数量的含锰添加剂的产品而已，他们之间真正的成本差别 仅在几分钱到二三毛钱，而它们在零售价上的差别相当大，也就是说，它们 卖90号汽油越多，赚到的钱越少；而卖高标号的汽油越多，则利润就会番倍地上 升，所以，就会有越来越多的加油站贴出告示说没有90号汽油卖了。,另一方面，由于目前在中国销售的最低标号的汽油已经到了90号，在绝大多数的情况 下（也就是车主并非“准赛车手”时），不是要求特别高的汽车（注：在欧洲由于他们 有非常严格的环保要求，用油标号真的很高，所以必须排除大多数直接从欧洲进口的 汽车），特别是国产车完全没有必要使

7、用97号以上的汽油。,2. 柴油 柴油品种主要分为：轻柴油、重柴油和军用柴油三大类。 （1）轻柴油为淡黄色液体，主要由C15C24的烃类组成，主要应用于转速不低于960r/min的压燃式高速柴油发动机作燃料。 （2）重柴油主要应用于中、低速压燃式柴油发动机作燃料。 （3）军用柴油主要用于坦克、装甲车、军用汽车、潜艇、舰艇等高速柴油发动机作燃料。 以轻柴油为例，其质量要求是： （1）燃烧性好：即十六烷值适宜，自燃点低，燃烧充分，发动机工作稳定，不产生爆震现象。 （2）挥发性好：蒸发速度要合适，馏分应轻些，否则会使发动机油耗增大、磨损加剧、功率下降。 （3）有合适的粘度：以保证高压油泵的润滑和雾化

8、的质量。 （4）含硫量小：以保证不腐蚀发动机。 （5）安定性好：在储存中生成胶质及燃料后生成积炭的倾向都比较小。,柴油是柴油汽车、拖拉机等柴油发动机的燃料，也称轻柴油。同车用汽油一样，柴油也有不同的标号，不同的是汽油标号由辛烷值确定，而划分柴油标号的依据则是柴油的凝固点。目前国内应用的轻柴油按凝固点分为6个标号： 5柴油、0柴油、10柴油、20柴油、35柴油和50柴油。,选用不同标号的柴油应主要根据使用时的气温决定。 一般来讲，5柴油适合于气温在8以上时使用；0 柴油适用于气温在8至4时使用；10柴油适用于气温在4至5时使用；20柴油适用于气温在5至14时使用；35柴油适用于气温在14至29时

9、使用；50柴油适用于气温在29至44或者低于该温度时使用。 选用柴油的标号如果不适合使用温度区间，发动机中的燃油系统就可能结蜡，堵塞油路，影响发动机的正常工作。柴油的标号越低，结蜡的可能性就越小，当然价格也就越高。在适用于一个标号柴油的温度区间内而选用低一级标号的柴油当然更好。,3、油品物化性质,1.1 密度 物体单位体积内所具有的质量，称为密度，以表示。 = M/V 式中：M物体的质量，kg V物体的体积，m3； 物体的密度，kg/m3。 1.2 重度 物体单位体积内所具有的重力称为重度，以表示。 G/V 式中：G物体所具有的重力，N； V物体的体积，m3； 物体的重度，N/m3 。 因为G

10、=Mg 式中：G物体所具有的重力，N； M物体的质量，kg； g物体的重力加速度，m/s2； 所以G/Vg,1.3 比重 某一物体的重量和同容积4的纯水的重量之比（因为纯水在4时密度最大，故用它做衡量标准），称为比重，用d表示。 比重是一个重量比值，是一个没有单位的纯数字。 1.4 粘度 粘度是表示流体流动性能的指标。流体分子做相对运动时，存在着摩擦阻力，这种摩擦阻力一般用粘度表示。流体的粘度有三种表示的方法：绝对粘度（动力粘度）、运动粘度、相对粘度。,1.5 闪点 在标准条件下加热油品蒸发出的蒸汽与周围空气形成混合物，当油气浓度达到一定量时，与火焰接近，能够自行闪火，但又立即熄灭的最低温度，

11、称为该油品的闪点。根据闪点可以鉴别油品的易燃程度。 1.6 自燃点 外界无火焰，油品在空气中开始自行燃烧的最低温度，称为该油品的自然点。 1.7 爆炸极限 当石油蒸气或其它可燃气体与空气混合，达到一定浓度范围时，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，石油蒸气或可燃气在混合气中的最低比例称为爆炸下限；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的爆炸极限。低于爆炸下限的浓度就不会爆炸，高于爆炸上限的浓度因空气不足也不会发生爆炸。,1.8 静电 凡是两种不同的物质，不论固体、液体或气体相互摩擦而产生的电荷，称为静电。 1.9 静电对石油储运

12、的危害 在管线、输油设备、容器某个部位集聚的静电，其电位高到与另一个没有电位或电位较低的物体之间的绝缘介质（如空气、油蒸气）所能承受的程度时，则在两物体之间发生跳火现象，这种现象叫做静电放电。这种火花对聚有大量石油蒸气的作业场所来说，具有较大的火灾危险性。根据实验证明，在静电高达300伏时，足以引起汽油、天然气或煤油蒸气与空气混合物的燃烧或爆炸。低于3伏时才不致引燃油蒸气。而油品摩擦、冲击产生的静电荷，能达到很高的电压，常常由几伏到上万伏。所以静电放电导致石油火灾的危险性很大，应设有静电导除装置。,1.10 油品饱和蒸汽压 定义：在一定温度下，当油品表面压力高于饱和蒸汽压时，油品不再汽化。 测

13、量方法：雷特法测定就是在气相和液相的体积比为4:1的特定容器中恒温37.8测定. 油品蒸汽压对泵汽蚀的影响：油品蒸汽压越高，泵越容易发生汽蚀。 油品蒸汽压对液柱分离的影响：油品蒸汽压越高，管线越容易发生液柱分离。,第二节水力学基础,1、压力 定义：单位面积所承受的力。常用表示，单位：Pa（帕）或N/m2(牛顿平方米)。 注：压力有绝对压力和表压之分，绝对压力大气压表压。,2、 静压 定义：静止液体内部某一点处的压力即为该点静压。单位：Pa(牛顿平方米) 3、动压 定义：流动液体在某一点处的压力即为该点动压。单位：Pa(牛顿平方米),4、水静压强 处于静止状态的液体，其内部各质点之间、质点对容器

14、的壁面，均有压力的作用。我们将静止液体内部各质点间作用的压力，以及液体质点对容器壁作用的压力叫做水静压力。静止液体作用在单位面积上的水静压力称为水静压强。其计算式为： 式中 Po受压面上的水静压强，Pa； P作用在受压面上的水静压力，N； A 受压面面积，m2。,水静压强有两个很重要的特性：一是水静压强垂直并指向作用面。二是静止液体中任意一点的水静压强不论来自哪个方向，其大小都相等。换言之，同一点的水静压强各向等值。,5 流体静力学基本方程式 式中 静止液体中任一点的水静压强，Pa； 液体液面上的压强，Pa； 液体的密度，kg/m3； 任一点距液面的垂直深度，m。 公式定量地揭示了静止液体中压

15、强与深度的关系，反映了水静压强的分布规律，一般称为水静力学基本方程式。该方程式在水静力学中占重要地位，使最基本也是最重要的方程式。,它表明： （1）液体内任意一点压强有两部分组成，一部分是液面上的静压，另一部分是由液体自重产生的压强，液面上的压强是外力作用于液面上产生的。 （2）当液面压强一定时，在同一种均质的静止液体中，水静压强的大小与深度之间呈直线规律变化，成正比关系。 （3）在同中均质液体中，若各点距液面深度相等，则各点压强相等。由这些压强相等的点组成的面，称为等压面。绝对静止的液体中等压面是水平面。,（4）由于液体内任意一点的压强都包含着液面上的压强，因此液面压强的任何变化都会引起液体

16、内部所有液体质点上压强的相应变化，这种液面压强等值地在液面内部传递的规律，称为怕斯卡定律。,（5）根据水静力学基本方程式可以得出液体不同深度任意两点之间的压强差： 上式说明液体内部任意两点的压强差等于两点间液柱高度产生的压强。,6、压头 定义：压头是液体所具有的压力能和位置势能转换成的液柱高度，单位为m。 7、 稳定流及不稳定流 在每一空间点上，液体的全部运动参数都不随时间而变化的液流成为稳定流。 液体的全部或部分运动参数随时间变化的液流称为不稳定流。,7 流量和断面平均流速 单位时间内流过过流断面的液体称为流量。一般情况下，以单位时间流过过流断面的液体体积来计量，简称流量。当液体体积发生变化

17、时，只能以单位时间流过过流断面的液体质量来计量，称为质量流量。 断面平均流速是断面通过的流量被整个过流面积除得到的平均值，即,式中 断面平均流速，m/s; 流量，m/s； 过流断面面积，m2。 经济流速是指对于给定任务输量，能够使得管道的综合投资费用与经营费用达到最小所对应的流速。该经济流速的范围一般取为12 m/s：含蜡原油取为1.52 m/s；成品油取为2 m/s。,8 层流 流体流动时，如果质点没有横向脉动，不引起流体质点的混杂，而是层次分明，能够维持稳定的流束状态，这种流动状态称为层流。 9 紊流 流体流动时，质点具有横向脉动，引起流层质点的相互错杂交换，这种流动状态称为紊流。,10

18、摩阻损失 在管路中流动的流体质点之间和质点与管路之间的摩擦所消耗的能量，称为管道摩阻损失。它有沿程摩阻损失和局部摩阻损失之分。沿程摩阻损失是油流通过直管段所产生的摩阻损失。局部摩阻损失是油流通过阀门、管件及有关的工艺设备等所产生的摩阻损失。长输管道站间管路的摩阻损失主要是沿程摩阻，局部摩阻只占1%-2%。,11 水力坡降 单位长度的管道摩阻损失称为水力坡降，用i表示。 式中 沿程摩阻损失，m； 水力坡降，m/km； 管长，km。,雷诺数 用来判别流体在流道中的流态的无量纲准数，称为雷诺数，用Re表示。 式中 管内流体流速，m/s； 管内径，m； 液体运动粘度，m2/s；,Re雷诺数,无量纲。其

19、中：当Re3000时，管内液体流态为紊流；当2000Re3000时，管内液体流态为过渡区。,12 流体动力学基本方程式 水动力学是研究流体运动的科学。运动是绝对的，静止是相对的，静止是运动的一种特殊形式他们的区别：一是进行力学分析时，水静力学只考虑重力和压力，而水动力学由于流体的运动还要考虑粘滞力（内摩擦力）；在水动力学中粘滞力其主要作用。二是进行压强计算时，水静压强只与某点位置有关，而水动压强不仅与该点位置有关，还与该点流速有关。,1连续性方式 连续性方程式，即 式中 分别为过流断面上的平均流速； 分别为过流断面上的流量。,2液体的伯努利方程式 伯努利方程是能量守恒定律在流体力学上的一种表现

20、形式。 理想流体的伯努利方程为：,它表示理想流体的总的机械能（位能、压能和动能）守恒。实际流体的伯努利方程考虑流体流动的摩阻损失：,13 水击 管线中的液流突然变速必然引起管中压力的突然升高或降低，速度变化过程越快，则瞬时升降的压力就越大，这种压力瞬变现象称为水击。水击现象中产生的瞬时压力叫水击压力，它的大小与速度变化过程的快慢及流动质量和动量的大小有关，轻微时只表现为噪音和振动，严重时能使管线破裂。,14 管道纵断面图和水力坡降线 管道纵断面图 在直角坐标上表示管道长度与沿线高程变化的图形称为管道纵断面图，如下图所示。其横坐标表示管道的实际长度，纵坐标为线路的海拔高程。但需注意，纵断面图上的

21、起伏情况与管道的实际地形并不相同，图上的曲线不是管道的实际长，水平线才是实长。,管道纵断面图,水力坡降线 管道的水力坡降就是单位长度管道的摩阻损失。我们通常用表示，计算公式如下：,式中 通常成品油管线都运行在紊流的水力光滑区，故=0.0246，m=0.25； Q 管线的输量，m3/s； 油品的运动粘度，m2/s； d管线的内径，m。,在纵断面图上，管线的水力坡降线是管内流体的总压头（忽略动能头）沿管线长度的变化曲线。等温输油管道的水力坡降线是斜率为i的直线。如果影响水力坡降的因素（流量、粘度、管径）之一发生了变化，水力坡降线的斜率就会改变。水力坡降线表示管线的水力状态，表明泵的扬程和油品流动产

22、生的摩阻损失之间的关系。简单来讲，水力坡降线是管线能量平衡的几何表示，也可以用图形表示如下：,（1）管径、流量和油品特性的变化对水力坡降线的影响。 管径变小，水力坡降线变陡；管径变大，水力坡降线变平缓。 流量变大，水力坡降线变陡；流量变小，水力坡降线变平缓。 粘度变大，水力坡降线变陡；粘度变小，水力坡降线变平缓。,（2）成品油流量、粘度的变化对管线运行的影响。 流量的变化、批次和批次界面过泵对管道的稳态运行有着很大的影响。因此运行人员必须了解所输送油品的密度和粘度，时刻关注水力坡降线的变化，维持管线的稳态运行。,（3）压头、压力和密度之间的关系。 （4）如果所输油品的密度发生变化，过泵后的压差

23、也随之变化。（扬程不变）,15 翻越点和关键点 1翻越点 定义：液流流过此点后，可以自流至终点的点叫翻越点。 翻越点一定是管线高点，但管线最高点不一定是翻越点。 翻越点用几何图形表示为水力坡降线和管道纵断面图的交点（在给定流量下）。 2关键点 定义：两站之间限制最大流量的点叫关键点。,16 充装和泄流 充装：当流量不平衡且当上游的流量比下游的流量高时，管线就处于充装状态。一条管线处于充装状态时，下游的压力将增加。 泄流：当流量不平衡且当下游的流量比上游的流量高时，管线就处于泄流状态。一条管线处于泄流状态时，下游的压力将减小。,17 批次界面 批次界面是指两个批次首尾相交的区域，且在该区域内产生

24、混油。每个批次的密度和粘度都不相同，多个批次和批次界面沿管线流动使管线的流量发生很大的变化。油品的密度和粘度对管线的运行有着很重大的影响。密度影响着压差，因为密度不同，相同高度的油品所产生的压力就不同。油品的粘度主要影响管线的摩阻。,1. 批次界面过泵对管线运行的影响 对于给定的泵机组，在一定流量下泵的扬程保持恒定，但泵的出口压力却主要取决于所输送油品的密度。用来计算压力（压头）和密度之间的关系。如果泵所输送的油品的密度发生改变，那么过泵后的压力也随之而变。,2. 批次界面中的粘度变化对管线运行的影响 随着批次界面沿管线移动，管道的沿程摩阻也随之发生变化。两种油品的粘度差越大，管道沿程摩阻的变

25、化也就越大。如果出站压力有调节余地，就要通过调整出站压力设定值来补偿管路沿程摩阻的变化。,18 液柱分离 当管道受到减压波的作用，管内压力降至低于溶解气的饱和压力时，油品中的溶解气就会过饱和而逸出，在液体内形成许多小气泡。当压力进一步下降，低于液体的饱和蒸气压时，管内液体就会汽化，产生蒸汽。蒸汽与已形成的溶解气泡结合，形成较大的气团在管内上升。液体内气泡倾向于停留、聚集在管道高点或某些顶端的局部位置，形成较大的气泡区，而液体则在气泡的下面流过，如下图所示。这种情况称为液柱分离。,水力坡降线和管线的纵断面图相交时，就会发生液柱分离。液柱分离的本质就是管内压力低于该温度下油品的饱和蒸汽压，使油品汽化。因此，在管道的运行过程中，要通过仿真模拟，控制管道各点的压力使管道的水力坡降线不与纵断面图相交。,培训结束，谢谢,