（石油与天然气工程专业论文）东辛输油管线运行工况探讨.pdf

摘要 东辛输油管线承担着胜利油田向齐鲁石化输送原油的任务。按现行工况运行，部分 站库节流较多，而且在不同地温下，所运行的加热炉和输油泵不匹配，造成能源损耗较 大。 根据管道运行现状，采集了该管线的基本情况资料和一年的运行参数，计算了输油 管线各管段的总传热系数和当量管内径，并通过计算结果对东辛输油管线周围的温度 场、管线的结蜡情况进行了分段分析。在不改变现有设备条件和确保原油外输任务的前 提下，采用p i p e p h a s e 软件进行不同热力条件下的管线工艺计算，分析确定该输油管线 的优化运行方案。鉴于本单位用电成本相对紧张的现状，制定了经济运行方案，明确不 同地温下各站库输油泵和加热炉的最佳运行方案，使能耗费用尽可能低。 关键词：长输管道；总传热系数；当量管内径；工艺计算；优化运行 t h ew o r kc o n d i t i o na n a l y s i so ft h ed o n g x i no i lp i p e l i n e l if e n g q i a n ( p e t r o l e u ma n dn a t u r a lg a se n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f a nj i a r o n g ，y uh o n g x i a b s t r a c t t h e p i p e l i n eo fd o n g x i nh a st h es h o u l d e r so ft r a n s p o r t i n gc r u d eo i lf r o ms h e n g l io i l f i e l dt oq i l up e t r o c h e m i c a lc o r p o r a t i o n a c c o r d i n gt ow h a t s o e v e rn a t u r eo p e r a t i n gc o n d i t i o n r u n n i n g ，e a c hs t a t i o nr e s t r i c t i n gq u i t em u c h ，w a s t i n ge n e r g ys o u r c em u c hm o r e o nt h eb a s i so ft h ep i p e l i n e s r u n n i n ga c t u a l i t y , c o l l e c t i n gc o n d i t i o ni n f o r m a t i o no ft h e p i p e l i n ea n do n ey e a r so p e r a t i n gp a r a m e t e r , f i g u r i n go u tt h et o t a lc o e f f i c i e n to fh e a t t r a n s m i s s i o na n dt h ee q u i v a l e n ti n t e r n a ld i a m e t e ro fp i p ea n da n a l y z i n gt h ea c c o u n tr e s u l t a t t h ep r e c o n d i t i o no fn o tc h a n g i n ge x i s t i n ge q u i p m e n ta n de n s u r i n gc r u d eo i l t r a n s p o r t i n g m i s s i o n ，t h r o u g hr e s o l v i n gs o m ed a t aw i t hp i p e p h a s e ，d e c i d eo p t i m i z e dr u n n i n gs c h e m e ， a n dt h eb e s tp u t t i n go nt h ep u m pa n dh e a t e rs c h e m ew a sd e t e r m i n e d ，s ot h ed i s s i p a t i o no f e n e r g yf e ew a sr e d u c e db yal o n gc h a l k k e yw o r d s ：l o n g - d i s t a n c ep i p e l i n e ；o v e r a l lc o e f f i c i e n to fh e a tt r a n s f e r ；e q u i v a l e n t d i a m e t e ro f p i p e ；c o n d i t i o nc o m p u t a t i o n ；o p t i m i z a t i o n 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位敝储虢垄啦 日期：妒产驴月z 夕日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：二至塑 指导教师签名：望盆整 日期：垆c 7 年垆月哆日 日期：多汐箩年乒月丑尹日 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第一章前言 1 1 课题的提出和目的意义 随着对石油开采程度的加深，原油变稠变重成为世界性不可逆转的趋势。密度大、 粘度大、流动困难是稠油资源突出的特点，严重制约着油田对稠油的输送。 稠油的组成特点是胶质、沥青质含量高，轻质烃类含量少，故其流动性的显著特点 是粘度高。一般稠油含蜡量不高( 东辛输油管线高含硫原油含蜡量8 6 8 m ) ，故其凝点 较含蜡原油的低。稠油凝结的机理是温度较低时粘度较高，导致其整体失去流动性。 东辛输油管线输送的高含硫原油属于稠油范畴，胶质、沥青质含量分别为2 1 9 6 ， 1 4 2 ，2 0 c 时密度为9 3 8 5 k g m 3 ，4 0 。c 时粘度为8 6 7 m p a s ，为了满足输量要求，该管线 采用的降粘方法为加热降粘，其机理是通过加热提高稠油的流动温度以降低稠油粘度， 从而减少管路摩阻损失。该方法作为一种传统的降粘方法，目前仍是国内外原油主要集 输方法。 对于一条稠油输送管道，消耗的能量主要包括两种，即电力和燃料。两种能量消耗 是一对矛盾体。提高输油温度，输油的燃料消耗会上升，而油品粘度降低，沿线的摩阻 损失将减少，输油动力消耗会下降；反之，降低输油温度，输油的燃料消耗会下降，但 油品的粘度将上升，输油的动力消耗则增加。因此，对应某个流量，输油温度一定时， 管道的摩阻损失是个定值，管道的能量消耗( 能耗费用) 也是一个定值。对应不同的输 油温度，能量消耗也不同。显然，对应某一个流量，一条热油管道必然存在一个能耗费 用最低的输油温度和对应的启泵方案。 在目前的输送条件下，东辛输油管线存在严重节流问题，显然有必要对其进行运行 工况分析，从而在总能耗费用最低的情况下，找到管道的最佳输油温度和启泵方案。这 就要求针对管线和输油设备情况，以及不同季节不同的运行条件，通过建立优化运行数 学模型，确定出不同季节不同输量下的最优运行方案，达到总能耗费用最低的目的。 1 2 国内外研究现状 稠油是指粘度较高的原油，而重油是指密度较大的原油。由于原油粘度与密度随其 组成的变化规律非常类似，因此国际上常称稠油为重油。随着常规原油的不断枯竭，稠 油作为一种特殊的原油，在全球的储量极为丰富，在世界能源结构中的地位与作用越来 越重要，稠油经济、安全输送这个问题一直是困扰油田开发的主要因素之一。 由于任何热动力学变化都将影响稠油在油藏条件下的热力学平衡状态，并引发其流 第一章前言 变性的异常变化，从而造成一些稠油生产技术方面的难题。主要归结为： ( 1 ) 高粘问题 稠油常温粘度高、流动性差，这是除紊流特性外井口回压高与集输管道压力高的主 要根源，严重时甚至超过系统的安全极限或导致整个管道系统停运。稠油对温度非常敏 感，随着温度的升高其粘度显著降低。稠油热采与加热集输等工艺都是利用其热敏感特 性来降低其粘度、提高其流动性。然而，稠油即使在较高温度下，其粘度与管输压力都 非常高，其产量很低。一般认为，稠油中所含沥青质是问题的根源，沥青质的含量与组 成对稠油触变假塑性特性的影响极大。沥青质的含量越高，稠油中作为分散相的沥青质 微粒形成的结构强度越大，其屈服应力也越高；稠油中胶质的存在可起稳定沥青质微粒 的作用。沥青质结构的显著变化将增大稠油粘度，并增强其弹性特征；稠油内部组织结 构部分地建立在热物理作用基础之上，但是利用其热物理作用的可逆性可以改变稠油物 理结构以利于其流动。当稠油井筒与集输管道因故突然停运时，稠油将经受静态冷却， 其粘度与剪切应力将急剧增大，以致于难以重新再启动。高屈服值往往造成集输管道破 坏或报废，这在国内外都曾发生过。 ( 2 ) 沥青胶质沉积问题 沥青胶质沉积不仅仅出现在稠油集输过程中，而且普遍存在于稠油生产的其它环节， 不可预见的沉积问题一直是困扰石油工业的重大技术难题之一。在稠油开采和输送过程 中，任何热效应、力效应、电效应或其它物理化学因素的变化都可能引起重有机物的沉 积。固相沉积将发生在原油流经的任何场所，如生产油管、输油管、分离器、油罐以及 其它地面设施中，这大大降低了设备和设施的利用率以及生产油管和集输管道的流通能 力，有时会引发设备故障或管道阻塞，甚至造成灾难性事故。 上述问题主要根源是稠油中有机固相物的存在，即体系的相态变化。影响稠油体系 相态变化的因素包括任何热动力学因素，要根本解决这些问题必须改变稠油体系的组成 及其结构，但是目前尚不具备经济可行的技术条件。因此，稠油生产技术问题的有效解 决颇具挑战性，迄今国内外只能采用一些物理的、化学的或物理化学的方法来缓解稠油 生产难题，尽可能降低稠油生产成本。 易凝、高粘的油品当其凝点高于管道周围环境温度，或在环境温度下油流粘度很高 时，不能直接采用等温输送方法。油流过高的粘度使管道的压降剧增，往往工程上难以 实现或不经济、不安全，故必须采用降凝、降粘等措施。加热输送是目前最常用的方法。 加热输送时，提高输送温度使油品粘度降低，减少摩阻损失，降低管输压力，使输油总 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 能耗小于不加热输送，或使管内最低油温维持在凝点以上，保证安全输送。 长距离输油管道输量大，运距长，全年连续运行，燃料消耗和动力消耗很大。为了 最大限度地降低输油能耗，除了在设备方面采取措施外，还必须应用优化技术使管道处 于最优运行状态。 早在六十年代，j e f f e r s o n ( 1 9 6 1 ) 就对这一问题进行了探讨，他假定输量一定，根据 各泵站所能提供的压力的不同，应用动态规划方法求解总压力在各泵站的合理分配，这 种方法所求解出的最优运行方案实际上是等温输油管道的最优运行方案。1 9 8 0 年， g r o p a l 提出了一个对管道泵站的运行进行最优化的方法，目标是根据每台泵的动力消耗 决定启运哪些泵机组，在保证流量的前提下使动力费用最小；用整数规划方法确定每座 泵站的最优泵组合，应用动态规划方法确定每座泵站的最优升压值。从八十年代起，我 国开始长距离热油管道优化运行技术的研究工作，以能耗费用( 动力费用+ 热力费用) 为目 标函数，以各站的进站油温和升压值为决策变量，提出了一些简化的和较完善的数学模 型。 1 3 课题的主要工作及成果简介 对东辛输油管线现状进行调查、测试、研究，并实验测试了所输原油的物性，在研 究的理论指导下，在不改变现有设备条件和确保原油外输任务的前提下，采用p i p e p h a s e 软件进行不同热力条件下的管线工艺计算，分析制定了东辛输油管线的经济运行方案。 本课题结合东辛输油管线存在的某些实际问题，开展以下几个方面的研究工作： ( 1 ) 东辛输油管线运行现状、设备和运行参数的调研 全面收集东辛输油管线的运行参数，包括各站的主要输油设备情况和性能，管线沿 线的里程和高程资料，管线的承压能力等。 ( 2 ) 东辛输油管线输送原油物性测试 采用德国产的可控应力流变仪，根据现场工况对东营原油库、花官输油站及临淄原 油库外输原油样品的粘温特性进行实验测量。 ( 3 ) 管线总传热系数计算分析 以列宾宗公式为基础，结合热力学第一定律，推导出新的管线总传热系数计算公式， 以此反算东辛输油管线各站库间管段的总传热系数，根据计算结果分析管线总传热系数 的变化趋势、管线保温层的保温效果等。 ( 4 ) 管线当量管道内径计算分析 根据实际运行参数，采用摩阻计算公式反算东辛输油管线各个站间每天的当量管道 第一章前言 内径，并由此分析当量管道内径随季节的变化趋势、管内壁结蜡情况等。 ( 5 ) 东辛输油管线优化运行方案分析与制定 针对东辛输油管线、现有输油设备情况及不同季节不同的运行条件，建立优化运行 数学模型，采用p i p e p h a s e 软件进行沿线温降、压降计算，进而确定出不同季节不同 输量下的最优运行方案。 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第二章东辛输油管线概况调研及原油物性的确定 2 1 东辛输油管线概况 2 1 1 东辛输油管线运行现状 东辛输油管线1 9 8 8 年1 2 月投产，全长达7 3 k i n ，管线规格为5 2 9 x7 ，设计最大 输量为8 7 5 1 0 4 t a ，近几年实际输油量在3 7 0 1 0 4 t a 左右。首站是东营原油库，中间 热泵站有花官输油站、广饶输油站，末站为临淄原油库。东营原油库目前共有5 台外输 泵，年输量在2 7 0 x1 0 4t 左右。清河采油厂每年有7 5 x1 04t 原油从花官站进入管道输送， 现河草桥油田每年有2 5 x1 0 4 t 原油从乐安联合站进入东辛输油管线输送。设计工作压力 4 0 m p a ，材质为1 6 m n 螺纹钢管，全线采用特加强沥青防腐。 2 1 2 输油系统概况 基础数据 年输量：约3 7 0 1 0 4 t a ； 年运行天数：3 5 0 d ： 加热炉效率：9 0 ； 每年点炉时间：1 8 0 d ； 燃料油价格：1 3 2 0 元t ； 燃料低位发热量：4 18 0 0 k j k g ； 泵效率：5 0 ； 电费：0 5 l 元k w h 。 各输油站里程、高程 表2 - 1 输油站里程、高程 t a b l e 2 - 1d i s t a n c e & h e i g h td e v i a t i o nb e t w e e ns t a t i o n si nh u a n g q io i lp i p e l i n e 站库名称 东营原油库花官站乐安队广饶站临淄库齐鲁炼厂 高程( m ) 5 9 5 91 2 81 9 74 3 6 39 0 o o 管段名称东营原油库一花官站 花官一乐安乐安一广饶广饶一临淄临淄一齐鲁 管线规格 巾5 2 9 x 7 m 5 2 9 x 7中5 2 9 x 7由5 2 9 x 7巾5 0 8 x 7 1 距离( 1 ) 2 5 1 2 51 2 52 31 3 7 高程差( m ) o6 9 6 92 3 9 34 6 3 7 东辛输油管线各站库主要设备性能 第二章东辛线概况调研及原油物性的确定 表2 - 2 东辛输油管线主要输油设备性能表 t a b l e 2 2m a i no i lt r a n s p o r t a t i o nf a c i l i t i e si nd o n g x i no i lp i p e l i n e 配用功率额定排量 额定扬程 安装地点设备名称型号数量 ( k 、功( m 3 1 1 ) ( m ) 东营原油库外输泵 k d y 4 3 5 9 7 5 x 4 8 0 04 3 53 9 01 东营原油库外输泵 2 5 0 d 6 0 x 7 ( 6 )8 5 04 5 0 4 2 0 ( 3 6 0 ) 2 1 东营原油库 外输泵 d y j l 2 0 5 5 x 82 5 01 2 04 4 01 东营原油库热媒炉 q x s l 8 1 0 一y 1 8 0 02 东营原油库加热炉 y f c d 17 5 01 7 5 02 花官输油站 输油泵 k d y l0 5 6 7 5 x 62 0 01 0 54 0 52 花官输油站加热炉y f c d 1 7 5 01 7 5 02 广饶输油站输油泵 d 4 5 0 6 0 x 56 8 04 5 0 3 0 0 4 广饶输油站加热炉 y f c d 17 5 01 7 5 02 2 2 原油物性 2 2 1 原油基本物性参数的确定 原油密度、凝点和比热容数据见表2 3 。 表2 - 3 原油基本特性 t a h i e 2 - 3t h ee s s e n t i a lc h a r a c t e r i s t i cf o rc r u d eo i l 密度仍o ，k g m 3 凝点， 热容，k j k g 。c 东营原油库 9 3 6 61 21 9 0 5 花官输油站9 3 1 61 31 9 0 6 临淄原油库 9 3 8 5 71 8 9 9 2 2 2 原油粘温曲线的测定 本次实验采用德国产的p h y s i c am c r 3 0 1 可控应力流变仪进行测量。其测量元件为 同轴圆筒型，最大可测扭矩2 0 0 m n m ，最小可测扭矩0 1un m 。对2 0 0 6 年1 1 月1 5 日所取的东营原油库外输原油、花官输油站外输原油以及临淄原油库外输原油样品的粘 温特性进行实验测量。 实验条件：将油样加热到6 5 并恒温一段时间，然后以0 5 1 0 。c m i n 的冷却速率 静态降温至测量温度，测量动平衡流变特性，并回归出相应的粘温方程。本实验选择热 处理温度6 5 来测量原油的粘温曲线。 东营原油库外输东辛输油管线原油粘度 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 对实验室测得的东营原油库外输东辛输油管线原油粘度与温度关系进行拟合，如图 2 1 、2 2 所示。 温度( ) 2 02 53 03 54 04 55 05 56 06 5 粘度( m p a s ) 1 7 0 0 9 3 8 5 9 6 4 1 6 2 9 8 2 2 0 1 6 6 1 2 81 0 08 4 6 乱 g 、 j t ( ) 图2 - 1东营原油库外输原油的粘温曲线 f i 9 2 - 1t h ec u r v eo fv i s c o s i t yv s t e m p e r a t u r ef o ro i lf r o md o n g y i n gc r u d eo i lb a n k t ( ) 图2 - 2 东营原油库外输原油的粘温曲线( 粘度为对数形式) f i 9 2 - 2t h ec u r v eo fv i s c o s i t yv s t e m p e r a t u r ef o ro i lf r o md o n g y i n gc r u d eo i lb a n k 东营原油库外输东辛输油管线原油的粘度关系式 l n p = 8 2 3 7 8 9 - 0 0 6 3 2 3 奎t ( 3 0 c t 5 0 ) l n , u = 7 4 5 5 5 2 - 0 0 4 7 3 6 木t ( 5 1 t 6 5 ) 式中：卜粘度，m p a s ； t _ 一温度，。 7 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 一乳iiij c _ 【 第二章东辛线概况调研及原油物性的确定 花官输油站( 东营原油库外输+ 清河采油厂) 原油粘度 对实验室测得的花官输油站( 东营原油库外输+ 清河采油厂) 原油粘度与温度关系 进行拟合，如图2 - 3 、2 - 4 所示。 温度( ) 2 02 53 03 54 04 55 05 56 06 5 粘度( m p a s ) 2 7 2 01 5 2 09 3 36 3 64 5 23 3 02 4 81 8 91 4 8 1 4 2 母 山 暑 、， - t t ( ) 图2 - 3 花官原油的粘温曲线 f i 9 2 3t h ec u r v eo fv i s c o s i t yv s t e m p e r a t u r ef o ro i lf r o mh u a g u a nc r u d eo i ls t a t i o n ，一、 日 。一 巨 、_ 二 c e - t ( ) 图2 - 4 花官原油的粘温曲线( 粘度为对数形式) f i 9 2 - 4t h ec u r v eo fv i s c o s i t yv s t e m p e r a t u r ef o ro i lf r o mh u a g u a nc r u d e o i ls t a t i o n 花官输油站( 东营原油库外输+ 清河采油厂) 原油的粘度关系式 l n p = 8 7 3 3 4 5 - 0 0 6 5 2 木t ( 3 1 t 5 0 ) l n p = 7 8 2 0 1 7 - 0 0 4 6 8 7 木t ( 5 1 t 6 5 ) 8 ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 式中：卜粘度，m p a s ；瑚度，。 临淄原油库外输原油粘度 对实验室测得的临淄原油库外输原油粘度与温度关系进行拟合，结果如图2 5 。 温度( ) 3 03 54 0 4 55 05 5 6 0 粘度( m p a s ) 1 8 8 51 2 9 28 6 7 15 9 9 24 3 2 83 2 0 32 4 2 5 2 0 0 0 1 8 0 0 1 6 0 0 1 4 0 0 o 3 1 2 0 0 爰1 0 0 0 鲁 。8 0 0 j 6 0 0 4 0 0 2 0 0 o z b3 u3 54 04 55 0 5 5 6 0 6 5 t ( ) 图2 - 5 临淄原油库外输原油粘度温度曲线 f i 9 2 - 5t h ec u r v eo fv i s c o s i t yv s t e m p e r a t u r ef o ro i lf r o ml i n z ic r u d eo i lb a n k 临淄原油库外输原油的粘度关系式 l n p = 9 8 4 4 4 0 0 7 6 7 事t ( 3 0 t 4 5 )( 2 5 ) l n , t t = 8 9 6 2 9 - 0 0 5 7 9 木t ( 4 6 。c t 6 0 ) ( 2 6 ) 式中：卜粘度，m p a s ；瑚度，。 9 第三章土壤自然温度场计算方法研究 第三章土壤自然温度场计算方法研究 自然地温是影响热油管线散热的重要因素，是热油管线热力计算和停输再启动过程 模拟计算必不可少的基础数据。因我# f i n 得的自然地温数据不准确，误差太大。为此， 我们根据有水平边界的半无限大均匀介质的导热理论，导出了土壤自然温度场随季节变 化的计算公式，分析了日气温波动对土壤自然温度场的影响程度，并将计算结果与气象 台实测结果进行了对比。 3 1 土壤自然温度场计算方法 根据有水平边界的半无限大均匀介质的导热理论，当日平均气温以年为周期作简谐 波动时，地表以下深度y 处的地温为： z a y 聊c 。瓦) e x p ( - y 西c o s c 等一y 后训 p ， 州2 c 言后m c 鲁后) 2 】m 5 p 2 ， y 呱1 【1 ( 1 + 鲁挣) 】( 3 - 3 ) 7 y 式中：乃年平均气温，l = o 5 ( 瓦一十l 血) ； 瓦一一年最高日平均气温，； 瓦曲一年最低日平均气温，； f ：一从日平均气温为乙一开始计算的时间，s ； f o 一大气温度年波动周期，t o = 3 6 5 2 5 天= 3 1 5 5 8 x 1 0 7 s ； y 一从地表垂直向下的深度，m 。 深度y 处地温年波动幅度a 。和该处地温达到峰值比气温达到峰值滞后的时间f 分别为： 铲纵兀嘟一耻x p ( _ 叫去) ( 3 - 4 ) r 2 丢c 叫意圳 p 5 ， 东营地区全年最高e l 平均气温为3 4 。c ，最低日平均气温为一1 0 * c ，取a 2 = 1 5 w m 4 ， 以= 1 2 w m ，口= 6 5 x1 0 - 7m 2 s ，则矿= 0 9 6 9 ，g = 0 0 3 0 3 。则该地区不同深度处全 年地温最大变化量( 2a 。) 和峰值滞后时间f 见表3 - 1 。 1 0 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文 表3 - 1 不同深度处全年地温最大变化量和峰值滞后时间 t a b l e 3 1t h ea l l y e a rm o s tg r o u n dt e m p e r a t u r ec h a n g ea n dp e a kv a l u el a gt i m ea td i f f e r e n td e p t h 深度j ，( m ) ol1 524681 01 21 4 纠。( ) 4 2 62 8 82 3 71 9 58 94 11 90 9o 4o 2 _ r ( h ) 4 25 8 88 6 l1 1 3 42 2 2 63 3 1 84 4 1 05 5 0 26 5 9 47 6 8 6 由表3 1 可知，随深度的增加，地温的年变化量逐渐减小，地温达到峰值比气温达 到峰值滞后的时间逐渐增长，深度1 5 m 处地温达到最高值比气温达到最高值晚8 6 1 h ( 约 3 6 天) 。在深度1 4 m 处，地温基本不随时间变化。 3 2 气温日周期性变化对自然地温的影响 根据有水平边界的半无限大均匀介质的导热理论，当气温以日为周期作简谐波动 时，对深度y 处地温的影响可按下式计算： = ( 一一o ) e x p ( 一y ) c o s ( 2 7 - - - l y 舻叶2 c 毒仨c 鲁仨 ”信- l 【1 ( 1 + 鲁孚h 深度y 处地温日波动幅度为： a d = ( 一一o ) e x p ( 一y 式中：。一日平均气温，t f d o = 0 5 ( 咖+ m j l l ) ； 一一日最高气温，； 血一日最低气温，； 允一土壤导热系数，w m 。c ； a 一土壤导温系数，m 2 s ； 一)( 3 6 ) ( 3 - 7 ) 口2 一大气与地表的综合放热系数，p - f f i 仅a 2 = 1 5w m 2 ； r 。- 从日气温为一时开始计算的时间，s ； f d o 气温日波动周期，l d o = 2 4 h = 8 6 4 x 1 0 4 s 。 对于我国大部份地区，日最高气温与最低气温之差一般不超过2 0 c ，取 ( 3 - 8 ) ( 3 - 9 ) 第三章土壤自然温度场计算方法研究 一劬5 2 0 c ，a 2 = 1 5w m 2 ，丑3 1 2w m * c ，口2 6 5 1 0 。m 2 s ，则删一r f , , o = l o c ， 纨= 0 5 8 6 。气温昼夜变化引起的不同深度处自然地温的最大变化量( 2a d ) 见表3 - 2 。 表3 2 气温昼夜变化对自然地温的影响 t a b l e 3 - 2t h ei n f l u e n c eo fa i rt e m p e r a t u r ed a ya n dn i g h tv a r i e t yo nn a t u r a lg r o u n dt e m p e r a t u r e 深度y ( m ) oo 10 2o 30 4 0 5 o 6 刎d ( ) 1 1 7 2 5 5 42 6 21 2 40 5 8o 2 80 1 4 由表3 2 可知，在深度0 6 m 处，当气温昼夜变化量为2 0 时，地温的最大变化量 仅为0 1 4 c ，因此可以说气温昼夜变化对地温的影响深度不超过0 6 m 。0 6 m 以下的地 温主要取决于以年为周期的气温波动。 3 3 计算结果与实测结果的比较 根据东营气象台2 0 0 5 年的实测结果，全年最高日平均气温为3 2 2 ，最低日平均 气温为一1 0 c ，气温最高日为7 月2 0 日，每日气温最高时刻为中午1 2 时。由此计算得 全年气温、深度0 8 m 和1 6 m 处的自然地温与实测气温和自然地温的比较见图3 1 图 3 3 。 p 鸡 y 时i 司( 天) 图3 1 日平均气温实测与计算结果比较 f i 9 3 - 1c o m p a r i s o nb e t w e e no b s e r v a t i o na n dc a l c u l a t i o nf o rd a ya v e r a g ea i rt e m p e r a t u r e 由图3 1 可知：虽然实测的日平均气温不符合简谐波动，但基本上围绕一条简谐波 曲线上下波动。由图3 2 和图3 3 可知：实测的地表以下1 6 m 处的自然地温与计算结果 符合得很好，已不受日气温波动的影响，最大误差不超过1 ；0 8 m 处的自然地温也基 本与计算结果一致，最大误差不超过2 。c ，日气温波动的影响也不大。因此，本文得出 1 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文 的土壤自然温度场计算公式是可靠的。 p 囊 嗣 图3 - 20 8 m 处地温实测与计算结果比较 f i 9 3 - 2c o m p a r i s o nb e t w e e no b s e r v a t i o na n dc a l c u l a t i o nf o rg r o u n dt e m p e r a t u r ea t0 8m e t e rd e p t h ，、2 4 p 赙2 0 舞 1 6 1 2 8 4 0加8 01 2 0 1 6 02 0 0 2 4 02 8 0 3 2 03 6 0 时问( 天) 图3 - 31 6 m 处地温实测与计算结果比较 f i 9 3 - 3c o m p a r i s o nb e t w e e no b s e r v a t i o na n dc a l c u l a t i o nf o rg r o u n dt e m p e r a t u r ea t1 6m e t e rd e p t h 由于东辛输油管线大都在1 2 m 以下，因此，气温的日波动对管线周围的土壤温度 场基本上无影响，采用本研究提出的土壤温度场计算方法计算土壤的自然温度是可行 的，计算精度能够满足实际的需要。因此，我们可以利用有水平边界的半无限大均匀介 质的导热理论，根据年最高日平均气温、年最低日平均气温及时间来计算每天的地温。 第四章管线总传热系数计算分析 第四章管线总传热系数计算分析 总传热系数是热油管线设计和运行管理中的重要参数，在管线的日常运行管理中定 期测试和分析管线的总传热系数不仅可以为新建管线提供选择总传热系数的依据，而且 还可以根据总传热系数的变化分析管线沿线的散热和结蜡情况。 4 1 总传热系数计算方法 热油管线总传热系数可根据实际运行参数( 管线的输量、起终点温度和压力、管线 中心埋深处的自然地温) 利用轴向温降公式计算。目前常用的沿程温降计算公式为列宾 宗公式，如式( 4 1 ) 一( 4 2 ) 。 h a 玉二墨二垒：k 7 r d l ( 4 - 1 ) 疋一t o b g c b = 笪旦( 4 2 ) k 7 由 式中：足一管线的总传热系数，w m 2 ； 一管线起点温度，； 乃一管线终点温度，； g 一原油质量流量，k g s ； 卜原油比热，j k g 。c ； 兀一管线中心埋深处自然地温，； 卜管线的水力坡降，m ； g 一重力加速度，g = 9 8 r r d s2 ； d 一管线外径，m ； 厶一管线长度，m 。 式( 4 1 ) 考虑了原油沿管段流动因摩擦损失转化的这部分热量，由于系数b 中也 包含总传热系数k ，通过上式计算总传热系数较复杂。这里结合热力学第一定律分析确 定热油管线的k 值计算式。 如果不考虑原油与管壁摩擦损失转化的热量，沿程温降公式可简化为 i n 互玉：k r c d l ( 4 - 3 ) 之一t o g c 由上式推导出总传热系数k 的计算公式 1 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文 即k = k ：a cl n 堡玉 x d l 疋一瓦 函( t r _ t z ) i n t r - t 。一 x d l 亿一乃) ( 4 - 4 ) ( 4 5 ) 式( 4 5 ) 中g c 限一兄) 这一项就表示管线向周围土壤散失的热量。 根据热力学第一定律知，对于一个系统，在任何情况下能量都是守恒的。对于一段 埋地管线，原油从起点流到终点，必然会损失一部分压能和热能，这部分能量中的一部 分以热的形式散失到周围土壤中，另一部分增加了势能。因此，管线散失到周围土壤的 热量w 为 w = g c q _ 一兄) + o 妒一户g z ) q ( 4 6 ) 式中：疋一管线起点温度，； 乃一管线终点温度，； g 一原油质量流量，k g s ； 卜原油比热，j k g * c ； a p - 起点到终点的压降，p a ； q 一原油体积流量，m 3 s ； p 一原油密度，k g m 3 ； g 一重力加速度，g = 9 8 m s2 ； z 起点到终点的高程差，m ； 卜管线的水力坡降，m ； 三一管线长度，m 。 由式( 4 6 ) 9 i i ，管线实际散到周围土壤的热量为g c 亿一已) + 一p g a z ) q ，代替式( 4 5 ) 中的g c 饥一疋) ，最后管线总传热系数公式变为 k = 陋限一乏) + 一艘) q l n i r - i r o x d l ( 4 7 ) 4 2 总传热系数影响因素分析 从管线总传热系数的定义来看，影响总传热系数的根本因素是管线结构、管线埋深 和管线周围土壤的性质；从总传热系数的运行参数反算法来看，管线运行的稳定性和运 第四章管线总传热系数计算分析 行参数的测量精度是影响总传热系数计算结果的主要因素。 4 2 1 管线埋深的影响 根据埋地总传热系数计算公式，管线埋深越大，管线的散热热阻越大，总传热系数 就越小。 4 2 2 土壤性质的影响 土壤物性参数中对总传热系数影响最大的是土壤导热系数。土壤导热系数越大，管 线总传热系数就越大。而土壤导热系数主要受土壤含水量的影响，土壤含水量越高，土 壤导热系数就越大，管线的总传热系数就越大。此外，降雨、下雪及土壤温度的昼夜及 季节的波动等气象因素也会影响土壤热物性，即影响总传热系数。 4 2 3 管线运行工况稳定性的影响 由于轴向温降公式的前提是稳定运行工况，因此管线运行工况的稳定性对总传热系 数测试结果有重大影响，运行工况不稳定可能会导致及不合理的总传热系数计算结果。 因此，在反算总传热系数时，应当选取管线稳定运行期间的运行参数。 4 2 4 站问温降的影响 站间温降越小，抵抗运行参数波动和测量误差的能力越差，总传热系数计算结果的 误差就越大。 4 2 5 运行参数测量精度的影响 由轴向温降公式可知，影响总传热系数计算结果的运行参数包括输量、管线起终点 压力和温度，其中影响最大、测量精度最难保证的是管线起终点温度。目前大多数输油 管线仍然采用套管中插玻璃温度计的方法测量油温，由于套管热阻、温度计本身误差和 读数误差等原因，测量结果很难反映管线中的实际油温，误差常在l 以上，当站间温 降较小时，会给总传热系数测量结果带来较大误差。 4 2 6 地温参数测量精度的影响 输油管线中心埋深处的自然地温是影响总传热系数计算结果的重要因素。为了保证 测量精度，必须选择合适的测量地点和测量仪表。在某些管线上，目前测量地温的方法 仍然是套管中插入玻璃温度计的方法，由于地温计不直接与土壤接触，且读数时常常需 要将地温计向上提升一段距离，测量结果与实际地温有时偏差相当大。例如对于东辛输 油管线，夏季地温计的读数经常高达2 9 3 0 ，而气象台测量结果仅为2 4 - - 2 5 。 1 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文 4 2 7 管线内壁结蜡的影响 由于结蜡层的导热系数较小，般为0 1 5 w m ，管内壁结蜡后，其作用相当于增 加了一层热阻，也就是说结蜡层对管线具有保温作用，从而使管线的总传热系数减小。 4 3 总传热系数计算结果与分析 反算各管段总传热系数用到的几个基本参数有管段长度、管外径、原油在2 0 。c 的密 度、原油实际密度以及原油比热等。 其中，各管段长度在表2 - 1 中给出，管外径d = 0 5 4 3 m ，东营原油库花官输油站 管段原油的仍。= 9 3 6 6 k g m 3 ，花官输油站乐安交接队管段原油的厥o = 9 3 1 6 k g l m 3 ， 乐安交接队广饶输油站临淄原油库管段原油的p 2 。= 9 3 8 5 k g m 3 。实际温度下的密 度根据下式计算： p = 岛。+ c 1 8 2 5 - 0 0 0 1 3 1 5 p 2 。，( 于一2 。 c 4 - 8 ， 原油比热公式如式( 4 9 ) f = 嚣1 6 8 7 + 3 3 9 x1 0 - 3 于) 9 ， 心d 苫 j 上两式中： 岛。一原油在2 0 c 时的标准密度，堙m 3 ； d ? 一原油在1 5 c 时的相对密度，计算公式为： d 。1 5 = i p 2 0 + c 1 8 2 5 - 0 0 0 1 3 1 5 , 0 2 0 ，( 于一2 。) 。； 于各管段原油的平均温度，于：墨 至，： c _ 原油比热，姆- 。 ( 一) 东营原油库花官输油站管段 以录取的生产参数为依据，结合第3 章求出的每月平均地温值，采用式( 4 7 ) 一 式( 4 9 ) 计算东营原油库花官输油站管段的总传热系数，结果如表4 - 1 。由表4 - 1 可 以看出： ( 1 )东营原油库花官输油站管段总传热系数随季节的变化趋势是夏秋季较高，冬春 季较低，九月份总传热系数达到最大值1 9 0 w m 2 。这主要是因为夏秋季节雨 水大，土壤含水率高，土壤导热系数大，从而导致管线的总传热系数相对较大； 1 7 第四章管线总传热系数计算分析 而冬春季节雨水少，土壤含水率低，导热系数小，从而导致管线的总传热系数也 相对较小。 表4 1东营原油库花官输油站管段工艺参数统计表 t a b l e 4 - 1r u np a r a m e t e rs t a t i s t i c sf o rp i p e l i n ef r o md o n g y i n go i lb a n kt oh u a g u a no i ls t a t i o n 流量比热 地温 起点压力终点压力总传热系数 月份起点温度终点温度 m 3 h j k g * c m p am p aw m 2 l5 2 7 04 0 5 03 8 01 9 0 393 3 72 5 21 4 8 25 3 5 0 3 9 8 03 7 31 9 0 4 83 1 2 2 3 01 5 8 3 5 4 7 04 0 5 03 6 11 9 0 7l o3 1 72 4 21 6 2 46 0 o o4 0 3 02 6 81 9 1 61 42 9 72 5 11 7 4 54 9 6 03 9 1 03 2 21 8 9 62 03 1 22 6 0 1 6 5 64 3 6 03 7 3 03 1 91 8 8 22 43 4 72 7 71 4 9 74 4 7 03 9 4 03 9 01 8 8 72 73 4 82 7 31 7 0 84 4 1 03 9 1 04 0 91 8 8 62 83 3 32 4 11 9 1 94 3 4 03 8 4 04 1 7 1 8 8 32 73 2 42 3 81 8 9 1 03 8 6 03 4 8 03 8 91 8 6 92 43 0 32 0 01 5 3 l l4 3 6 03 6 9 03 6 21 8 8 11 93 1 62 3 41 3 9 1 24 9 0 03 7 2 03 5 01 8 9 11 33 4 72 5 71 6 5 ( 2 )由于油田产量每个月不同，导致管线的输量亦有所变化，因此管线的热力条件