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1、资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。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。当前中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 ( thickoil ,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 2832, 50 运动粘
2、度约为2025 10 6 m 2 / s,胜利原油凝固点为2332 , 50 运动粘度约为 8090 106 m 2 / s 。稠油的特点是凝固点很低,一般低于 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490 10 6 m2 / s 。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。中国常把它作为评价原油流动性的指标之一。西方国家常见的是倾点 ( 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
3、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 :储罐和管道系统的结蜡问题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
4、等温输送方法 , 必须在输入管道前采用降凝降粘措施。加热输送是当前常见的方法 , 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资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。计算问题。除加热输送外 , 当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 , 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
5、般来说 , 其沿线的油温不但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
6、特点 :与等温管相比 ,热油管道的特点是 :沿程的能量损失包括热能损失和压能损失两部分。热能损失和压能损失互相联系,且热能损失起主导作用。因此设计热油管道时,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。因此对于某一输量 , 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。沿程油温不同 ,油流粘度不同 ,沿程水力坡降不是常数, iconst 。一个加热站间 ,距加热站越远 ,
7、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 ,资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。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 , 地温与外界温度能够认为基本不变 , 油温及输量变化很小 , 基本符合稳定工况的假设。油流至周围介质的总传热系数 K 沿
8、线为常数。对于长输管道 , 由于要跨越不同的地区 , 沿线的 K 值是变化的 , 但对于一个加热站间 , 一般能够认为 K 为常数。 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 , 因此沿线油流的比热并不等于常数 , 特别是含蜡原油。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
9、 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 D (T-T 0)dL= GCdT( 负号表示 dL 与 dT 方向相反 )TdTKD dLT0GC对上式积分 ,积分限 : T:T RT L ,L: 0 L,TLdTKD LdLTR TT0GC 0即: lnTRT0KD KD TLT0LaL, aGCGC或: TLT0(TT )e aLR0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 :TZTTRT e aLR002. 温降曲线的特点将舒霍夫公式描述的温度分布表示在TL 直
10、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 :资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。L=0, TLTRL, TLT0由图可知 : 温降曲线为一指数曲线 , 渐近线为 TT0 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。因此随出站温度的提高 , 下一站的进站油温 TZ 变化较小。一般如果 TR 提高 10, 终点油温 TZ 只升高 57 , 当 aL R 值较大时 , TZ 升高就更小。因此从减少热损失的角度考虑 , 加热站的出站油温
11、不宜过高。3. 影响热输管道轴向温降的因素周围介质温度 T0 :不同季节 T0 不同 ,温降情况亦不同。冬季T0 低,温降快。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。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,TR ,TZ , T0 。1. 加热站出站油温的选择
12、 :一般要考虑三个方面的因素:油品的性质 :aTR 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。另外一般原油和重油中均含有水 ,为了防止突沸 ,TR 一般不超过 100。b. 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资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。常在紊流状态下输送 ,摩阻与粘度的0.25次方成正比 ,损失却显著增大 ,故应使 TR凝固点 (3040 c) 。提高油温对摩阻的影响较小,
13、而热对于重油 ,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 (325 , 273, 219, L71.2km) 全线采用聚氨酯质泡沫塑料保温,TR9095 c, TZ6570 c 。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
14、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。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 Z 的确定经济比较 : T 主要取决于经济比较。 T 高,粘度小 ,沿程摩阻小 ,可使动力费用减少 ,ZZ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 Z , 使管线的综合经济指标最优。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 Z =T凝 (3 5) 。特别是对于凝固点较高的含蜡原油 ,由于在凝固点附近
15、的粘温曲线很陡, 其经济进站油温常略高于凝固点。 当 T Z接近凝固点时 ,要考虑这个限制。思考题 :某一管路 ,T0 ,D,K,LR ,G,C一定 , 能否同时选定T R ,TZ?为什么 ?运行时控制哪个温度方便?3. 环境温度 T 0 的确定资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。对于架空管线 , T 0 即为周围大气温度 ,埋地管线 , T 0 为管线埋深处地土壤地自然温度。T0 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 0 一般取管道埋深处的最低月平均地温 ,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
16、距 ( 加热站数 )设计时 ,L,D,G,K,C, T0 已定 , 按上述原则选定 T R ,T Z , 则加热站间距为 :LRGC ln TRT0KD TZT0全线所需加热站数 :n RL, 化整 n RLRn R 是化大还是化小 , 应根据 T R ,T Z 是否接近极限温度以及n R是接近较大整数还是较小整数而定。一般情况下n R应向大化。设计的加热站间距为 :L RL, 显然 L R LR , 因此还要nR根据 T Z ,L R 反算 T R 。2. 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 R .3. 校核站间允许的最小输量 Gm in .一
17、般情况下 , 加热站间的 T R 和 T Z 要受各种因素的限制, T R 不能太高 , T Z 不能太低 ,即:T R TR max,TZ TZ min 。当站间其它热力参数即 T 0 ,D,K, LR 一定时 , 对应于 T R max ,TZ min 的输量即为该热力条件下允许的最小输量 :GKD L Rkg/sm in =C ln TR maxT0TZ minT04. 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 m in 。根据Gm in 计算式 , T0 ,D,K, L R ,C
18、等都会影响 Gm in 的大小。因此 , 当各加热站间热力条件不同时 , 其允许的最小输量也不同。资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。思考题 :某一热输管道 , 有 n R 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小输量 ?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 :积累运行资料 , 为以后
19、设计新管线提供选择K 值的依据。经过 K值的变化 , 了解沿线散热及结蜡情况 , 帮助指导生产 .K=GCln TRT0DL RTZT0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K 值的大致范围 ,以及随季节的变化趋势。 根据各季节的 K 值及地温 T0 , 能够标出各季节在不同输量下, 保持 Tz为某一数值时的出站油温T R ,借以调度指挥生产。根据 K 值的变化也能够判断沿线的散热情况和结蜡情况:若 K, 如果此时 Q,H , 则说明管壁结蜡可能较严重, 应采取清蜡措施。若 K, 则可能是地下水位上升 , 或管道覆土被破坏 , 保温层进水等。由于温降公式是按照稳定
20、工况导出的, 因此反算 K 值时 , 应取水力和热力参数比较稳定情况下的数据。如果输量波动较大, 油温不稳定或有自然现象影响( 如冷空气前后 , 大雨前后 , 值T0 ,K 变化较大 ), 管线的传热相当不稳定 , 按稳定传热公式反算出来的K 值误差较大。当然生产管线的参数波动总是存在的, 只能相对而言 , 另外 , 只有经过大量数据的统计分析才能得出有意义的结果。四 . 考虑摩阻升温时的轴向温降计算油流沿管道向前流动过程中, 由于摩阻力而使压力不断下降。这部分压力能最终转化为摩阻热而加热油流。上面讲的温降基本公式, 未考虑摩阻热的影响 , 故只能用于流速低 , 温降大 ,摩阻热影响较小的情况 .