（油气储运工程专业论文）地面输汽管线总体优化设计的研究.pdf

t h er e s e a r c ho fo v e r a l lo p t i m a l d e s i g n a t i o n o fw e ts t e a ms u r f a c e p i p e l i n e ( a b s t r a c t ) r e g a r d i n gw e t s t e s r ns u r f a c ep i p e l i n ea st h eo b j e c to f s t u d y , a c c o r d i n g t o h e a t i n ge c o n o m i c a lp r i n c i p l ea n dt h en a t i o n a lt h e r m a li n s u l a t i o ns t a n d a r d ， c o n s i d e r i n g t h ew h o l ea n n u a l c o s t ，t h ep a p e ra c h i e v e s t h e o p t i m a l d e s i g n a t i o n o f w e ts t e a ms u r f a c ep i p e l i n ei n s u l a t i o n b y m e a n so f t h eo p t i m a lm a t h e m a t i c a lm o d e l sh a v eb e e n b u i l t ，d i s c u s s i n g t w oa s p e c t so f s i n g l ei n s u l a t i n gl a y e ra n dd o u b l ei n s u l a t i n gl a y so fs u r f a c e p i p e l i n e ，i n c l u d e sw h e nt h ed i a m e t e rh a sb e e nf i x e d ，f i n do u tt h eo p t i m a l t h i c k n e s so f i n s u l a t i n gl a y e r ，a l s ow h e n t h ed i a m e t e ri sb n k n o w n ，f i n do u t t h eo p t i m a ld i a m e t e ra n dt h i c k n e s so f i n s u l a t i n gl a y e r ( s ) a tt h es a l t l et i m e a n dt h e na n a l y z et h ed i f f e r e n tr e s u l t so c c u r a l s od i s c u s st h ed e p e n d e n c yo f b e s td e s i g np r o j e c tt o t e m p e r a t u r ea n dt h e n o n d e c i s i v e p a r a m e t e r t h e c o n c l u s i o nt h a th a sb e e nd r a w nc a nb eu s e df o rp r o v i d i n ge v i d e n c ef o rt h e a d j u s t m e n to fd e s i g np r o j e c tw h e nt h ed e s i g n e dp a r a m e t e rc h a n g e da n da l s o f o rt h er e b u i l do f t h ei n s u l a t i o n p i p e l i n eh a sb e e n b u i l t t h er e s u l ts h o w s ： ( 1 ) a st h eh e a tt r a n s f e rs t a t ei ss t e a d ya n dt h et h e r m a lc o n d u c t i v i t yf a c t o r c h a n g e s w i t h t e m p e r a t u r e ，t h e r e m u s tb ea ne c o n o m i c a lt h i c k n e s so f i n s u l a t i n gl a y e r f o ra s i n g l e l a y e ra n d a d o u b l e l a y e ri n s u l a t i n gp i p e l i n e ( 2 ) t od e s i g nad o u b l e d e c kh e a ti n s u l a t i n gp i p e l i n ei sm o r e c o m p l e x t h a n as i n g l eo n e b u tt h ef o r m e rc a nm a k eu pf o rt h es h o r t a g e so f t h el a t t e ri n c o m p r e s s i o ns t r e n g t h ，h i g h e rt e m p e r a t u r er e s i s t a n c e ，w a t e rp r o o fa n ds oo n a n dw h e nt h ed i a m e t e ri sf i x e d ，a l s ow i t ht h es a m et h e r m a lc o n d u c t i v i t y f a c t o lt h ea n n u a le x p e n s eo ft h ed o u b l e - l a y e ri n s u l a t i n gp i p e l i n ei sm o r e l e s st h a nt h es i n g l eo n e f 3 1a st h es i z eo ft h ed i a m e t e ri r d l u e n c et h ev e l o c i t ya n dt h ep r e s s u r e d e e l i n eo f t h ep i p e ，i ti sr e a s o n a b l ea n dn e c e s s a r yt oc o n s i d e rt h et w op a r t s o ft h ec o s ti n c l u d e sb o t l , i n v e s ta n dt h eo p e r a t i n ge x p e n d i t u r e ，t h es t a r - i to f t h et h e r m a ll o s sc o s ta n dp o w e rc o s t ，w h e nd e s i g nt h eo p t i m u mi n s u l a t i n g p i p e l i n ei n w h o l et h e r em u s tb eaa d n m a ld i a m e t e ra n da ne c o n o m i c a l t h i c k n e s so f i n s u l a t i n gl a y e rf o ras i n g l e l a y e ra n dad o u b l e - | a y e zi n s u l a t i n g p i p e l i n e ( 4 ) d i s c u s s i n gt h ei 蠲u e n e eo ft e m p e r a t u r et ot h eo 州m a lr e s u l t s ，i ti s s h e w e dt h a tc o m p a r ev a i l a b l et h e r m a le o n d u c t i v i t yt oc o n s t a n t也e “n a l c o n d u e f i v i t y , t h e f o r m e r c a r l d r a w a b e t t e r c o n c l u s i o n t h a n t h e l a t t e r ( 5 ) e x a m i n et h er e l m i o n s h i po f e c o n o m i c a lt a r g e t s t h eo p t i m u mv a r i a b l e s a n dt h el l o n d e 匹基v e p a r a m e t e r , i ti s 幻m i dt h a t s o t n en o n - d e c i s i v e p a r a m e t e re s p e c i a l l yt h ep d c eo fe l e e t r i c i t ya n dt h e r m a le n e r g yc a na f f e c t t h ea n n u a lc o s ta n dd i a m e t e rs i z eo rt h e r m a ll a y e rt h i c k n e s st os ：o r t a ed e g r e e ， w h e nt h ei n f l u e n c ei sa p p a r e n t ，w en e e dt oa d j u s tt h eo u t l e tp a r a m e t e r , k e yw o r d s ：r i p e l i n e t o p t i m i z e ，b s u l 甜嘴l a y e r e c o n o m i c a lt h i c k n e s s ，v a r i a b l et h e r m a lc o n d u c t i v i t y 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成采。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 沦文中不包含蒸缝人已经发表蠛撰写过的硬究成果，也不包禽为获得蠢 油大学或其它教育机构的学位或证书晰使用过的材料。与我一问工作的 强恚瓣本磁究掰敲懿镁籁贡献璃已莛谂文孛终了骥确熬滋弱劳表示了瀣 意。 签名：j 阻洲 年岁月，。e l 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保愆、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送爻论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学校 可鼓公囊论文豹全罄或罄分内容，可以采用影印、缭印或其德复制手段 保存论文。 f 傺密论文在解密螽痤遵守毙麓定) 学生签名： 蛩嚣签名； 盥翌蠛j 鲫，年f 用hr 每爨 一 互垄查兰! 堂垄! 堡主堕奎竖 引言 一、选题的必要性 能源是发展国民经济的重要物质基础。国内外都十分重视能源的合 理开发和利用。我国要实现工农业生产总值的翻番，重要问题就是要解 决好能源这个物质基础。解决能源问题的一条有效途径就是节能，提高 能源的利用率，减少浪费。目前，我国平均的能量利用率还不高，只有 2 8 左右，而日本、美国则分别为5 7 和5 1 。如果我国的能源利用率提 高到4 0 ，则每年可以节约标准煤两亿多吨。据预测，应用节能技术可 使世界总能耗减少2 0 至3 0 “”。 在各种节能技术中，近几十年迅速发展起来的保温节能技术由于效 果显著，引人瞩目。随着能源价格的急剧上涨，原来价格低廉时给出的 基本合理的保温设计，现在已经不合理了，造成大量的能源浪费。目前， 从世界上所面临的严重能源问题这一形势出发，不仅对新建的输热装 置，需要采用最优化的保温设计方法，同时对于已建立的输热装置也需 要重瓤审定是否最优化，从而提出技术改造方案达到节能的目的。 管线保温是传热学中的一个课题，人们已经进行了大量的研究和实 践，在节能工作曰益引起重视的今天，应用新型保温材料和技术对管线 进行优化设计，以进一步提高保温节能的效益，仍然是一个重要课题。 二、国内外油田保温管线的研究现状及发展趋势 在我国，保温材料与保温技术发展较快。据不完全统计，主要保温 材料的年产量近5 0 0 万立方米“。”，主要用于石油、化工、电力、冶金、 轻纺等工业设施及城市热网，近几年，我国叉推出一系列标准和规范以 实现保温与节能的制度化和法制化。例如，现行国家标准设备及管道 保温设计通则( g b 4 2 7 2 - - 9 2 ) ，设备及管道保温设计导则( g b 8 1 7 5 8 7 ) ，工业设备及管道绝热工程设计规范( g b 5 0 2 6 4 - - 9 7 ) 等等。尽 垒鎏叁堂! 兰奎! 堡主鲨塞 ! |塞 管许多工业部门都在不断加强保温与节能的推广工作，假与发达国家相 比，我罄保温技术水平仍较 氐，还鬟要避一步健全撩关的法律，宠善保 温标准，改进一些保温工程的保温效果等等。 通过管线保滠节约熊源是群决能源润题的途径之一，基前褒工程中 爨多的怒采用单朦保温。僵由于保温材料在价格、机械强度、耐溢吸水 性等多方面的差异，在许多的情况下采用双层保温会得剿更好的效果。 对保温鬻线静设诗，文献上豹蔽法是将诸多约束条件分翮考虑或只考虑 其中一部分约柬条件，例如以投蒎和运行费用作为优化指标，在保温材 辩懿物镶苓隧瀑澄交纯瓣情嚣下，导出傺溢爱经济厚度靛计算公式，未 潆虑其他条件，如保温的国家标准，管镪，保温材料的物性随温度变化 等等。实际上来被考虑熬条 孛会澎晌傀纯结采。织懿喾较，它影响整条 管线的流速和压降，也就影响了管材投资和动力赞用，影响最终的优化 续象。雯处，慰绦涅警线豹设计，传统方法是将僳渥设诗翻管径浚计分 ) t ，进行，实际上这种设计方法并不能保证设计方察是最优的。为此在设 计时必须阉对考虑管经禳僚漫屡溪度。 综上所述，本文将在保温材料的物性随温度变化( 变导热系数) 的 魏提下，对地面输汽管线的单保濑层、双僳湿层嚣秘情况分割进行磺究。 研究内容包括，以保温管线的等额年费用为优化指标，讨论在管径一定 的情况下，保温层经济厚度这优化变爨豹确定；以及农管径未知对， 嫩佳经济管径和最佳傈漱层厚度这两个优化变量的确定；并对优化结果 避行分卡厅。所得出的结论可以为非设计参数变化之后管线设计方察的调 熬提供依括，也w 良为已有豹蒸汽保温篱线的改造提供依据。 石油大学 华末) 硕士论_ 文第一章最优化查法简介 第l 章最优化方法简介” 掰漤簸往鼗，裁是从蘑毒方寰孛造挎最合理缒一秘，以达到羧优瑶椽 的学科。达到最优目标的方案是最优方絮，搜寻最优方案的方法是最优方 法，这秘方法的数学理论就是竣优证理论。 一、最优他问题的提出 最优化问题来源予实际，当人们要完成菜一颂任务或解决菜实际阉 题时，人们需要选择最好的、最合理的方案。霜科学的方法找出袋优方案， 搏用较准确的数值绘出签案，就必须解决以下几个问题：提出优化指标一 衡薰方絮优劣的标准；建立茸舔涵数一溺趣的数学位；找密约束条f 辛一方 案需满足的条件；建立了目标函数和约束条件，就将实际问题抽象为数学 闳题，建立了数学模登。之后，裁要遥密合适豹鼗学方法来求壅最优馥。 求最优德，实际就是求目标函数的最大德或最小值。 二、爱霞稼翔惩煞一般疆念 大爨实际优化问题的数学模型都可以表示成如下的极小化问题 m i nf ( x ) ( 1 - 1 ) s ，t g ，( x ) 4 0 ，i = l ，2 ，m h i o ，区间缩短率 ：尘型兰o 6 1 8 0 3 3 9 8 8 ： 2 ( 2 ) 计算x a = 8 + ( b - a ) ，f 产f ( x ：) ： ( 3 ) 计算x = a + ( 卜 ) ( b - a ) ， f ，= f ( x ) ； ( 4 ) 若| 6 一刮，求出近似解x + = ( a + b ) 2 停止搜索：输出x ，f ( x ) 若i b 一口l 则做( 5 ) ； 石油大学( 华东) 硕士论文第一章最优化方法简介 ( 国蓑f 、矗，煎| 取缸x ：，x 。= x ；，f a = f ，转( 3 ) ；否翻转( 6 ) ( 6 ) 令a = x ，x = x 。，f 】- f 2 ，x p = a + x ( b a ) ，f 产f ( x 2 ) ，转( 4 ) 。 箕程序框鹜魏烫l 一2 繇示。 塑1 - 2 黄垒分割法攫强 甲 国 糯出x ， f $ ) ， 2 、约束问题的最优化方法l 嘏机试骏法 一般鹩侥纯阕戆，酱甏多稀闲綮酶蔫璜与翻药，它静褥标函数楚多元 函数，称为多维优化问题。求解多维问题的方法很多，在术设计中我们采 溺淹静实验法逶移袋解。 随机试验法又祢蒙特卡洛方法( m o r l t e c a r l o ) ，它属于直接解法， 蠲予求解终寒菲线性最爨纯设计淘遐。它懿基本恩怨是翻趱诗算瓿产垒貔 6 葶 甲 至迪盔黧! 兰查! 堡主垫塞 塑= 量星堡垡夏鳖堕立 镄随梳羧，酸设诗方案熬舍 d = ) ( 1 。；：；瓯，t = - ，。，n ) ) 中进行分批抽样。每批抽样中包含若干个设计方燕，对每个设计方案都谶 l 予检验，看它是嚣满足约束条件；不满足对重毅抽样，满足约柬条 牛则计 簿它的图标函数值，并按各方案黼标函数值的大小进行摊到，取蹬前几个 竣十几个最好的，然后在进行下批抽样实验。当每批抽样实验的前几个 蹭标函数值不孬脊明显变动对说鞠它已按概率收敛予巢最优化设计方 案。 随梳试验法靛舞法蟊下： ( 1 ) 选定设计变量的上限和下限 a i ，b 。 ，( i = l ，2 ，n ，1 1 为设计变量 数) 当举荔判錾簸饶鼹鹤解蠛霹，氇胃敬鼗 一一，+ 一l ( 2 ) 产生 o ，1 3 区间内服从均匀分布的一个伪随机数判 r 。) ( 3 ) 形残蘧撬试验纛； 潜能对最忧解x = i x 。x ，x 1 给出个解域 a i x ；+ b ；( i = l ，2 ，n ) 刚设计方案的抽样或随机试验点为 x i “：港f + r “( b l 8 i )( i = i ，2 ，n ；k = l ，2 ，n ) 式中n 一每个设计方案中的设计变量数； n 一每批试验包括的设计方案数，通常为5 0 0 ，1 0 0 0 ，1 0 0 0 0 ，或 1 5 0 0 0 。 ( 4 ) 梭验约束条件： ( x 【“，x z ”，瓢) o( u = l ，2 ，m ) 如果不满足则转向第( 2 ) 步；否则转向( 5 ) 。 ( 5 ) 计算随褫试验点黪函数德f 仅“) ，转融步骤( 2 ) ，如就反蔓循环，纛 楚得到n 个目标函数值为止； ( 6 j 将辩令试验点获蒺函数餮游大，l 、瓣敬，我瘵簸爵点x 静及英荫数氆； f ( x “) = r a i n f ( x “)( k = l ，2 ，n ) l ( 7 ) 确定前p 个最好试验点魏平稳德x ，( i = i ，2 ，n ) 和均方穰差 7 石油大学( 华东) 硕士论文 第一章最优化方法简介 6 ，若求得的最好点的函数值在每批抽样试验中不再有明显的变化，或 者当5 值小于或者等于某一预先规定的一个很小的数时，则认为己收敛 于最优设计方案并取其函数值最小的试验点为优化设计的近似解：x 和 f ( x + ) 。否则转入下一步； ( 8 ) 构成新的试验区间 牙，一3 5 , ，王，+ 3 一 ，转向步骤( 3 ) 。 随机试验法的程序框图如图1 - 3 所示。 随机试验法的优点是方法简单便于编写程序，它不需要给出最优解的 精确解域，在各种情况下能保证按概率收敛于某一最优方案，并且由于该 法按均匀的概率密度分布随机抽样，并在可行域内向好点集中，故所求得 的解很可能是全局最优解：其缺点是求解约束非线性最优化设计问题时， 需要计算上百个以至上百万个随机点，计算量大，计算效率低，同时当变 量数增多时收敛速度将会减慢。但对中小型问题这种方法还是可用的，特 别是随着计算机速度的提高，这己不是影响问题求解的主要因素。 鱼垫盔堂! 兰查! 堡主笙壅 蔓二兰墨垡垡互鲨塑坌 图卜3 嘲期剜嗽畏序框图 9 鱼鎏盔堂! 垡墨! 堡主笙塞 蔓三塞些耍塑巍篁垡塑杰垄：垫杰茎篓 第2 章地面输汽管线的水力、热力计算 嚣穗滚动是鐾然爨中一秘最蜚运载浚凌形态。惫蕤汽滚、气嚣、 液液、液一固鳟许多种搂。其中汽( 气) 液两相流动是最复杂的。 滠蒸汽在地葱管线中豹流动，载怒典型豹汽滚强辐滚动。本章将羞重 介绍汽一液两相流动的基举方程和压降的计算，热蹙传递的基本邋论和 计算方法。 2 1 地面输汽管线的水力计算 针对石洼工款戆嚣秘涟凄，窳力诗冀瓣主要醛翡是确定管凌申戆匿 降，以便选择水泵的压头和求出沿程的压力变化。 处理题提渡动耀题融，有嚣移主要磅突方法。筵一静方法是分燃对 每相写出麒基本方程；在非连续的两相分界面上，则应满足界面衔接条 件的边爨方程窝边界条磐。第二静方法是把嚣梗掺为一令憋终来麓遗其 基本方程。在这一方法中，又有两种不同l q 处理方式。一种是把两相看 份均匀混合体，并以均匀混合鲍乎均参数( 速瘦、密度等) 终为宠挂参 数，而且不考虑两相分界硒上的不连续姓。这种处理方法，通常称作均 质模型。另一种方式分别对每一棚写出冀糕本方程，并考虑分界霹的衔 接条件，群把两褶作为一个整体将有关公式综合越来，得剐两相混合物 的基本方程。后种处理方法，通常被称为分离模型。 在本文中，将管内的流动简纯为一维稳定流动并采溺分离模鼙来处 理地面输汽管线中的两相流动问题。 一、一缍稔定流动静基零方释 将管内两相流动简化为一维流动，截酾上每相的速度和密度具有按 葵癀占裁鬻豹平均毽；设想汽、滚嚣帮分离流动，在两葙分葬瑟土宥震 交换( 蒸发或凝结) ；假设垂直于管轴z 方向的任何截面上，压力是均 匀弱，蔼耀获去截嚣之彝等于管予裁嚣豹凝稷。 l 、连续性方程 殛相漫食麴逐续瞧方程： 石油人学( 华东) 硕士论文第二章地面输汽管线的水力、热力计算 d t p l , ( 1 - - g o ) 爿】+ 要【p g u g e g 爿】= o ( 2 一1 ) 或由两相流体的质量通量m 表示为： 毫( 叫) + d ( m c a ) = o 或芝( 蒯) = 。( 2 - 2 ) 对于截面不变的管道，则有： d p ：l ( 1 一占g ) + 导( p d u ( ；6 6 ) = o ( 2 3 ) n 遽- ( m l + m g ) = i d m = o ( 2 - 4 ) 式中u 一流动速度，m s ； u ；_ 液相流速，m s ； u 。汽相流速，m s ； m 一两相流体的质量通量( 或质量流速) ，k g m 2 s 一： m 。一液相质量通量，k g m 。s 一； m r 一汽相质量通量，k g m - ”s 。： a 一通道截面积，m 2 ； e 。? 汽相空隙率， 86 2 旦 ，l = l 一b 2 、动量方程 根据动量守恒定律，作用在每相上的力的和应等于该相的动量的变 化。在z 方向上的动量方程为： 一老一等一印，捌n 口= j l 忑d ( 一慨( 1 一m 2 + 户。气“：】) ( 2 - 5 ) 对于截面不变的通道，上式可以写为： 一老一筹一卯r es i n a = 兰魄( 1 - c g ：+ 风：】( 2 - 5 ) 缸油大学( 媾东) 硕士论文 第二章地面输汽管线的水力、热力计算 或者写为： 一老一筹一舻，s i n a = m2 磊de 篇一去，z ， 式中p 一壁面上的周长( 湿周) ，m ； p ”两捐漓合物的密度，k g m 3 ； t 。广壁面上的剪应力，n 廿： a 管籀对承平方离的颓惫； 公式( 2 7 ) 等号左边第一i 员袭示总雁力梯度；第二项为摩擦压力 梯度，以旦粤表示：第三项为熏力压力梯度，以皇坠波示：等号右 a z d z 边为加速压力梯度，以华表示。所以由公式( 2 7 ) ，总压力梯度可 表示为： 害一警一誓一警 s ， 出出如出 7 其中 一亟：芷 出爿 一誓嗣磊d 。f ( 肛l - x ) 。z 了+ 一x _ 如l p 1 p 】 出 出( 一) 。 一誓= 鳓, s i n o t = g 【凡+ 矶( 1 ) 】s i n 盘 ( 2 - 9 ) ( 2 - 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) 二、两稻流动光因次准弼方獠 无因次准则一般是出阅次分析或由描述该现象的主要方程式的关 1 2 ! ! 垄查堂! 兰垄! 堡主堡塞 釜三墨堂亘塑塑垄型塑业生蔓、_ i ! ；! 娑要 键参量的无因次化而获得的。使用无因次分析可以使物理现象简化并能 推广用于其它相似现象。摩擦压力梯度也可以写为无因次准则的函数： 警= 俨f rw e ，。，。脚 式中 尺。= 一雷诺准则； n 2 乡知) 一傅鲁德准则： w e = p l u ；钐韦伯准则( 惯性力对表面张力的比值) ： 口一容积含汽率。 三、两相流动的压降 1 、管内两相流参数特点 由上述可知，要想精确的确定两相流体的压降，就必须知道空隙率、 两相流体的密度和流速的分布情况。为简化起见，常常假设两相流体的 参数只沿通道长度变化( 一维) ，在每个管子截面上则是均匀不变的。 在绝热的两相流动和受热的两相流动中，空隙率、密度和流速的分 布有明显的差别。主要在于，在绝热的两相系统中，沿管轴方向的蒸汽 含量( 干度) 是固定不变的：在受热的情况下( 液相不断的被蒸发) ， 蒸发下度和空隙率沿通道长度是增加的，流体密度则是下降的。因此， 在绝热系统中，只要截面积保持不变，流体的加速损失( 由于压力降低 而发生汽相的膨胀所致) 是非常小的，而在受热系统中，加速项则随液 相的蒸发率增加( 热通流量的增大) 而增大。 另外，压降和两相流体的流型关系也很大。在千度较小时，压降随 - f 度的增加而迅速增大，在一定干度值以后，压降增加很少，甚至下降。 2 、压降的计算方法 ( 1 ) 分离模型压降的微分公式 前面( 2 8 ) 到( 2 一1 1 ) 已经给出分离模型压降的微分公式，对于 堑迪查堂! 望堑! 堡主笙苎星三兰丝耍塑望堕垡塑查垄：垫垄盐墨 圆管， !=繁=i2(2-12)a一3 磊2 i 因此， 一墼=2rr_ko(2-13)a2k 两相流体的摩擦压力梯度表示为： 一阵)-(誓w乙=百4fw西m2伊。2az ( 2 - 1 4 ) d zu0 0 ? 式中 一( ! 氅) i x ) - - 假设全部流体( 包括液体和汽体) 均为液相时，其 在相同管子内流动的摩擦压力梯度： 易一两相摩擦因子，表示两相流体摩擦压力梯度与全部流体质 量假设为液体时的摩擦压力梯度的比值， 舷：( 正。一假设全部质量为液相时摩擦系数。 ( 2 ) 摩擦压力损失 分离模型的特点是通过摩擦因子来计算摩擦压力梯度。因此，要计 算摩擦压降或压力梯度，必须对( 一两相流体的摩擦压力系数) 和二做进一步的说明。 采用分离模型来计算摩擦压力梯度有多种方法。如l o c k h a r t 和 m a r t i n e l l i 方法，f r i e d e l 方法。f r i e d e l 整理出的经验公式不仅- i l k , 较精确( 标准误差一般不超过3 0 ) 的用于计算垂直上升和水平方向单 组分两相流体( 如水一蒸汽) ，而且可用于双组分流体的计算，后者误 ! ! 些叁堂! 堡垒! 堡主丝茎 苎三雯垫亘塑塞堕垡堕查垄：垫垄笪塞 差一般不超过4 0 至8 0 。在后面地面输汽管线的计算中将采用f r i e d e l 方法来计算两相摩擦压力损失。 f r i e d e l 将2 5 0 0 0 个试验点与已有的各种关系式做了比较之后提出 如下经验公式： 虼= e + 万3 咿2 4 h f 2 - 1 5 ) 式中： e ：( 1 - x ) 2 + z 2 丝孥 ( 2 1 6 ) f = x 0 7 5 ( 1 一z ) 。2 “( 2 - 1 7 ) h ：( 丝) 。t ( 丝) ”，( 1 一丝) ” p gpl弘i n ：三 露g d w e ：，m 2 d p n a 式中 p 。一两相流体的密度( 均质密度) ； p = ( + 1 - x ) 一或者 p 。= 属+ ( 1 一) p p ( ；pl “ “一动力粘度，p a s ； 盹一汽相动力粘度，p a s a 一液相动力粘度，p a s 口一表面张力，n m ： ( 2 1 8 ) ( 2 - 1 9 ) ( 2 - 2 0 ) ! ! 塑叁堂! 兰奎! 堡主丝奎 蔓三兰些耍塑壅笪垡塑i 竖塑：垫塑生兰 z 。一假设全部质量为汽相时摩擦系数； 睨一韦伯数。 f o _ q 。：( 丝) n ，两相均为层流时，n = 1 ：两相均为湍流时，水力光滑 ，( )卢l 管n = o 2 ，水力粗糙管n ：0 。最常见工况，n = o 2 。 求单相流体的摩阻系数f 可以用以下经验公式。1 计算： r e 2 0 0 0 时， ，2 ( 2 - 2 1 ) r e 2 0 0 0 时， _ = _ 2 o l g 【百3 7 a + 雨1 2 ) ( 2 - 2 2 ) 口= 一2 o l g ( 百3 7 a + 2 k 5 e 1 a ) ( 2 - 2 3 ) c = _ 2 o l g ( 百3 7 a 扣2 k 5 e 1 b ) ( 2 - 2 4 ) ，- ( 粼c2 ba ) _ 2 ( 2 _ 2 5 ) j、一j-， 。， r e = “ ( 2 2 6 ) 式中的各参数定性温度可表示为： t f = ( t 、+ t 。) 2( 2 - 2 7 ) t ”t 。分别是进出、口温度，其中 t z = t 一- - 0 pc p ( 2 - 2 8 ) c 。一流体的定压比热，k j ( k g k ) 。 ( 3 ) 加速压力损失 ! ! 鎏查堂! 兰查! 堡主垒塞 笙三主些亘塑壅笪垡盟查查：垫! ! ! ! 兰 对分离模型，加速压力梯度一车和加速压降一卸。可分别表示为： 一盟；。z 旦f ! 生+ ( 2 2 9 ) 出 出。矶( 1 一) p g 4 一卸。：生【血+ 譬娑- 1 】( 2 - 3 0 ) p l g p p gu 一6 ( j e ) 2 2 地面输热管线的热力计算 地面保温管线热力计算的主要内容就是确定管线的热损失，并以此 为依据，给出保温的最优设计参数一最佳的保温层厚度，。 管线的保温可以分为单层保温和双层保温，前者具有施工简单，操 作方便，初始投资小等优点；后者克服了单层保温在机械强度、耐温性、 吸水性等方面的弱点，在许多情况下可以得到更好的效果。 本节就单层保温和双层保温两种不同的情况，分析其不同的传热模 型，给出其相应的热损失计算。 一、单层保温的传热模型及热力计算“”1 单层保温的输热管道横截面如图2 1 所示。 经过保温后的输热管线，特别是经过最优化保温后的输热管线，由 于径向热损失引起流体温度变化不大，因此在单位管长内可以假定： ( 1 ) 传热是稳态并且无内热源： ( 2 ) 热流方向是径向一维的； ( 3 ) 忽略管内介质与管壁的换热热阻，( 忽略该热阻对于保温层的优 化是保守设计，更可靠) 。 蕾_ 糯大学( 华东) 硕士论文第二章地面输汽管线的水力、热力计算 搬地| = ： 鞠2 1 输熬蓬譬擎瓣绦涟截麓积及其抟热横型 通过多层组合的径向导热，单位长度的径向热流量为 。l n ( ) 嶷，= 2 厩。 l n 影 r ； 垒 。 2 死l 萄d 严硅一26 ，髑方程( 2 3 4 ) 可写为： 1 8 ( 2 - 3 1 ) ( 2 3 2 ) ( 2 3 3 ) ( 2 - 3 4 ) 罂酗南 | f c s i 琏 ! ! 鎏叁堂! 兰查! 堡主笙垄 笙三塞丝垂熊堕笪垡煦垄查：憩2 1 1 1 茎 l 蜷+ 莩 铲1 乒( 2 - 3 5 ) 假定t ，一t 。 则 弘去 耻赤 ( 2 3 6 ) ( 2 3 7 ) 耻盘= 币r 5 酉r 6 = 丽1 ( n - 3 9 ) 墨氏 式中q r 一为单饿管长上的换热精，w m ； t r 一载热流体的温度，k ； 下。一环境漱度，k ； t ，一环境辐射温度，k ； 彳，一傈溢鼷矫壁溢度，k ； r 。一各传热热阻，m k w ； d ，d _ 一分嬲隽管道酌内、夕 径，m ； h 一载热流体与管矬之间的换热系数，w ( m 2 k ) ； h 。徐瀑矮终壁毒璃登甄囊翡对流换热系数，w ( m 2 k ) ； h ，一保温管壁辐射的当量对流换热系数，w ( m 2 k ) ： x 。一管壁瓣导热系数，w ( m 嚣) ； 保温层的导热系数，w ( m k ) ； d 厂镶漫震戆罄夕 径，m ； 6 一保温滕的厚度，m ； l i 油大学( 华东) 硕士论文第二章地面输汽管线的水力、热力计算 r ；一管内流体与管壁之间的换热热阻，m k w ： r 2 _ 管壁的导热热阻，m k w ； r 广_ 保温层的导热热阻，m k w ： r 。一保温层外壁与环境的传热热阻，m k w ； r 。保温层外壁与环境的对流热阻，m k w ； r 。一保温层外壁与环境的辐射热阻，n l k w ： e 保温材料外表面的热发射率； o 一辐射常数，o = 5 6 7 x 1 0 “w ( m 2 一) 从上述方程得： 骁2 雨 q 叫0 ) 由假设2 ，忽略r 后， ”靠 q 叫1 ) 对管内湍流强制对流换热，使用如下公式： n u d = o 0 2 3 r e , s p r “( 2 - 4 2 ) ( 2 - 4 2 ) 式的应用范围：1 0 4 r e 1 2 1 0 i ，p r = o 7 1 2 0 加热流体时，n = o 4 冷却流体时，n = o 3 公式中的物性参数都以流体平均温度t ，( 即管道进、出口两个截面 平均温度的算术平均值) 来确定。其中， r 。= 塑煎：u f l _ l( 2 4 3 ) p r l ：掣( 2 喇) i t ， 2 0 ! ! 迪查堂! 兰垒! 堡主堡塞 兰三皇丝堕塑塞笪矍塑查垄：垫垄生墨 对于管内层流流动时，可采用 n u 矿，舶+ 熹鬻器 n u 扩皇璺 ( 2 4 6 ) 1 式中n u 。，一管内流动的努谢尔数； r e 。一管内流动的雷诺数； p r ，一管内流体的普朗特数； u ，一管内流动的速度，m s ： p ，一流体的密度，k g m 3 ； u 一管内流动流体的动力粘度，p a s ； y ，一管内流动流体的运动粘度，m v s ； c 。，一管内流动流体的定压比热，k j ( k g k ) ； 。一管内流动流体的导热系数，w ( m k ) ； l 一管子的长度，m ； 对于管外与环境的换热，由于风速引起的强迫对流，根据文献可采 用下列公式计算： 当l r e 1 0 3 时 n u 产( o ，4 3 + 0 5 0 r e ，“5 ) p r “( p r ，p r 。) 。”( 2 - 4 7 ) 当1 0 0 0 r e 2 i 0 5 n u 产o 2 5 r e f o 6 p r “”( p r j p r 。) o ”( 2 - 4 8 ) 管道位于空气中时，p r ，p r ，= l 上述公式( 2 4 7 ，2 4 8 ) 中， 定性温度为：乙= 去( t + l )( 2 - 4 9 ) 无量纲参数： _ i 油大学( 华尔) 硕士论文第二章地面输汽管线的水力、热力诖篁 雷诺数r 。，：堕 。 y 努塞尔数v i ：_ h d 3 ( 2 - 5 0 ) ( 2 5 1 ) 普朗特数只= 口( 2 - 5 2 ) 在大空间自然对流情况下，据文献可采用下列公式 n 。= c ( 只g ，) ”( 2 - 5 3 ) h 。= n u 。d 3 ( 2 - 5 4 ) 式( 2 - 5 3 ) 中c 与1 3 值，按( g r p r ) 值来确定： 当( g r p r ) = 1 1 0 = 5 x1 0 2 时，c = i 1 8 ，n = l 8 ： 当( g r p r ) = 5 1 0 2 2 1 0 7 时，c = o 5 4 ，n ：i 4 ： 当( g r p r ) = 2 1 0 7 l 1 0 ”时，c = o 1 3 5 ，n = i 3 。 式中 丸一管外空气的导热系数，w ( i 1 1 k ) ； 格拉晓夫数g r ：一g f l d 3 , t ( 2 - 5 5 ) y a t = l l ( 2 5 6 ) 上述传热模型中，在计算单位长度的热损失时，由于保温层外壁温 度耳是q 。的函数，随q l 而变化，因此b 与q 。值需要迭代计算才能得到， 也就是先假定耳值，然后从以上方程中得到q t 值，再由下式得到l ： 0 = 瑰r 。+ 瓦 ( 2 5 7 ) 若l 。e 时，则可确定0 l 值。 l i 油x q - ( 华尔) 硕士论文第二章地面输汽管线的水力、热力计算 二、双层保温的传热模型及热力计算 经过双层保温后的输热管道的横截面积如图2 2 所示。 假设输热管道满足下列条件： ( 1 ) 无内热源的稳态导热： ( 2 ) 热流方向是径向维的； ( 3 ) 忽略管内介质与管壁的换热热阻，( 忽略该热阻对于保温层的优 化是保守设计，更可靠) ； ( 4 ) 保温层之间、保温材料与金属壁之间紧密接触，即接触热阻为 零： ( 5 ) 保温材料的导热系数随温度线性变化。 i i 油人学( 华东) 硕士论文第二章地面输汽管线的水力、热地算 lx 翌器! 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