5.1热油管道的运行特性

2020/4/19输油管道设计与管理1第一节热油管道的运行特性第二节热油管道的投产第四节热油管道的停输再启动第五章热油管道的运行管理第三节含蜡原油管道的蜡沉积及清管2020/4/19输油管道设计与管理2第一节热油管道的运行特性一、热油管道的工作特性1、热油管道工作特性的特点前面讲热油管道特点时曾指出，热油管道不同于等温管道的特点就在于热油管道存在两种能量损失。即摩阻损失和散热损失，这个特点决定了热油管道与等温管道不同的工作特性。对于等温管路：ZfLQZLDQHmmmm252mmDf5/2020/4/19输油管道设计与管理3即管路已定(即D、L、ΔZ、T0或υ已定)时，H是Q的单值函数，H=f(Q)。当D、L、ΔZ、T0、K及所输油品物性已定时，摩阻H不仅是输量Q的函数还是粘度υ的函数，而υ又是温度的函数，因此，对于热油管路，H是Q和T的二元函数，即：H=f1(Q,T)=f2(Q,TR)=f3(Q,TZ)对于热油管路：2020/4/19输油管道设计与管理4对于一条确定的热油管路，D、L、ΔZ、T0、K一定，在某输量Q下，当TR已定时，由温降公式知，TZ也就定了，反之亦然，即TR、TZ两个热力参数中只有一个是独立的，它们要受沿线温降规律的约束。设计时一般按维持TZ不变计算。运行时，往往是控制TR，这样只需根据出站油温TR来调节加热炉的点炉台数、火咀数、送风量及燃料油量，控制方便。2、热油管道的工作特性在讨论热油管道的工作特性时，只有规定管道的热力条件才有意义，一般有两种情况：2020/4/19输油管道设计与管理5①维持出站油温TR一定运行；②维持进站油温TZ一定运行。下面分别讨论各种情况下的管路工作特性。①维持进站油温TZ一定运行的热油管路的工作特性先来分析一下维持TZ一定时特性曲线的变化趋势。Q变化时，影响摩阻H的因素有两个方面：（与等温管相似）HVQHTTQpjpjR总的趋势是Q↑H↑，即H=f(Q)是单调上升的曲线。2020/4/19输油管道设计与管理6与等温管相比，影响热油管工作特性曲线的因素除了管线参数和油品粘度以外，还有管线沿线的散热条件和油品的粘温特性。当温降快、粘温曲线较陡时，管路特性曲线变化也较剧烈，故散热条件如T0、K及粘温指数u等参数也会影响热油管路的工作特性。维持TZ一定时的管路特性曲线如图所示。TZ不同时，沿线油温分布不同，特性曲线亦不同。TZ高则沿线油温高，摩阻损失小，故HTz2-Q曲线总是在HTz1-Q曲线的下方。QHHTz1HTz2Tz2Tz12020/4/19输油管道设计与管理7②维持出站油温TR一定运行的热油管路的工作特性维持出站油温TR一定时，摩阻随输量的变化趋势与维持TZ一定时有所不同，定性分析如下：HVQHTTQpjpjZ两方面因素引起的摩阻变化趋势正相反。一般在实际运行的输量范围内，Q↑H↑的趋势是主要的。故随着Q增大，摩阻H是增大的，但H随Q的变化要平缓些。2020/4/19输油管道设计与管理8维持TR一定时的管路特性曲线如图所示。TR不同时，沿线油温分布不同，特性曲线亦不同。TR高则沿线油温高，摩阻损失小，故HTR1-Q曲线总是在HTR2-Q曲线的上方。QHHTR1HTR2TR2TR12020/4/19输油管道设计与管理9如果在某输量Q0下维持TZ一定运行时的出站油温TR正好等于维持TR一定运行时的出站油温TR0，此时两者进站油温相同，均为TZ0，摩阻也相同，均为H0，则随着Q的上升，维持TR一定时的管路特性曲线要比维持TZ一定时的管路特性曲线平缓（为什么？），如图所示。QHO维持TZ一定H0Q0维持TR一定2020/4/19输油管道设计与管理10这是因为，维持TR不变时，出站油温始终为TR0，Q增大，沿程温降减小，终点油温将大于TZ0；而维持TZ不变时，终点油温始终为TZ0，Q增大时TR下降，TRTR0。因此，维持TR不变时的全线平均油温将高于维持TZ不变时的平均油温，所以维持TR不变时的特性曲线要比维持TZ不变时的特性曲线平缓。3、热油管路工作特性的不稳定区前面讲过，维持TR一定运行的热油管道，在正常运行的输量范围内，Q↑H↑的趋势是主要的，但当Q较小、输送的油品粘度较大时，可能出现Q↑H↓的反常现象，使热油管道进入不稳定工作区。2020/4/19输油管道设计与管理11①理论分析：根据热油管路摩阻计算公式：000TTmuEiTTmuEiAhhZRRTRGCDLKALDQhRRRmmTmT,51200当D1、LR、T0、K一定时，式中的前一项hT0/AR只是流量的函数，且hT0/AR∝Q3-m，即hT0/AR随流量Q的增大而增大。2020/4/19输油管道设计与管理12现在来看一下花括号中各项的值，TR一定，Ei[-mu(TR-T0)]不随Q而变；Q↑TZ↑，mu(TZ-T0)↑，-Ei[-mu(TZ-T0)]↓，故花括号中的值随Q上升而下降，与hT0/AR的变化趋势相反。因此函数hR=f(Q)可能有极值点。另外，当Q＝0时，hR=0，而当Q很大时，hR→hTR，即hR将随Q的增大由0增大到极大值，然后又随Q的增大而减小。但hTR∝Q2-m，故hR减少到一定值后又必然随Q的增大而增大，即存在一个极小点，也就是说hR=f(Q)曲线可能存在两个极值点。2020/4/19输油管道设计与管理13②热油管道的不同流量区维持TR一定运行的热油管道的工作特性按流量可以分为三个区，如图所示。HQIⅡIIITZQT0Ⅰ区—小流量区在这个区，流量很小，温降很快。在很长一段距离内，油温接近环境温度T0，T≈TZ≈T0。随Q增大,TZ变化不大，粘度变化很小，H=f(Q),但该区粘度较大，因而随着Q的增大,摩阻H急剧增大。在这一区工作很不经济，所以热油管路不能在该区工作。2020/4/19输油管道设计与管理14HQIⅡIIITZQT0Ⅱ区—中等流量区一方面Q↑V↑H↑，另一方面，Q↑TZ↑↑,Tpj↑↑(显著增大)，且在该温度区内粘度随温度的变化较剧烈，Tpj的显著上升将引起粘度υ的显著下降υ↓↓，使摩阻H↓。故可能出现随着流量的增大，摩阻反而下降的现象。Ⅱ区称为不稳定区，当热油管道在该区内运行时，常可能由于某些外界因素的影响，而使工作点发生变化，进入Ⅰ区。热油管道在该区运行既不经济又不安全。2020/4/19输油管道设计与管理15Ⅲ区—大流量区一方面随着Q的增大，流速增大而使摩阻增大；另一方面，随着Q的增大TZ升高，但变化不大，粘度下降不多。粘度的下降引起的摩阻下降小于Q的上升引起的摩阻升高。结果表现为Q↑H↑，该区是热油管道的正常工作区。热油管道应在Ⅲ区运行，避免进入Ⅰ、Ⅱ区。HQIⅡIIITZQT02020/4/19输油管道设计与管理16右图是一条管内径259mm，长20.5km，输送重油的热油管道，在TR=50℃，T0=0℃时的特性曲线，流态为层流。图中给出了不同粘温指数下的特性曲线。由图知，当粘温指数u减小时，不稳定区缩小，当u0.06时，不稳定区消失，曲线无极值点。4、出现不稳定区的条件2020/4/19输油管道设计与管理17现在我们来研究摩阻流量计算公式的极值问题。令dhR/dQ=0，可以求得u取定值时hR=f(Q)曲线的两个极值点。极值点的位置与u有关，对于紊流情况，m=0.25，只有当u(TR-T0)20时，曲线才会出现极值点。若取u=0.1(一般油品的u值都小于0.1)，则只有当TR-T0200℃时才会出现不稳定区，这在实际中是碰不到的。所以说在紊流情况下，不会出现不稳定区。在层流情况下，m=1，出现极值点或不稳定区的条件是u(TR-T0)3，若取u=0.05，则TR-T060℃时就会出现不稳定区。若取u=0.1，则TR-T030℃时就会出现不稳定区，这在实际中是经常可以遇到的。2020/4/19输油管道设计与管理18维持出站油温TR不变运行，粘温指数u为常数，层流(m=1)，u(TR-T0)3出现不稳定区的条件2020/4/19输油管道设计与管理19输送重油的管道，u值较大，TR较高，且一般在层流区运行，极易满足上述条件，很容易出现不稳定区。一旦发现管线进入不稳定区，要尽量使其回到稳定区(大流量区)，可采取的措施有：1、在管线允许和可能的情况下，尽量提高出站油温。2、开启备用泵或未开的泵站，尽快提高输量。3、在上述两种措施都不行的情况下，输入轻质油品(或热水)，用轻油(或热水)将重油从管道中置换出来。2020/4/19输油管道设计与管理20二、热油管道经济运行方案运行方案的经济性一般可用能耗费用S来衡量。对于热油管道，能耗费用包括动力费用Sp和燃料费用SR:RpSSSHRyRZRyRBeLTTCS32.72310dPPeRHeSL2020/4/19输油管道设计与管理21式中：ey－燃料油价格,元/吨ed－电力价格,元/kWhBH－燃料油热值,kJ/kgCy－所输油品比热，kJ/kg℃ηR－炉效ηpe－泵机组效率，ηpe=ηpηeH－加热站间管路所需压头，mLR－热站间距,km2020/4/19输油管道设计与管理22对于一条已定管线，当输量Q一定时，TR上升，热损失上升，燃料费用SR上升。但由于站间平均温度升高，摩阻减少，动力费用SP下降。SR和SP随TR的变化关系如图所示。总能耗费用存在一个最低点Smin，与Smin对应的出站油温即为该输量下的经济加热温度T*Rj，此时管路所需的压头为H*Rj，与H*Rj最接近的开泵方案即为最优开泵方案。SSSRSPT*RjTR2020/4/19输油管道设计与管理23热油管道的优化运行模型中，除了等温管道的约束条件外，还增加了热力约束，如输油温度、加热炉负荷、加热炉运行组合（点炉台数、热力越站）等。