3.1热油管道的温降计算详解

2020/1/17输油管道设计与管理1第三章加热输油管道目前我国所产原油大多为易凝和高粘原油。这两种原油的凝点高，常温下的粘度大，有些油品还含有较高的石蜡、胶质等，俗称“三高”油品——高凝点、高含蜡、高粘度。含蜡原油的特点是含蜡量高、凝固点高、低温下粘度高、高温下粘度低。如大庆原油，凝固点为28~32℃，50℃运动粘度约为20~25×10-6m2/s，胜利含蜡原油的凝固点为23~32℃，50℃运动粘度约为80~90×10-6m2/s。稠油的特点是凝固点低，通常低于0℃，但粘度很大，如孤岛原油凝固点为-2.3~4.9℃，50℃运动粘度约为2000×10-6m2/s。除此之外，还有粘度超过20000×10-6m2/s，甚至于高达1000000×10-6m2/s的超稠油。2020/1/17输油管道设计与管理2原油的高含蜡、高凝固点和高粘度给储运工作带来以下几个方面的问题：1、由于原油的凝固点比较高，一般在环境温度下就失去流动性或流动性很差，因而不能直接常温输送。2、在环境温度下，含蜡原油即使能够流动，其表观粘度(ApparentViscosity)也很高。对于稠油，虽然在环境温度下并不凝固，但其粘度很大，实际上已经失去流动性。因此无论是高含蜡原油还是稠油，常温输送时摩阻损失都很大，很不经济。3、易凝高粘原油给储运系统的运行管理也带来了某些特殊问题，主要有：①储罐和管道系统的结蜡问题；②管道停输后的再启动问题。2020/1/17输油管道设计与管理3易凝高粘原油的输送方式常温输送采用物理、化学等方法（加降凝减阻剂、热处理、稀释、与表面活性物质水溶液混输、液环输送、热分解等）使油品性质改变，降粘、降凝，以实现不加热输送。加热输送即将油品加热后输入管路，提高油品温度以降低其粘度，减少摩阻损失，借消耗热能来节约动能。可以分为加热站加热和伴随加热（蒸汽伴热、电伴热，主要用于油田内部集输管道和短管道），加热输送是目前最常用的方法。2020/1/17输油管道设计与管理4什么是热油管道？所谓热油输送管道是指那些在输送过程中沿线油温高于地温的输油管道。对于含蜡原油管道，一般来说，其沿线的油温不仅高于地温而且还高于原油的凝点。第一节热油管道的温降计算一、加热输送的特点2020/1/17输油管道设计与管理5在热油沿管道向前流动过程中，由于油温高于管道周围的环境温度，在径向温差的作用下，油流所携带的热能将不断地向管外散失，因而使油流在前进过程中不断地降温，引起轴向温降。轴向温降的存在，使油流的粘度在前进过程中不断升高，单位管长的摩阻逐渐增大，当油温降至凝点附近时，单位管长的摩阻将急剧升高。故在设计管道时，必须考虑：需将油流加热到多高的温度才能输入管道？当油温降到什么温度时需要建一个加热站？像等温管那样，热油管也设有泵站，沿线的加热站和泵站补充油流的热损失和压力损失。2020/1/17输油管道设计与管理6与等温管相比，热油管道的特点是：①沿程的能量损失包括热能损失和压能损失两部分。②热能损失和压能损失互相联系，且热能损失起主导作用。③沿程油温不同，油流粘度不同，沿程水力坡降不是常数，i≠const。一个加热站间，距加热站越远，油温越低，粘度越大，水力坡降越大。设计热油管道时，要先进行热力计算，然后进行水力计算。这是因为摩阻损失的大小取决于油品的粘度，而油品的粘度则取决于输送温度的高低。2020/1/17输油管道设计与管理7基本假设：①稳定工况。包括热力、水力条件稳定，即各站的进出站温度不随时间而变化，输量也不随时间而变化。②油流至周围介质的总传热系数K沿线为常数。③沿线地温T0和油品的比热C为常数1、轴向温降公式的推导二、热油管道沿程温降计算2020/1/17输油管道设计与管理8设有一条热油管道，管道计算外径为D，周围介质温度为T0,总传热系数为K,输量为G，油品的比热为C，出站油温为TR，输至距离L时的温度TL。在距加热站为L处取一微元段dL，设此处断面油温为T，油流经过dL段的温度变化为dT，故在L+dL断面上油温为T+dT，稳定传热时，dL段上的热平衡方程为：KπD(T-T0)dL=－GCdTdLGCDKTTdT0LdLTTR2020/1/17输油管道设计与管理9对上式积分:LTTdLGCDKTTdTLR00即：aLLGCDKTTTTLR00lnGCDKa或：aLRLeTTTT)(00上式称为轴向温降基本公式，也就是著名的苏霍夫公式。根据加热站间距LR，可求得下一站的进站油温为：RaLRZeTTTT002020/1/17输油管道设计与管理10考虑摩擦升温时的轴向温降计算油流沿管道向前流动过程中,由于摩擦阻力而使压力不断下降。这部分压力能最终转化为摩擦热而加热油流。上面讨论的温降基本公式，未考虑摩擦热的影响，故只能用于流速低、温降大、摩擦热影响较小的情况。利用与推导苏霍夫轴向温降基本公式相同的方法：管线向周围介质的散热量=油流温降放热+摩擦热即：KπD(T-T0)dL=-GCdT+GgidL整理得:dTdLDKGgiTTGCDK02020/1/17输油管道设计与管理11令:CagiDKGgibGCDKa,则上式变为:a(T-T0-b)dL=-dTLTTLRbTTdTadL00即:aLbTTbTTLR00ln或:aLRLebTTbTT00)(上式即为考虑摩擦热时的轴向温降计算公式。又叫列宾宗温降公式。2020/1/17输油管道设计与管理12在上式的推导中，水力坡降i取定值，实际上热油管的i沿线是变化的。计算中可近似取加热站间管道的平均水力坡降值。ZRpjiii21式中：iR、iZ—计算管段起点、终点油温下的水力坡降pjTpjii或由轴向温降公式可知：考虑摩擦升温后相当于地温升高了b℃。2020/1/17输油管道设计与管理13温降曲线的特点：由图可知：①温降曲线为一指数曲线，渐近线为T=T0②在两个加热站之间的管路上，各处的温度梯度不同，加热站出口处，油温高，油流与周围介质的温差大，温降快，曲线陡。随油流的前进，温降变慢，曲线变平。因此当出站温度提高时，下一站的进站油温Tz不会按比例提高。如果TR提高10℃，进站油温Tj一般只升高2～3℃。因此为了减少热损失，出站油温不宜过高。T0TLdLTcT02020/1/17输油管道设计与管理142、温降公式与温降曲线的分析（1）加热站进、出站温度对温降的影响从温降公式可知，油流的温度沿管道长度呈负指数形式减小，在出站附近温降较快，温降曲线较陡；在进站附近温降较慢，温降曲线较平。因而，单纯靠提高出站温度的方式来提高进站温度，效果往往是不明显的。2020/1/17输油管道设计与管理15ctjt进出站温度对温降的影响2020/1/17输油管道设计与管理16（2）环境温度对温降的影响从温降公式可知，环境温度升高，温降变慢，温降曲线变平。在固定出站温度运行的管道中，环境温度升高，管道各截面上油流温度升高，下一加热站进站温度也升高；在固定进站温度运行的管道中，随环境温度升高，管道各截面上油流温度降低，上一加热站出站温度也降低。环境温度降低时，各参数的变化规律相反。2020/1/17输油管道设计与管理17.1jt2jt2ct1ct环境温度对温降的影响02t01t02t2020/1/17输油管道设计与管理18（3）管道输量对温降的影响从温降公式可知，管道输量增加时，温降减慢，温降曲线变平；管道输量减少时，温降加快，温降曲线变陡。在固定出站温度运行的管道中，输送量减少，管道各截面上油流的温度降低，下一加热站进站温度也降低；在固定进站温度运行的管道中，输送量减少，上一加热站出站温度必须升高，管道各截面上油流的温度升高。输送量增加时，各参数的变化规律相反。2020/1/17输油管道设计与管理19（4）传热系数对温降的影响从温降公式可知，传热系数增加时，温降加快，温降曲线变陡；传热系数减小时，温降减慢，温降曲线变平。在热油管的运行中，引起传热系数改变的因素，都会带来温降情况的变化。如在雨季，土壤的含水增加，埋地管道的传热系数增加，油流通过管壁向土壤的传热加快。在夏秋季，地表植被加厚，地表向大气的放热受阻，埋地管道的传热系数减小。在下雪后，积雪没融化前，地表的积雪相当于增加了管道的埋设深度，传热系数减小；积雪融化后，土壤的含水增加，传热系数增加。对于引起传热系数改变的各种因素，要对具体问题具体分析。2020/1/17输油管道设计与管理20三、参数的确定确定加热站的进、出站温度时，需要考虑三方面的因素：①油品的粘温特性和其它的物理性质；②管道的停输时间，热胀和温度应力等因素；③经济比较，取使费用现值最低的进出站温度。⑴加热站出站油温的选择确定加热站的出站温度，一般应考虑以下几方面的因素：①考虑所输油品中难免含有水分，为了避免水分的汽化，应小于100℃；1、温度参数2020/1/17输油管道设计与管理21②为了不使油品汽化，应小于所输油品的初馏点；③应不破坏管道防腐材料的稳定性。在采用沥青玻璃布作管道外防腐材料时，应低于沥青的软化点50℃。由于目前专用防腐沥青的软化点大都在120℃左右，所以，我国加热输油管道的加热站出站温度大都在70℃以下。④考虑经济因素。从经济因素考虑，我们希望提高出站温度一是能较显著的降低油品的粘度，二是能使油流的终点（或下一站的进站）温度能有较大的提高。所以，在确定出站温度时，一是要看所输油品的粘温特性，尽可能使加热温度落在油品的粘温特性曲线较陡的区间。2020/1/17输油管道设计与管理22对于大多数的重油，在100℃以下的区间内，粘温特性曲线都较陡，故输送重油的管道，出站温度可以较高一些。而对于含蜡原油，在凝点附近的粘温特性曲线都较陡，当温度高于凝点30～40℃时，粘温特性曲线就比较平缓了，故输送含蜡原油的管道，出站温度不宜过高。二是要看油品沿管道的温降特性，尽可能使加热温度落在温降曲线较陡的区间。实际上，由于在管道的出站附近，油流与管道周围环境的温差较大，温降较快；在管道的终点（或下一站的进站）温度附近，油流与管道周围环境的温差较小，温降较慢。加热站提供的大部分热量，将散失在出站后的前半段管段上。2020/1/17输油管道设计与管理23⑵加热站进站油温的选择加热站进站油温首先要考虑油品的性质，主要是油品的凝点，必须满足管道的停输温降和再启动的要求，但主要取决于经济比较，故其经济进站温度常略高于凝点。设计时一般取进站温度高于原油凝点3~5℃。2020/1/17输油管道设计与管理24对于埋地铺设的管道，设计时一般取为管中心埋深处的年最低月平均地温。这与管道的埋设深度有关，确定加热输送管道的埋设深度除考虑与等温输送管道相同的因素外，还应考虑经济因素。因为，在其他条件相同的情况下，加大管道埋设深度，可以减少管道的热损失，节约热能；但增加了管道的施工、维修等费用。从经济比较的角度考虑，大直径的长距离输油管道的埋设深度一般为管径的2～3倍。按最低环境温度计算温降，将使得管道的设计热力参数偏于保守。管道运行时，可根据实际的环境温度调节热力设备的运行参数。⑶环境温度T0的确定2020/1/17输油管道设计与管理252、油品比热容原油和石油产品的比热容大都在1.6～2.5kJ/(kg·℃)之间。粗略计算时，可取原油的比热容为2kJ/(kg·℃)。原油的比热容随温度的升高，密度的减小而增加，在不考虑含蜡原油的析蜡影响的条件下，温度在0～400℃范围内的油品的比热容随温度的变化可由下式确定。即：2020/1/17输油管道设计与管理263、管径在加热输油管道的传热计算时，管道计算直径的选取与管道的结构有关，无保温层的管道取钢管的外径，有保温层的管道取保温层内外直径的平均值。2020/1/17输油管道设计与管理274、热油管道的总传热系数K管道总传热系数K是指油流与周围介质温差1℃时，单位时间内通过管道单位面积所传递的热量，它表示了油流向