3.1熱油管道的溫降計(jì)算解析課件

1、第三章 加熱輸油管道目前我國所產(chǎn)原油大多為易凝和高粘原油。這兩種原油的凝點(diǎn)高，常溫下的粘度大，有些油品還含有較高的石蠟、膠質(zhì)等，俗稱“三高”油品高凝點(diǎn)、高含蠟、高粘度。 含蠟原油的特點(diǎn)是含蠟量高、凝固點(diǎn)高、低溫下粘度高、高溫下粘度低。如大慶原油，凝固點(diǎn)為2832，50運(yùn)動粘度約為202510-6m2/s，勝利含蠟原油的凝固點(diǎn)為2332，50運(yùn)動粘度約為809010-6m2/s。 稠油的特點(diǎn)是凝固點(diǎn)低，通常低于0，但粘度很大，如孤島原油凝固點(diǎn)為-2.34.9，50運(yùn)動粘度約為200010-6m2/s。除此之外，還有粘度超過2000010-6m2/s，甚至于高達(dá)100000010-6m2/s的超稠

2、油。原油的高含蠟、高凝固點(diǎn)和高粘度給儲運(yùn)工作帶來以下幾個方面的問題： 1、由于原油的凝固點(diǎn)比較高，一般在環(huán)境溫度下就失去流動性或流動性很差，因而不能直接常溫輸送。 2、在環(huán)境溫度下，含蠟原油即使能夠流動，其表觀粘度(Apparent Viscosity)也很高。對于稠油，雖然在環(huán)境溫度下并不凝固，但其粘度很大，實(shí)際上已經(jīng)失去流動性。因此無論是高含蠟原油還是稠油，常溫輸送時摩阻損失都很大，很不經(jīng)濟(jì)。 3、易凝高粘原油給儲運(yùn)系統(tǒng)的運(yùn)行管理也帶來了某些特殊問題，主要有： 儲罐和管道系統(tǒng)的結(jié)蠟問題 ；管道停輸后的再啟動問題。 易凝高粘原油的輸送方式 常溫輸送 采用物理、化學(xué)等方法（加降凝減阻劑、熱處理

3、、稀釋、與表面活性物質(zhì)水溶液混輸、液環(huán)輸送、熱分解等）使油品性質(zhì)改變，降粘、降凝，以實(shí)現(xiàn)不加熱輸送。 加熱輸送 即將油品加熱后輸入管路，提高油品溫度以降低其粘度，減少摩阻損失，借消耗熱能來節(jié)約動能。 可以分為加熱站加熱和伴隨加熱（蒸汽伴熱、電伴熱，主要用于油田內(nèi)部集輸管道和短管道），加熱輸送是目前最常用的方法。什么是熱油管道？ 所謂熱油輸送管道是指那些在輸送過程中沿線油溫高于地溫的輸油管道。對于含蠟原油管道，一般來說，其沿線的油溫不僅高于地溫而且還高于原油的凝點(diǎn)。 第一節(jié) 熱油管道的溫降計(jì)算一、加熱輸送的特點(diǎn) 在熱油沿管道向前流動過程中，由于油溫高于管道周圍的環(huán)境溫度，在徑向溫差的作用下，油流

4、所攜帶的熱能將不斷地向管外散失，因而使油流在前進(jìn)過程中不斷地降溫，引起軸向溫降。軸向溫降的存在，使油流的粘度在前進(jìn)過程中不斷升高，單位管長的摩阻逐漸增大，當(dāng)油溫降至凝點(diǎn)附近時，單位管長的摩阻將急劇升高。 故在設(shè)計(jì)管道時，必須考慮：需將油流加熱到多高的溫度才能輸入管道？當(dāng)油溫降到什么溫度時需要建一個加熱站？像等溫管那樣，熱油管也設(shè)有泵站，沿線的加熱站和泵站補(bǔ)充油流的熱損失和壓力損失。 與等溫管相比，熱油管道的特點(diǎn)是： 沿程的能量損失包括熱能損失和壓能損失兩部分。 熱能損失和壓能損失互相聯(lián)系，且熱能損失起主導(dǎo)作用。 沿程油溫不同，油流粘度不同，沿程水力坡降不是常數(shù)，iconst。一個加熱站間，距加

5、熱站越遠(yuǎn)，油溫越低，粘度越大 ，水力坡降越大。 設(shè)計(jì)熱油管道時，要先進(jìn)行熱力計(jì)算，然后進(jìn)行水力計(jì)算。這是因?yàn)槟ψ钃p失的大小取決于油品的粘度，而油品的粘度則取決于輸送溫度的高低?；炯僭O(shè) ：穩(wěn)定工況。包括熱力 、水力條件穩(wěn)定，即各站的進(jìn)出站溫度不隨時間而變化，輸量也不隨時間而變化。 油流至周圍介質(zhì)的總傳熱系數(shù)K沿線為常數(shù)。 沿線地溫T0和油品的比熱C為常數(shù) 1、軸向溫降公式的推導(dǎo)二、熱油管道沿程溫降計(jì)算 設(shè)有一條熱油管道 ，管道計(jì)算外徑為 D ，周圍介質(zhì)溫度為 T0 , 總傳熱系數(shù)為 K , 輸量為 G ，油品的比熱為C ，出站油溫為TR，輸至距離 L時的溫度TL 。在距加熱站為L處取一微元段d

6、L，設(shè)此處斷面油溫為T，油流經(jīng)過dL段的溫度變化為dT，故在L+dL斷面上油溫為T+dT，穩(wěn)定傳熱時，dL段上的熱平衡方程為： KD (T-T0)dL=GCdTLdLTTR對上式積分 :即： 或： 上式稱為軸向溫降基本公式，也就是著名的蘇霍夫公式。 根據(jù)加熱站間距LR，可求得下一站的進(jìn)站油溫為：考慮摩擦升溫時的軸向溫降計(jì)算 油流沿管道向前流動過程中,由于摩擦阻力而使壓力不斷下降。這部分壓力能最終轉(zhuǎn)化為摩擦熱而加熱油流。上面討論的溫降基本公式，未考慮摩擦熱的影響，故只能用于流速低、溫降大、摩擦熱影響較小的情況。利用與推導(dǎo)蘇霍夫軸向溫降基本公式相同的方法：管線向周圍介質(zhì)的散熱量=油流溫降放熱+摩擦

7、熱 即：KD(T-T0)dL=-GCdT+GgidL整理得: 令: 則上式變?yōu)? a(T-T0-b)dL= -dT即: 或: 上式即為考慮摩擦熱時的軸向溫降計(jì)算公式。又叫列賓宗溫降公式。在上式的推導(dǎo)中，水力坡降 i 取定值，實(shí)際上熱油管的 i 沿線是變化的。計(jì)算中可近似取加熱站間管道的平均水力坡降值。式中：iR、iZ計(jì)算管段起點(diǎn)、終點(diǎn)油溫下的水力坡降由軸向溫降公式可知：考慮摩擦升溫后相當(dāng)于地溫升高了b 。溫降曲線的特點(diǎn)：由圖可知： 溫降曲線為一指數(shù)曲線，漸近線為 T=T0在兩個加熱站之間的管路上，各處的溫度梯度不同，加熱站出口處，油溫高，油流與周圍介質(zhì)的溫差大，溫降快，曲線陡。隨油流的前進(jìn)，溫

8、降變慢，曲線變平。因此當(dāng)出站溫度提高時，下一站的進(jìn)站油溫Tz不會按比例提高。如果TR提高10，進(jìn)站油溫Tj一般只升高23 。因此為了減少熱損失，出站油溫不宜過高。T0TLdLTcT02、溫降公式與溫降曲線的分析（1）加熱站進(jìn)、出站溫度對溫降的影響從溫降公式可知，油流的溫度沿管道長度呈負(fù)指數(shù)形式減小，在出站附近溫降較快，溫降曲線較陡；在進(jìn)站附近溫降較慢，溫降曲線較平。因而，單純靠提高出站溫度的方式來提高進(jìn)站溫度，效果往往是不明顯的。進(jìn)出站溫度對溫降的影響（2）環(huán)境溫度對溫降的影響從溫降公式可知，環(huán)境溫度升高，溫降變慢，溫降曲線變平。在固定出站溫度運(yùn)行的管道中，環(huán)境溫度升高，管道各截面上油流溫度升

9、高，下一加熱站進(jìn)站溫度也升高；在固定進(jìn)站溫度運(yùn)行的管道中，隨環(huán)境溫度升高，管道各截面上油流溫度降低，上一加熱站出站溫度也降低。環(huán)境溫度降低時，各參數(shù)的變化規(guī)律相反。.環(huán)境溫度對溫降的影響（3）管道輸量對溫降的影響從溫降公式可知，管道輸量增加時，溫降減慢，溫降曲線變平；管道輸量減少時，溫降加快，溫降曲線變陡。在固定出站溫度運(yùn)行的管道中，輸送量減少，管道各截面上油流的溫度降低，下一加熱站進(jìn)站溫度也降低；在固定進(jìn)站溫度運(yùn)行的管道中，輸送量減少，上一加熱站出站溫度必須升高，管道各截面上油流的溫度升高。輸送量增加時，各參數(shù)的變化規(guī)律相反。（4）傳熱系數(shù)對溫降的影響從溫降公式可知，傳熱系數(shù)增加時，溫降加快

10、，溫降曲線變陡；傳熱系數(shù)減小時，溫降減慢，溫降曲線變平。在熱油管的運(yùn)行中，引起傳熱系數(shù)改變的因素，都會帶來溫降情況的變化。如在雨季，土壤的含水增加，埋地管道的傳熱系數(shù)增加，油流通過管壁向土壤的傳熱加快。在夏秋季，地表植被加厚，地表向大氣的放熱受阻，埋地管道的傳熱系數(shù)減小。在下雪后，積雪沒融化前，地表的積雪相當(dāng)于增加了管道的埋設(shè)深度，傳熱系數(shù)減??；積雪融化后，土壤的含水增加，傳熱系數(shù)增加。對于引起傳熱系數(shù)改變的各種因素，要對具體問題具體分析。三、參數(shù)的確定確定加熱站的進(jìn)、出站溫度時，需要考慮三方面的因素：油品的粘溫特性和其它的物理性質(zhì)；管道的停輸時間，熱脹和溫度應(yīng)力等因素；經(jīng)濟(jì)比較，取使費(fèi)用現(xiàn)值

11、最低的進(jìn)出站溫度。 加熱站出站油溫的選擇確定加熱站的出站溫度，一般應(yīng)考慮以下幾方面的因素：考慮所輸油品中難免含有水分，為了避免水分的汽化，應(yīng)小于100 ；1、溫度參數(shù)為了不使油品汽化，應(yīng)小于所輸油品的初餾點(diǎn)；應(yīng)不破壞管道防腐材料的穩(wěn)定性。在采用瀝青玻璃布作管道外防腐材料時，應(yīng)低于瀝青的軟化點(diǎn)50 。由于目前專用防腐瀝青的軟化點(diǎn)大都在120 左右，所以，我國加熱輸油管道的加熱站出站溫度大都在70 以下?？紤]經(jīng)濟(jì)因素。從經(jīng)濟(jì)因素考慮，我們希望提高出站溫度一是能較顯著的降低油品的粘度，二是能使油流的終點(diǎn)（或下一站的進(jìn)站）溫度能有較大的提高。所以，在確定出站溫度時，一是要看所輸油品的粘溫特性，盡可能使

12、加熱溫度落在油品的粘溫特性曲線較陡的區(qū)間。對于大多數(shù)的重油，在100 以下的區(qū)間內(nèi)，粘溫特性曲線都較陡，故輸送重油的管道，出站溫度可以較高一些。而對于含蠟原油，在凝點(diǎn)附近的粘溫特性曲線都較陡，當(dāng)溫度高于凝點(diǎn)3040時，粘溫特性曲線就比較平緩了，故輸送含蠟原油的管道，出站溫度不宜過高。 二是要看油品沿管道的溫降特性，盡可能使加熱溫度落在溫降曲線較陡的區(qū)間。實(shí)際上，由于在管道的出站附近，油流與管道周圍環(huán)境的溫差較大，溫降較快；在管道的終點(diǎn)（或下一站的進(jìn)站）溫度附近，油流與管道周圍環(huán)境的溫差較小，溫降較慢。加熱站提供的大部分熱量，將散失在出站后的前半段管段上。 加熱站進(jìn)站油溫的選擇加熱站進(jìn)站油溫首先

13、要考慮油品的性質(zhì)，主要是油品的凝點(diǎn)，必須滿足管道的停輸溫降和再啟動的要求，但主要取決于經(jīng)濟(jì)比較，故其經(jīng)濟(jì)進(jìn)站溫度常略高于凝點(diǎn)。設(shè)計(jì)時一般取進(jìn)站溫度高于原油凝點(diǎn)35。 對于埋地鋪設(shè)的管道，設(shè)計(jì)時一般取為管中心埋深處的年最低月平均地溫。這與管道的埋設(shè)深度有關(guān)，確定加熱輸送管道的埋設(shè)深度除考慮與等溫輸送管道相同的因素外，還應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)因素。因?yàn)?，在其他條件相同的情況下，加大管道埋設(shè)深度，可以減少管道的熱損失，節(jié)約熱能；但增加了管道的施工、維修等費(fèi)用。從經(jīng)濟(jì)比較的角度考慮，大直徑的長距離輸油管道的埋設(shè)深度一般為管徑的23倍。 按最低環(huán)境溫度計(jì)算溫降，將使得管道的設(shè)計(jì)熱力參數(shù)偏于保守。管道運(yùn)行時，可根據(jù)實(shí)

14、際的環(huán)境溫度調(diào)節(jié)熱力設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)。 環(huán)境溫度 T0 的確定2、油品比熱容原油和石油產(chǎn)品的比熱容大都在1.62.5kJ/(kg)之間。粗略計(jì)算時，可取原油的比熱容為2kJ/(kg)。原油的比熱容隨溫度的升高，密度的減小而增加，在不考慮含蠟原油的析蠟影響的條件下，溫度在0400范圍內(nèi)的油品的比熱容隨溫度的變化可由下式確定。即：3、管徑 在加熱輸油管道的傳熱計(jì)算時，管道計(jì)算直徑的選取與管道的結(jié)構(gòu)有關(guān)，無保溫層的管道取鋼管的外徑，有保溫層的管道取保溫層內(nèi)外直徑的平均值。4、熱油管道的總傳熱系數(shù)K 管道總傳熱系數(shù)K是指油流與周圍介質(zhì)溫差1時，單位時間內(nèi)通過管道單位面積所傳遞的熱量，它表示了油流向周圍介

15、質(zhì)散熱的強(qiáng)弱 。以埋地管道為例，管道散熱的傳熱過程由三部分組成：即油流至管壁的放熱，鋼管壁、防腐絕緣層或保溫層的熱傳導(dǎo)和管外壁至周圍土壤的傳熱（包括土壤的導(dǎo)熱和土壤對大氣和地下水的放熱）。在穩(wěn)定傳熱的條件下，其熱平衡關(guān)系可表示為：式中：Dw管道最外圍的直徑Di、Di+1鋼管、防腐絕緣層及保溫層的內(nèi)徑和外徑i與上述各層相應(yīng)的導(dǎo)熱系數(shù)，W/mTy油溫， T0管道中心埋深處的自然地溫，Tbi鋼管內(nèi)壁的溫度，Tbi、Tb(i+1)鋼管、瀝青絕緣層及保溫層內(nèi)外壁溫度， D計(jì)算直徑，m1油流至管內(nèi)壁的放熱系數(shù)，W/m2 2管外壁至土壤的放熱系數(shù)，W/m2 傳熱學(xué)上常用單位管長上的傳熱系數(shù)KL 。KL與K的

16、關(guān)系為： KL =KD，W/m。它表示油流與周圍介質(zhì)溫差為1時，單位時間內(nèi)每米管長所傳遞的熱量。它等于單位管長熱阻RL 的倒數(shù)。選取 D 時，一般取熱阻最大的那部分所對應(yīng)的直徑：對于不保溫埋地管道，D 可取防腐絕緣層外徑； 對于保溫管道，則取保溫層內(nèi)外徑的平均值。從而得到：對于不保溫的大口徑管道，如忽略內(nèi)外徑的差值，則總傳熱系數(shù) K 可近似按下式計(jì)算：式中:i第 i 層的厚度，m1、油流至管內(nèi)壁的放熱系數(shù)1的計(jì)算管內(nèi)放熱強(qiáng)度決定于油的物理性質(zhì)及流動狀態(tài)?？捎?與放熱準(zhǔn)數(shù)Nu 、自然對流準(zhǔn)數(shù) Gr 和流體物性準(zhǔn)數(shù) Pr 間的數(shù)學(xué)關(guān)系來表示。腳注“y”表示各參數(shù)的定性溫度取油流溫度，腳注“bi”表

17、示各參數(shù)的定性溫度取管壁溫度。y 為油品的體積膨脹系數(shù)。2、管壁的導(dǎo)熱管壁的導(dǎo)熱包括鋼管（或非金屬管）、防腐絕緣層、保溫層等的導(dǎo)熱。鋼管壁導(dǎo)熱熱阻很小，可以忽略；非金屬管材的導(dǎo)熱系數(shù)小，再加上管壁較厚，熱阻相當(dāng)大；保溫管道上，保溫層的熱阻起主導(dǎo)作用，特別是架空或水下敷設(shè)的管道，保溫層熱阻是最主要的。設(shè)計(jì)時一般不考慮凝油層熱阻對K值的影響，但核算運(yùn)行管道的K值時要計(jì)入管壁上凝油層的影響。3、管外壁至大氣的放熱系數(shù)2a地上架空管道的管外壁至大氣的放熱是對流與輻射換熱同時存在的復(fù)合換熱，故式中ac、aR分別為管外壁與大氣之間的對流與輻射放熱系數(shù)， W / m2 aR可以按輻射放熱公式計(jì)算, 由于架空

18、熱油管道均有保溫層, 其外表溫度與大氣溫差較小, aR 較小，可取25W/m2 。ac可按空氣中的受迫對流計(jì)算，當(dāng)103 Rea 2 時，上式可近似為在輸油管道的各層熱阻中，管內(nèi)油流至管內(nèi)壁的對流放熱熱阻占的比例很小，不到1%，鋼管壁的熱阻占的比例更小，這兩項(xiàng)熱阻通?？珊雎圆挥?jì)。對于埋地不保溫管道，防腐絕緣層的熱阻約占10%左右，管外壁至土壤的放熱熱阻約占90%左右。保溫管道的熱阻主要取決于保溫層的熱阻。由于計(jì)算埋地管道的總傳熱系數(shù)時要用到土壤的導(dǎo)熱系數(shù)，而土壤的導(dǎo)熱系數(shù)受許多因素的影響，不同季節(jié)、不同地方的導(dǎo)熱系數(shù)相差很大，故在實(shí)際應(yīng)用中，一般不采用上述公式計(jì)算管道的總傳熱系數(shù)，而是根據(jù)已有

19、管道反算得到的總傳熱系數(shù)選取。三、軸向溫降公式的應(yīng)用 設(shè)計(jì)時確定加熱站間距(加熱站數(shù))設(shè)計(jì)時，L、D、G、K、C、T已定, 按上述原則選定TR和 TZ ，則加熱站間距為:全線所需加熱站數(shù): ,化整nR設(shè)計(jì)的加熱站間距為: 反算加熱站的出站溫度，校核終點(diǎn)（或加熱站的進(jìn)站）溫度。 校核站間允許的最小輸量Gmin 當(dāng)及站間其它熱力參數(shù)即T0、D、K、LR一定時，對應(yīng)于Tmax、Tmin的輸量即為該熱力條件下允許的最小輸量:最小安全輸量 運(yùn)行中反算總傳熱系數(shù) K 值 由于溫降公式是按照穩(wěn)定工況導(dǎo)出的，因此反算K值時，應(yīng)取水力和熱力參數(shù)比較穩(wěn)定情況下的數(shù)據(jù)。如果輸量波動較大，油溫不穩(wěn)定或有自然現(xiàn)象影響(

20、如冷空氣前后,大雨前后等)，管線的傳熱相當(dāng)不穩(wěn)定，按穩(wěn)定傳熱公式反算出來的K值誤差較大。當(dāng)然生產(chǎn)管線的參數(shù)波動總是存在的, 只能相對而言。反算K值的目的: 積累運(yùn)行資料,為以后設(shè)計(jì)新管線提供選擇K值的依據(jù). 通過K值的變化,了解沿線散熱及結(jié)蠟情況,幫助指導(dǎo)生產(chǎn)。若K，如果此時Q，H，則說明管壁結(jié)蠟可能比較嚴(yán)重，應(yīng)采取清蠟措施。 若K，則可能是地下水位上升，或管道覆土被破壞、保溫層進(jìn)水等。 四、影響溫降的其他因素1、油品經(jīng)泵加壓對出站溫度的影響油品經(jīng)泵加壓對出站溫度的影響表現(xiàn)在兩個方面：一是由于油品絕熱壓縮引起的溫升。這部分溫升的大小，與油品的密度、加壓的大小、油溫的高低等因素有關(guān)。如在油品的密度為656kg/m3，泵的進(jìn)出口壓差為6.89MPa，進(jìn)泵的油溫為26.7時，壓縮引起的溫升是1.1。二是油流經(jīng)泵摩擦引起的溫升。這部分溫升的大小，取決于泵的效率。泵的效率由機(jī)械、水力、容積和盤面摩擦等四部分損失構(gòu)成。其中除機(jī)械損失產(chǎn)生的熱量大部分由潤滑油和冷卻水帶走外，其余三部分大都轉(zhuǎn)化為熱量，使經(jīng)過泵的油流溫度升高。在不計(jì)泵的機(jī)械損失時，泵