热油输送管道的工艺计算.doc

1第三章 热油输送管道的工艺计算(Hot-oil Pipelines)随着世界能源需求的增长，易凝和高粘原油的产量不断地增加目前我国所产原油大多为这两种原油生产含蜡原油（waxy crude） （即易凝原油）的油田主要有：大庆油田、胜利油田、中原油田、华北油田、河南油田、长庆油田、克拉玛依油田生产稠油（thick oil ,heavey oil）的油田有：辽河油田、胜利的单家寺油田和孤岛油田等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× ，胜利原油凝固点为 23～32℃，50℃运动粘度约为sm/102680～90× 稠油的特点是凝固点很低，通常低于 0℃，但粘度很大，如孤岛原油凝sm/1026固点为－2.3～4.9℃，50℃运动粘度约为 490× sm/126凝固点（Freezing point）：是指在规定条件下（热力和剪切条件）所测得的油样不流动的最高温度我国常把它作为评价原油流动性的指标之一西方国家常用的是倾点（Pour point）,它与凝固点有所不同倾点是指在规定条件下测得的油样刚开始流动的最低温度。

由于测量方法的不同，因而两者在数值上亦有差别对于同一种原油，倾点一般比凝固点低2～3℃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，含蜡原油既使能够流动其表观粘度（Apparent Viscosity）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，是很不经济的3.高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对于易凝高粘问题，不能直接采用前面讲到的等温输送方法，必须在输入管道前采用降凝降粘措施加热输送是目前常用的方法，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这一章我们将来讨论热油输送管道的工艺计算问题除加热输送外，目前已采用的或正在试验中的输送高凝高粘原油的方法还有：稀释输送，2热处理输送，化学处理，掺水乳化输送，水环输送，预热并伴热输送，悬浮输送等§3.1 热油输送管道的特点1.定义：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。

对于热油管道，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固点在热油沿管路向前输送过程中，由于油温高于管路周围的环境温度，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，因而使油流在前进的过程中不断地降温，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地升高，单位管长的摩阻逐渐增大，当油温降至凝固点附近时，单位管长的摩阻将急剧升高故在设计管路时，必须考虑：需将油流加热到多高的温度才能输入管道？当油温降到什么范围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2.热油管道的特点：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所以设计热油管道时，要先做热力计算，然后做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如果多建中间加热站，提高加热站的进出站温度，使油品在较高的温度下输送，散热损失将因之增大，而摩阻损失则可减少所以对于某一输量，必存在能耗最小的最优输送条件，这也就是热油管道工艺计算所需确定的目标。

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l↑,t ↓,v↑,i↑§3.2 热输管道的温降计算(Temperature drop)一、轴向温降基本公式（Arial temperature drop , basic formula）1.轴向温降基本公式的推导基本假设，①稳定工况包括热力 、水力条件稳定，即温度均不随时间而变化，输量不随时间而变化正常输油时，在一定时期内，同一地区的气温，地温与外界温度可以认为基本不变，油温及输量变化很小，基本符合稳定工况的假设②油流至周围介质的总传热系数 K 沿线为常数对于长输管道，由于要跨越不同的地3区，沿线的 K 值是变化的，但对于一个加热站间，一般可以认为 K 为常数③ 沿线地温和油品的比热 C 为常数随着地温的降低，油品的比热是变化的，所以沿线油流的比热并不等于常数，尤其是含蜡原油设有一条热输管道，管外径为 D(m)，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，加热站间距为 L，下面我们来讨论该管道沿线的温度分布规律。

在距加油站为 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：单位时间内管线向周围介质的散热量＝油流温降放出的热量即：K πD (T-T0)dL=－GCdT（负号表示 dL 与 dT 方向相反） dLGCKDTπ0对上式积分，积分限：T： TR－T ,L：0→L,LTddLR00π即： ln aGCKDLR,0π CK或：T aLReT)(上式即为轴向温降基本公式，也就是著名的舒霍夫公式根据进入加热站间距 L,可求得下一站的进站油温为：RaLRZeTT002.温降曲线的特点将舒霍夫公式描述的温度分布表示在 T－L 直角坐标图上，可画出沿线的温度分布图，即温降曲线由公式知：L=0, RLT0,由图可知：① 温降曲线为一指数曲线，渐近线为 0T② 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4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，曲线变平因此随出站温度的提高，下一站的进站油温 变化较小一般如果 提高 10℃，终点油温 只升高ZTRTZT5～7℃，当 值较大时， 升高就更小。

所以从减少热损失的角度考虑，加热站的出站油RaL温不宜过高3.影响热输管道轴向温降的因素①周围介质温度 ：不同季节 不同，温降情况亦不同冬季 低，温降快0T0T0T②油流至周围介质的总传热系数 K：它对温降的影响比较大 K 值增大时，温降将显著加快因此进行热流计算时，要慎重确定 K 值在后面要专门讲这个问题如果在两个加热站之间的管路上，K 值有明显的变化，则应分段计算③输量 G：在大输量下，沿线温度分布要比小输量时平缓得多（如下图 a 所示）随输量的减小，终点油温将急剧减小二.温度参数的选择使用轴向温降基本公式进行热力计算时，首先要确定三个温度参数， ， RT0,Z1.加热站出站油温的选择：一般要考虑三个方面的因素：①油品的性质：a． 一般在低于原油的初馏点，以免原油中的轻组分汽化影响泵的吸入另外一般原RT油和重油中均含有水，为了防止突沸， 一般不超过 100℃RTb.从粘温特性方面考虑：对于含蜡原油，在凝固点附近粘温曲线很陡，而当温度高于凝固点以上 30～40℃时，粘度随温降的变化较小，曲线变得较平缓，升高油温的降粘效果不大，而且热输含蜡原油管道常在紊流状态下输送，摩阻与粘度的 0.25 次方成正比，提高油温对摩阻的影响较小，而热损失却显著增大，故应使 。

)40~3(cTR凝 固 点 ＋对于重油，在 100℃以下的温度范围内，粘温曲线均较陡，提高油温的降粘效果显著，而且重油管道大都在层流状态下输送，摩阻与粘度的一次方成正比，提高油温减少摩阻的效果更显著，故重油管线的出站油温较高，为了减少热损失，管外常有保温层如房山至北京热电厂的减压渣油管线（ ，273，219，L＝71.2km）全线采用聚氨酯质泡沫塑料保温， 3255cTcTZR 70~65,95~0②管线的条件确定出站温度时，还必须考虑由于运行和安装温度的温差而使管路遭受的温度应力是否在强度范围内，以及防腐保温层的耐热能力是否适应等对于用沥青作防腐层的管道，出站油温不得高于沥青的最高耐温若温度过高，沥青层就会软化流滴而失去防腐能力一般沥青的最高耐温为 70℃③经济比较根据经济比较选择使管线的综合指标最好的出站油温2.加热站进站油温 T 的确定Z①经济比较：T 主要取决于经济比较T 高，粘度小，沿程摩阻小，可使动力费用减Z Z少，同时可降低泵站投资。

油温高，热损失大，燃料费用大，热站投资也大，故存在一个最优的进站油温 T ，使管线的综合经济指标最优Z②油品性质：主要是受凝固点的限制为了避免初凝（凝管）及再启动困难，一般至少要高于凝固点 3～5℃，即 T >=T ℃特别是对于凝固点较高的含蜡原油，由于在Z)5~3(凝凝固点附近的粘温曲线很陡，其经济进站油温常略高于凝固点当 T 接近凝固点时，要考Z虑这个限制思考题:某一管路,T ,D,K,L ,G,C 一定,能否同时选定 T ,T ?为什么? 运行时控制哪个温度方便?0R RZ3.环境温度 T 的确定对于架空管线, T 即为周围大气温度，埋地管线, T 为管线埋深处地土壤地自然温度T0 0是随季节和地区而变化的，各加热站间可能不同设计热输管道时, T 一般取管道埋深处0 0的最低月平均地温，运行时按当时的实际地温进行校核三.轴向温降公式的应用1.设计时确定加热站间距(加热站数)设计时,L,D,G,K,C, T 已定,按上述原则选定 T ,T ,则加热站间距为:0 RZL ln'πKDGCR0ZR6全线所需加热站数:n ,化整→n''RLRn 是化大还是化小,应根据 T ,T 是否接近极限温度以及 n 是接近较大整数还是较小R Z 'R整数而定。

一般情况下 n 应向大化设计的加热站间距为:L ,显然 L ,因此还要'R R'R根据 T ,L 反算 T ZR2.运行中计算沿程温降,特别是计算为保持要求的终点温度 T 所必须的加热站出口温度ZT .R3.校核站间允许的最小输量 G .min一般情况下,加热站间的 T 和 T 要受各种因素的限制, T 不能太高, T 不能太低,即:TRZ RZ当站间其它热力参数即 T ,D,K, L 一定时,对应于 T 的输量即minax,ZRT 0 minaxR为该热力条件下允许的最小输量:G = kg/smin0inaxlTCLKDZR4.对于热输管道来说,应严格控制其输量不得小于管线允许的最小输量对于满负荷运行的管线这是不成问题的对于不是满负荷运行的管线要保持实际输量> G 根据 G 计算minmin式, T ,D,K, L ,C 等都会影响 G 的大小因此 ,当各加热站间热力条件不同时,其允许的最0Rmin小输量也不同思考题:①某一热输管道,有 n 个加热站,各站间的热力条件不同,应怎样确定整条管线的允许最R小输量?②等温输油管有无最小输量问题?若有,它与热输管道的允许最小输量有何不同?( 等温输油管也有最小输量问题.它是从泵的效率角度考虑的,当输量很小时,泵效很低,泵所消耗的功率大都用于搅拌泵内油品,甚至会使其温度超过允许值).4.运行中反算总传热系数 K 值反算 K 值的目的:①积累运行资料,为以后设计新管线提供选择 K 值的依据。

7②通过 K 值的变化,了解沿线散热及结蜡情况,帮助指导生产 .K= lnRDLGC0TZ长期运行的管线根据反算求出的大量 K 值进行统计分析 ,可得出各站间 。