（船舶与海洋工程专业论文）层次分析法在海底管道方案优选中的应用研究.pdf

摘要 管道的工艺设计是海底管道工程的关键，其作用和目的是根据 实际生产状况，选择合理经济的输送参数和材料，包括管道的管径、 压降、温降、保温形式及管道的材质。以使海底管道工程的建造、 旌工和后期操作维修在满足使用要求的情况下，总体费用最经济或 较为经济。 一项优秀的工程设计方案不仅在技术上安全可行，还要考虑到 经济、环境影响等诸多因素。这其中既有可定量的指标，又存在大 量不能定量分析，需要设计人员根据科学经验定性分析的指标。这 样，便使得在优选工程设计方案时的复杂度大大增加。 目前，对工程方案决策的方法分为定量( 数值) 分析决策和定 性分析决策两种，但对于一般比较复杂的工程，其中存在较多的定 性但难以定量的因素，很难用定量方法进行决策，多数情况下采用 定量和定性决策相结合的方法。本文提出了应用层次分析( a h p ) 和专 家打分相结合的方法( 专家系统决策法) ，从多方案中优选工程的最 优方案，这种方法对处理系统半定性半定量问题具有一定的现实意 义。 本文以本人所从事的渤南油气田群海底管道设计方案优选为实 例，主要介绍了海底管道设计中的些基本概念和相关的概念，包 括输油管道的温降、冷却与凝固过程及压降计算，油气混输管道的 水力计算，以及管道的保温、伴热和计算等基本概念和常用技术。 针对油气田群海底管道工艺设计面临的问题，详细介绍并列举了三 种待选设计方案；在详细介绍了专家打分法和层次分析法( a h p ) 法的 理论和方法的同时，利用此方法对三个海底管道的设计方案进行了 具体分析，并通过分析判断优选出了最优方案。 关键词：海底管线、伴热、层次分析法、专家打分 a b s t r a c t t h ep r o c e s sd e s i g no ft h ep i p e l i n ei sc r i t i c a lt os u b s e ap i p e l i n e p r o j e c t i n c l u d i n gt h ep i p es i z e ，p r e s s u r ed r o p ，t e m p e r a t u r ed r o p ， i n s u l a t i o na n dm a t e r i a l s ，t h ed e s i g ni st os e l e c tt h er e a s o n a b l ea n d e c o n o m i c a l d e l i v e r yp a r a m e t e r s a n dm a t e r i a l s a c c o r d i n g t oa c t u a l p r a c t i c ec o n d i t i o n ，s oa st oa c h i e v et h eb e s ta n d o rb e t t e re c o n o m i c a li n c o s tw h i l ec o n t e n t i n gw i t hr e q u i r e m e n t sf o rf a b r i c a t i o n ，c o n s t r u c t i o n ， o p e r a t i o na n dm a i n t e n a n c e a ne x c e l l e n t p r o j c o t i sn o to n l yt oe n s u r et h es a f e t yo nt h e t e c h n o l o g y , b u ti ta l s on e e dt oc o n s i d e rm a n yo t h e rf a c t o r ss u c ha s e c o n o m y , e n v i r o n m e n ti n f l u e n c ee t c f o rt h e s ef a c t o r s ，s o m em a y b e c o n f i r m e d ，t h eo t h e r sm a y b eq u a l i t a t i v eo n l y i ts h a l lg e tar e a s o n a b l e e v a l u a t i o nb a s e do nt h ee n g i n e e r i n g e x p e r i e n c eo fs p e c i a l i s t ，s ot h e o p t i m i z a t i o no ft h ed e s i g n i n gs c h e m e sb e c o m e sm o r ec o m p l i c a t e d n o w a d a y s ，q u a n t i t a t i v e ( n u m e r i c a l ) a n a l y s i s d e c i s i o na n d q u a l i t a t i v ea n a l y s i s a r ea p p l i e di n p r o j e c t d e c i s i o n b u tf o ra c o m p l i c a t e de n g i n e e r i n g ，t h e r ea r em a n yf a c t o r sc a nn o ta n a l y s e sa s q u a n t i t y ，i ti sd i f f i c u l tt od e c i d ew i t hq u a n t i t a t i v ea n a l y s i s t h u s ，t h e t w oa n a l y s i sm e t h o d sa b o v em u s tb eu s e dc o m b i n e da tm o s tc o n d i t i o n s i nt h i s p a p e r ，t h ea h p ( a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ) a n de x p e r t d e c i s i o n ( e x p e r ts y s t e ma n a l y s e s ) h a v eb e e na p p l i e dt oo p t i m i z et h e p r o je c td e s i g n u s i n gt h i sk i n do fm e t h o dt oh a n d l et h es y s t e mh a l f q u a n t i t a t i v ea n dh a l fq u a l i t a t i v eh a st h ec e r t a i n l yr e a l i s t i cm e a n i n g u s i n gt h ep r o j e c to fb o n a no f f s h o r eo i l g a sf i e l di nw h i c hio n c e e n g a g e da sa ne x a m p l e ，t h i sd i s s e r t a t i o nm a i n l yi n t r o d u c es o m er e l a t i v e b a s i c c o n c e p t a b o u ts u b s e a p i p e l i n e ，w h i c h i n c l u d e s a n a l y s i so f t e m p e r a t u r e a n d p r e s s u r ed r o p ，p r o c e s so fc o o l i n ga n df r e e z i n g ， h y d r a u l i ca n a l y s i so fm u l t i p h a s ep i p e l i n e ，c a l c u l a t i o nf o rh e a tt r a c i n g a n di n s u l a t i o no fp i p e l i n e t ot h e d e s i g np r o b l e m ，i l l u s t r a t et h r e e s c h e m e sf o rs e l e c t i o n a f t e r d e t a i l e d l yi n t r o d u c i n g t h e e x p e r t s d e c i s i o na n da h pm e t h o d s ，u s et h e s et oc h o o s et h eb e s to n ef r o mt h e t h r e es c h e m e s k e y w o r d s ：s u b s e ap i p e l i n e ，h e a tt r a c i n g ，a n a l y s i sh i e r a r c h yp r o c e s s ( a h p ) ，e x p e r td e c i s i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁注盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：巾- 匆地字日期：。跏m 够年g 月，j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫生盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨连盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：小一刍谋殳、 签字日期：乏咄年占月，f 日 导师硌飒诙s 签字日翌 们4 年参月( 6 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1本文的研究背景及问题的提出 石油是工业生产的血液，是国家发展的重要战略资源；石油 工业是国民经济的基础工业。改革开放二十多年来，随着我国经 济的快速发展，对石油量的需求日益增加。特别近几年来，我国 经济发展迅猛，石油消费量逐年攀升。2 0 0 3 年我国原油净进口已 超过1 亿吨，原油进口依存度高达3 6 ，1 。据国际能源署的最新 预测，2 0 0 4 年中国原油进口将达1 2 亿吨，成为世界上继美国之 后第二大石油消费国。能源短缺已经成为中国经济发展的瓶颈。 近几年来，虽然一些陆上油田进入枯竭期，而海洋石油则快 速发展，海洋石油工业和滩海石油是石油工业新的、重要的增长 点，正实现着高速、高效的发展。根据19 9 4 年2 0 0 0 年的统计， 在中国油气增量中：海上石油占7 8 7 ；海上天然气占4 0 5 。 在“十五”计划中，我国石油的增量基本依赖于海上，这一数字 2 0 0 0 年2 0 0 5 年将达到4 0 0 0 万吨，2 0 1o 年将达到5 0 0 0 万吨。 毫无疑问海洋石油将成为我国国民经济新的增长点之一。目前， 为了顺应国内经济迅速增长的需要，我国海洋石油工业正面临走 向海洋开发的挑战。 自19 8 2 年中国海洋石油总公司成立以来的2 0 多年，我国海 洋石油工业已经取得了令人瞩目的成果，渤海、东海、南海西 部、南海东部等四大海洋石油基地，我国海洋石油从年产9 万吨 发展到2 0 0 1 年生产的石油和天然气，折合油气当量2 3 2 9 万吨， 约占全国石油产量1 5 亿吨的1 ，6 左右。2 0 0 3 年国内外油气产量 3 3 3 6 万吨。中海油提出了2 0 0 8 年实现国内4 0 0 0 万方油当量， 2 0 10 年实现国内5 0 0 0 万方至5 5 0 0 万方油当量的战略目标。 渤海油气田是我国最早开始开发的油气田，上个世纪六十年 代，海洋石油人就已经踏入了渤海这片蓝色的国土，经过海洋石 油工作者四十年的不懈努力，目前的渤海油气田已初具规模，预 计到2 0 0 5 年，渤海油田可以成为年产原油2 0 0 0 万吨的大型海洋 油田。特别值得一提的是随着海洋石油科技工作者勘探思维的创 第一章绪论 新和高新科技的应用，在渤海海域发现了我国目前最大的海洋油 田一一储量为6 亿吨的蓬莱19 - 3 油田。此后在渤海又相继发现 了一批储量超过一亿吨的海洋油田。 渤南油气田是渤海石油生产基地的重要组成部分。从2 0 0 3 年开始，渤海石油公司在原有b z 28 1 油气田的基础上建设了渤 南油气田新建部分，以“渤海友谊号”为生产处理中心，新建部 分自远而近分别是c f d l8 2 、b z l 3 1 和b z 2 6 2 三座平台。 c f d l8 2 气田预计2 0 1 1 年投产，2 0 2 5 年停产；b z l3 1 气田预计 2 0 0 6 年投产，2 0 2 0 年停产；b z 2 6 2 油田预计2 0 0 4 年9 月投产， 2 0 2 2 年停产。这将使渤南油气田的产量再上一个新的台阶。 海洋油田油、气、水的集输、贮运，多是通过海底管道来完 成的。海底管道用来把海上油田的整个生产密切的联系起来，其 运输有其自身的优点：首先是运输的连续性，旦投入运转后， 运输可连续不断地进行，减少中间装卸、转运过程的时间耽搁， 其运输能力远远大于陆运和水运。其次，管道运输是密闭的，可 以大大减少运输过程产生的损失，一旦管道建成，它几乎可以不 受水深、地形、海况等条件限制，能高效、安全地完成油( 气) 的输送。 但是，海底管道工程风险性较大，一次性投资较多；同时管 道通常处于海底，所以检查维护、日常管理不方便，管道事故维 修极为困难。正是由于这些原因，使得海底管道工程的设计极为 重要。 海底管道工程设计的最根本的要求，就是在一定的设计条件 下，保证管道能安全、高效地完成海洋油气输送，在使用期中保 证管道在设计环境条件下安全运转，在施工安装中保证管道经受 各种施工外荷的考验。海底管道工程设计的主要内容包括以下几 个方面。 ( 1 ) 论证并确定管道设计的基础数据和线路的选择； ( 2 ) 管道工艺设计计算及设计方案的选取； ( 3 ) 管道的稳定性计算； ( 4 ) 立管设计； ( 5 ) 管道的施工设计； ( 6 ) 管道的防腐设计。 管道工艺设计是海底管道工程的关键，其作用和目的是根据 第一章绪论 实际生产状况，选择合理经济的输送参数和材料，包括管道的管 径、压降、温降、保温形式及管道的材质。以使海底管道工程的 建造、旌工和后期操作维修在满足使用要求的情况下，总体费用 最经济或较为经济。 一顼优秀的工程设计方案不仅在技术上安全可行，还要考虑 到经济、环境影响等诸多因素。这其中既有可定量的指标，又存 在大量不能定量分析，需要设计人员根据科学经验定性分析的指 标。这样，便使得在优选工程设计方案时的复杂度大大增加。 目前，对工程方案决策的方法分为定量( 数值) 分析决策和 定性分析决策两种，但对于一般比较复杂的工程，其中存在较多 的定性但难以定量的因素，很难用定量方法进行决策，多数情况 下采用定量和定性决策相结合的方法。主要包括以下几种常用方 法： 可靠度分析决镶方法：根据复杂系统组成的各环节的各类因 素的失效统诗概率，结合系统各环节和各类因素敢组合关系，分 析计算出整个系统的整体失效概率。当失效概率小于某一值时， 认为该系统的可靠度满足要求，系统是可行的。一般的，不同行 业对可靠度的要求是不同的，如公民建行业，要求整体失效概率 l o ；海洋工程行业，要求整体失效概率1 0 一；航天航空行业， 要求整体失效概率1 0 。2 等。 h a z o p 分析决策方法：通过复杂系统组成的各环节的各类因 素的失效统计概率和各自失效产生的后果分析，根据系统各环节 和各类因素的组合关系，计算出整个系统的失效概率，分析每种 失效产生的后果，有针对性的对系统制定实施措施，保证系统的 整体可靠性，将系统失效造成的危害控制在可接受范围。这是目 前西方欧美发达国家通过政府对大型项目强制施行的决策方法。 其定量分析方面和可靠度分析决策方法是基本一致的，以海洋工 程为例，即当系统失效概率小于1 0 “时，认为该系统的可靠度 满足要求，系统是可行的；当系统失效概率大于1 0 “而小于 1 0 2 时，认为可以接受，但需要增大资金投入，即增加保障措施， 调整系统配置，保证系统整体失效概率小于要求的规范值；当系 统整体失效概率1 0 时，认为系统的可靠度不够，通过资金投 入，调整系统配置是不经济的，方案是不可接受的。当然，不同 行业对可靠度的要求也是不同的。 第一章绪论 在许多发展中国家，由于发展历史和水平的原因，组成系统 的各类设旖的统计失效概率值不是很全，这也为定量分析带来了 很多不确定因素。同时，由于采用以上两种方法的资金投入是相 当可观的，发展中国家因资金短缺状况一时难以全面采用这些方 法。正是针对以上问题，结合我国正处发展中国家的国情，本文 提出了应用层次分析( a h p ) 和专家打分相结合的方法( 专家系统 决策法) ，从多方案中优选工程的最优方案。这种方法对处理系 统半定性半定量问题具有一定的现实意义。本文以渤南油气田群 海底管道方案的选取为例，研究了这种方法在工程实践中的具体 应用。 1 2 本文的主要内容 本文以本人所从事的渤南油气田群海底管道设计方案优选为 实例，主要介绍了海底管道设计中的一些基本概念和相关的概 念，包括输油管道的温降、冷却与凝固过程及压降计算，油气混 输管道的水力计算，以及管道的保温、伴热和计算等基本概念和 常用技术。针对油气田群海底管道工艺设计面临的问题，详细介 绍并列举了三种待选设计方案；在详细介绍了专家打分法和层次 分析法( a h p ) 法的理论和方法的同时，利用此方法对三个海底管 道的设计方案进行了具体分析，并通过分析判断优选出了最优方 案。 最后，为了方便决策，提高决策速度，本文提供了用v b 编写 的该分析法的运算程序。 2 。1 概述 第二章海底管线工艺设计与计算 第二章海底管道工艺设计与计算 海底管道系统的工艺设计内容包括：根据油田总体规划中确 定的工艺流程和分流规划，对管道系统进行一系列典型工况的工 艺计算分析，内容包括压降、温降计算分析，段塞流分析，允许 停输时间计算和再启动分析，注水注剂计算等，其中最主要的是 压降、温降所必需的水力计算和热力计算。其目的是为选择合理 的管径和管段面型式，确定最大输送量、输送温度、压力及沿线 温降等，并为选择泵机组和加热设备等提供必要的技术参数，也 为管道结构设计与计算提供基础。 因为海底管道多为加热输送的油气两相混输管道，所以在后 面的两节中，我们先介绍单种热油输油管道的工艺计算和油气混 输管道的水力计算。此后再简单介绍长输管道在输送过程中的加 热、伴热、保温装置及管道置换工艺等的常用技术。 2 2 工艺设计中的相关计算 2 2 1 输油管道的工艺计算 2 2 1 1 热油输送管道的特点 管道输送油类介质时，由于流动摩阻和周围环境温度的影 响，管道内各处的压力和温度不停在变化。当输送高黏度、高凝 固点原油时，因流动时的压力、温度变化，如果不附加措施，会 产生流动阻力增大，甚至造成原油在管道内凝固的事故。为改善 高黏度和高凝固点油的安全输送，需将油加热到一定温度，并对 管道进行保温，使管道内各处油温始终处在该油品合适的黏度一 温度点以上( 黏度温度曲线较平滑时，一般保证管内各处温度在 该种原油凝固点以上3 5 ) ，以防止原油在管路内凝固而堵塞管 道；同时，在较高的温度下还可降低油流的黏度，以减少管路系 统输送时的摩阻损失，降低泵压和能量消耗，便于输送。对于海 第二章海底管线工艺设计与计算 底输油管道来说，防止油品在管道内凝固是特别重要的，一旦出 现油品凝固现象，管道就可能阻塞，存在着管道再启动异常困难 的风险。 热油沿管道输送时，由于油流的温度高于管道周围介质( 大 气、海水或海底土壤) 的温度，这时油流所携带的热量，将不断 散失到管道周围介质中，因此，管道内的压力和温度总在不停的 变化。热油输送管道在输送过程中的能耗有热能损失和压力能损 失两部分。这两部分损失是相互影响的，因为管道的摩阻与油流 黏度有关，而油流的黏度又随油流本身的温度变化。油流温度既 取决于预先加热的温度，也取决于油流在输送过程中的散热温降 情况。对输油管道来说，热能损失起着主导作用。因此，进行输 油管道的工艺计算，实质是解决对输送油流的加热与沿线散热的 平衡问题。往往要通过在管路入口或( 和) 管路中间对油流加热， 和，或减少管路沿线热能损失来解决。 2 2 1 2 输油管道的温降计算 输油管道的沿线温降，是由于热油管路内油流与周围分质之 间温差的热交换引起的。所以，热油输送时两者之间温差越大， 散失的热能就越多。由于在热油输送时油流温度在不断下降，如 何选择经济合理的油流入口温度或决定中间加热站的位置和加 热温度，就必须了解输油管道沿线的温降变化规律。 在长三的管道内，要使油流顺利输送，管道内的油流从管道 入口处温度为t l 到出口处温度为t 2 时都应该保持油流的流动性。 如果管道周围的贪质温度为t o ，管内油流至周围介质的总传热系 数为k ( 对单一流体，内部流速一定时，管道内径为d j ，输送油 流的质量流量为g ，油的比热为c ，管道沿程的油温变化如下所 述。 设在离管道入口1 处往前取一长度为d ，微管段，当管内油流 流到此处时，温度降为t ，油流温度与周围介质温差为t - f 。，因此， 长度为d ，的微管段中，单位时间内往周围介质散失的热量为k 万 d f d l ( t t o ) 。经过d ，这一微段距离后，油流温度又降低了d f 。在 稳定传热过程中，如不考虑油流的摩擦热，则油流放出的热量为 g c d t ，d l 微管段内的热平衡关系为： 第二章海底管线工艺设计与计算 k d i d l ( t t o ) = 一g c d t 这里等号右边出现负号，是因为d ，与d f 的方向相反。将上 式用分离变量法积分，可得热油管路沿线的降温关系式为： r k n d j d l 2r g c 鲁 即 l i l i 玉；k r , d 一l t 2 一t o g c 可推出； 丝：。警 t 2 一t o 令单：口，刚 t 2 = t o + ( 一t o ) b 一“ ( 2 1 ) 式中f j 一一管路入口油温，k ； f 厂一一管路末端油温，k ； f d 一一周围介质温度，k ； 三一一输油管道长度，研： k 一一管路总传热系数，别r 研2 世) 或j n ”2 h k ) ： d 一管道内径，m ； g 一一油流的质量流量，冶朋； c 一一油的比热，r 硌彭) ； 口一一( 温降) 指数。 式( 2 1 ) 即为热油管路沿线温降的表达式。 在管路两端( 或两个加热站) 之间的管路沿线，各处的温度 梯度是不同的；在前段油温高，油流与周围介质的温差大，温降 快，而在管路后段，由于油温低，油流温度与周围介质温差小， 温降慢得多。因此，过多的提高管路入口( 或加热站出口) 温度， 以提高管路末端的油温，不仅收效不大，而且不经济。 热油管路沿线温降曲线如图2 1 所示，其有以下作用： 第二章海底管线工艺设计与计算 t ( 。c ) - 永 t ： 0 l c l 图2 1 t l 一起点油温 t 2 一末端油温 t o 一介质温度 t c 一油流凝固点 ( 1 ) 确定管路中间加热站位置和加热温度。如在温度t 轴上 以输送油品凝固点温度t 。作一与周围介质温度t o 的平行线，该平 行线与曲线交于点s l 。说明油流输送到s 1 点时，管路内油品开 始达到凝固点。为了不使油流在管路内凝固，必须在s l 点前某位 置设置中间加热站，并确定其加热温度。 ( 2 ) 判断管路内油流的流态，计算输油管道的压降。每种 流态都有其临界运动粘度”。，。 ( 当层流时，二二2 = 2 0 0 0 ) ，再根据油品的粘温特性，用口。， 查出对应的t 。，作平行午t o 的。直线，如与曲线相交于c 点，则 可确定c 点后的管路内油流流态为层流，这样依次类推可判别其 它流态。如t 。，线不与曲线相交，说明管路内油流将不出现t 。，对 应的流态。 温降公式( 2 一1 ) 是在输油管道的设计、管理中应用最多的计 算式，在设计时可用于： ( 1 ) 当k 、g 、d 。及t 1 、t 2 一定时，确定加热站的间距三。； ( 2 ) 在加热站间距f 已定的情况下，当k 、g 、d f 及t o 一定时， 确定为保持要求的终点温度t 2 所必须的加热站出口温度t 1 ； ( 3 ) 当k 、d i 及f 0 一定时，在加热站间距l c 、加热站的最高 出口油温t l m a x 和允许最低终点温度( 即下一站的进站温度) t 2 m i n 已定的情况下，确定热油管路的允许最小输送量g m i n 。 第二章海底管线工艺设计与计算 = 盏c l n 坚二生 t 2 曲一t o ( 2 2 ) ( 4 ) 运行时反算实际的总传热系数量，以判断管路的散热及结 蜡情况。 世：旦b i 玉( 2 - 3 ) a q 工。t 2 一t o 必须强调指出，上述核算只适用于输量及油温都稳定的情 况，因为式( 2 1 ) 是由稳定传热的热平衡关系导出的，并认为总 传热系数足是常数，不随其它参数变化。 对于埋地管道，当输送量和油温变化时，由于土壤温度场的 重新分布和趋于稳定的过程较慢，按式( 2 - 3 ) 计算某段管路的k 值是随时间变化的。 上述温降的基本公式没有考虑管内油流摩擦生热对阻降的 影响，也没有计入含蜡原油降温时析蜡潜热的影响，故只适用于 流速低、温降大、摩擦热影响较小，且在输送温度范围内没有相 变的情况。 通常输油管道沿线温降计算，很少考虑管路内摩擦热的转 化，可由式( 2 1 ) 进行计算。计及摩擦热时的温降计算，可参阅 有关书籍，这里不再赘述。 2 2 1 3 管道内热油的冷却与凝固 管道在输送易凝原油时，为防止原油在管道内凝固，必须保 证油流温度始终高于原油凝固点的温度。 热油在管道内流动时，很少发生凝固现象。但是，管道系统 因各种原因，如要给原油进行加热循环、倒换泵、管道扫线、管 道系统维修保养甚至意外事故等，造成管路系统内油流处于停滞 状态，时间一长管路内原油就会发生凝固现象。因此，要确定管 道的允许停输时间，以防原油在管道凝堵。 为了确定管道的允许停输时间，需要对易凝原油在管道中的 冷却与凝固时间预先有个估算，使各种原因造成的停输时间不超 过允许的停输时间。 第二章海底管线工艺设计与计算 原油在管道内冷却和凝固是两个不同的过程。原油冷却时， 只是随着散热而降温，即管内油流与管外介质的温差减小。当管 内壁冷却至凝固点温度，原油开始在管壁处凝固。随着散热，油 温保持凝固点温度，温度不变，凝固层逐渐加厚，直到整个管断 面被凝油堵塞。 ( 一)冷却过程 设管道刚停输时油温为t i ，到油温降到凝固点温度t 。，计算 需要多长时间原油开始凝固。设在单元长管内的原油质量为矿、 油的比热为c ，单元长管道本身质量为阢、比热为c ；，管道周围 温度为t o ， 管道的总传热系数为置，管径为d ，则由管道输油时的降温 规律可推知：此单元管内温差从df l = f l - t o 降到4t 2 = f 。- t o 放出的 热量为( c 矿十c ，阢) d ( at ) ；向周围介质的散热速率为k d dt ，将管道热量散失到t 。温度所需时间dr ，则可由上面的热平 衡求得： ( c w + q 以) d ( f ) = 一k z d a t d r 即 用分离变量法积分， dt 从4t 1 到4t 2 ，df 从0 到dr1 ， f l d f ：c r r + c , w , 产型 m k x d h a t 得原油冷却至凝固点需要的时间： 或 f ：! ! 竖垫塑h ! ( h )( 2 4 ) 1 k ：r 2 9 t ，一“ 铲雌肌巳唰n 嚣( h ) ( 2 - s ) 计算时，c 可近似地取为2 1 k j ( k g k ) ；c 。可取为0 4 7 7 k j ( k g k ) 。 一般因工艺及维修保养的允许停输时间【r 】rl 。 ( 二)凝固过程 第二章海底管线工艺设计与计算 当油温降到凝固点温度后，如外界温度比凝固点低，而且停 滞时间继续延长，这时凝油将从管内壁开始向管中心凝固，原油 的凝固层逐渐向管中心加厚，一直到全断面凝固。在这个过程中， 原油放出一部分潜热，放完潜热的原油就成凝固油。 设凝固油厚度达( r i - r 。) ，则它放出的潜热，即这部分凝固油 的潜热是在固定的温差at = t 。t o 下，经过凝固热传导到外界，这 时传导的距离随凝固油的厚度增加而增大，到凝固油的厚度达 ( r i - ，。) 所需的时间 铲瓦p 魄u r l 2 ) 1 一印2 + 单21 呻2 】( h ) ( 2 - 6 ) u - 一原油凝固潜热，j k g ，按相关手册或测试报告查取； h 一凝固油的导热系数，可取为0 13 0 1 4 w ( m k ) ； f 。一原油凝固点温度，； f o 一管道周围介质温度，； r l 一管内半径，m ： ，。一管中心到凝油层内侧的可变半径，m 。 当r w = o ( 全断面凝固) 时， “：些笠一 ( h ) ( 2 7 ) 2 4 九( f 。一t o ) 、7 利用式( 2 4 ) 和( 2 7 ) 计算出的n 和7 2 ，往往与实际出入 很大。主要原因由于管道内停滞原油在冷却与凝固过程中，管壁 结蜡和形成凝油层所致。这一原因使管壁热阻发生很大的变化， 因而也影响到它的总传热系数。实际上，管壁热阻和它的总传热 系数，在冷却与凝固过程中都是变量，随着管壁热阻的变大，而 总传热系数量在不断地减小。因此，决定管路的允许停输时间【f 】， 不能只依赖于公式的计算结果，应更多地依赖于实验测定的数 据，并且考虑管路的重要性和停输造成管路全断面凝固的后果， 全面综合地加以考虑。 一般事故性停输允许停输时间【t 】，应考虑管断面局部凝固的 断面凝固率以( r i - r 。) r t ，在还能顺利恢复输送的时间f 2 内确定 r 】r 2 。例如，当( r i o r 。) r f = o 5 时，还能利用热油循环恢复 管道输送，达到此断面凝固率的时间7 2 = 4 8 h ，则取【r 】48 h 。 第二章海底管线工艺设计与计算 2 2 1 4 输油管道的压降计算 输油管道的压降计算不同于等温输送的管道。主要特点在 于： ( 1 ) 输油管道沿线单位长度上的压降，是随沿线温度变化 的一个不定值。因为热油在沿管道流动过程中，温度不断降低， 黏度不断增大，压降也就不断增大。因此，计算输油管道的压降 时，必须考虑管道沿线的温降情况及油品的粘温特性。即必须先 作热力计算，确定沿线的温度变化及黏度变化，再在此基础上作 压降计算。 ( 2 ) 输油管道的压降，应按每个加热站间管段进行分段计 算，然后累加成为管道全线的总压降。 ( 3 ) 当管道内油流出现层流情况时，应考虑管道径向埋差 引起的附加压降。 下面介绍用等温管道的办法，将输油管道分段计算后再累加 的近似计算法。计算步骤如下： 先对输油管道进行热力计算，绘制出输油管道输送的沿 线温降曲线； 从管道的沿线温降曲线与输送原油的粘温特性，将管道 内输送的油流流态分段； 计算每一分段管道的平均温度。为了安全起见，一般不 用算术平均值，而用下式： 19 t l = f + g 。- t 2 f ( ) ( 2 - 8 ) jj 式中 t 1r 、t 2 j 一管道计算段的起点和终点的油流平均温度； t ，一每一分段计算管道的平均温度。 由上式计算得到的平均温度t ，从其粘温特性曲线上求得相 应的平均粘度”，再根据”r 值来修正计算分段的油流雷诺数； 按照各分段求得的雷诺数不同，判别和划分管道流态。 根据各段油流的流态，采用相应的水力摩阻系数的计算公式求得 相应的 ，并分段计算出各段的压降。应注意的是，在确定每一 计算分段的长度时，t tr 与t 2r 之问不宜相差3 5 ： 在管道油流流态处于层流状态时，应考虑径向温降对该 第二章海底管线工艺设计与计算 段管道压降的影响，因此，层流段管道的总压降为p r 。其 中r 为考虑管道径向温降对压降影响的系数，通常取为 1 0 1 4 0 。一般来说，在输油管道输送中，轴向沿线的温降的影 响是主要的。在紊流管段内，径向温降的影响不予考虑，但在层 流管段内，径向温降也会引起附加的压降。径向温降在层流段内 的附加压降的影响系数值，与油品的粘温特性和管壁、油流的温 差等因素有关。通常可按下面经验公式计算： ，；拦) ”s( 2 9 ) o 式中。一管壁温度下的油品动力粘度； 口。一油流平均温度下的油品动力粘度。 因此，整个输油管道的总压降为： 蝇= 蝎+ 蝇r ( 2 1 0 ) 式中一输油管道总的压降； 只一输油管道各紊流分段的压降之和； 鸲一输油管道各层流分段的压降之和； r 一层流段考虑径向温降对压降的影响系数。 2 2 2 油、气混输管道的水力计算 油气混输管道多为自喷井的出油管道。对于海上油田，除出 油管道外，距岸较近的全陆式集输生产系统中，多数采用混输管 道。油气混输管道水力计算的目的，是求出混输管道在一定输量 下的压降，以便合理地确定管道直径等。 对于油气混输管道水力计算时的要求有：水力计算时所用 的液量，应按油田开发所提供的采油量和正常的油气比，为了安 全起见j 还应乘以1 15 1 3 0 的备用系数；油气混输管道的输 送能力，目前主要是靠井口回压。合理的回压应是既不影响油井 正常生产，又能充分利用油井剩余压力增大输送能力( 输量和输 第二章海底管线工艺设计与计算 送距离) 。根据陆上油田多年实践，认为在油压较高时，如果回 压和油压之比不超过0 4 3 ，且油嘴内流速未达到音速时的回压， 是不会影响油井正常生产的。目前，我国海上油田尚无具体经验 数据，只得暂用陆上经验，再根据具体情况加以调整。 对于油气混输管道，为了减少油气分离成段产生的气体阻塞 管道，要求最小流速为3 0 5 m s ( 10 f t s ) 。这时，油气两相混输的 压降为： a p ：6 9 i x - l o - 一6 w 2 ( 2 11 ) d i p m 、 其中， = 3 1 8 0 q g s g + 1 4 6 0 , s ( 2 - 1 2 ) 凡：1 2 4 _ 0 9 忑s t 鬲p + r 2 i 7 r r s v p ( 2 13 ) 凡2 1 两历再育r t 小 式中尸一压降，p s i 1 0 0 f t o 矿一液气的总质量流量，l b h ； d ，一管道内径，i n ； 以一在流动压力及温度下的油气混合物密度，l b f t 3 。 q g 一气体流量( 在1 4 。7 p s i a 和6 0 。f 状态) ，l o 6 f t 3 d ； & 一气体对空气的相对密度，无量纲； q f 一液体流量，b b l d ； s f 一液体对水的相对密度，无量纲； 芦一输送时的平均压力，p s i a ，对一段长管的输送压力可 取入口压力和出口压力的 平均值，即f = o 5 ( p 1 + p 2 ) ； 于一一输送时的平均温度，对一段长管的输送温度取圭入 口温度+ 三出口温度， 3 r 一一气液比，f t 3 b b l 。 要选的d f 应使尸不超过输送起点压力的1o ，否则p 。不能 保持恒定，将有气体窜流存在。 第二章海底管线工艺设计与计算 此外，国外还普遍采用由b a k e r 等人综合生产实测数据和研 究成果提出的经验公式，可参阅有关文献，这里不再赘述。 2 3 热力输送工艺管道的常用技术 2 3 1 加热输送系统简介 海上平台输油管线温度是海上施工过程中比较重要的问题， 因为海上的工作环境温度变化比较大，尤其是低温，就渤海地区 来说可达一2 0 。而且渤海油田出产的原油多为易凝、高含水、 多蜡原油，在常温时已经粘度很大，流动性差，处理不当经常会 发生凝固。如果不采取降凝、降粘措施，直接在环境温度下用管 道输送，当温度下降到极低情况下，输油管线中的石油就很难保 证其品质的可靠性，还有可能发生石油冻凝，管线断裂等现象。 输送这类油品，一般非常困难，或者很不经济。因此，维持管线 中油类的最低安全输送温度是必须的。目前经常用的办法是加热 输送，使管道内各点易凝油品的温度保持在凝固点以上2 5 ： 使高粘油品因温度升高而粘度变小，减少摩阻损失。 加热输送的特点是：在输送油品的过程中，既存在摩阻损失， 又存在热能损失。因此，必须从这两方面给油品提供能量。即泵 站提供压力能，使油品流动。加热站提供热能，使油品温度升高。 摩阻损失与热能损失又是相互制约的，如果油品的加热温度高， 其粘度就低。因而摩阻损失小，但热能损失大。反之，油品的加 热温度低，其粘度就高，因而摩阻损失大。但热能损失小。怎样 正确处理好这个矛盾，选择经济的输送方案。工程上经常采用集 中加热输送( 分直接加热和间接加热两种) 和保温相结合的方法， 以保证管道的正常安全使用。 1 、直接加热分以下几种类型： 直接火焰加热法：用火焰加热炉直接给油品加热。油品直接 流过加热炉膛内的管道，使油品被炉膛中的火焰加热。陆上 长输管道一般每隔几十公里建一个加热站，每站安装若干台 加热炉。 电加热法：这是国外近年兴起的直接加热方法，它是让电流 通过一段特制的工艺管道，油品流过这段管道时被加热，其 第二章海底管线工艺设计与计算 实质是把电热元件直接放置在油品中加热。 直接加热法的特点是热效率高，而且容易在较大的范围内调 节温度。 2 、间接加热分以下几种类型： 火焰间接加热法：今年常用的是利用热煤炉先加热一种性质 稳定( 一般是低压高沸点，比热容较大) 的有机液体( 亦称 热媒) ，有机液体在通过热交换器把热量传递给油品；传统 使用的是利用热水或蒸汽锅炉将水变成热水或蒸汽，再通过 热水或蒸汽一油气水换热器加热油品。 间接电加热法：利用电加热炉( 亦称水浴式电加热器) ，加 热炉水室底部安置电加热器，在水室上部直接设置加热盘管 ( 全部浸没在水面下) ，电加热器先加热水使电能转化的热 能，再由热水与盘管及内部油品进行换热，达到加热油品的 目的。 闻接比直接加热更为安全可靠。 3 、 伴热主要是维持管道内介质的温度在一定的范围，常用 的伴热方法有以下几种： 蒸汽伴热：用蒸汽伴热管与输送管道紧靠并列安装，利用蒸 汽的高温为输送管道内介质提供热量，达到维持温度的目的； 热水伴热：用热水伴热管与输送管道紧靠并列安装，利用热 水的高温为输送管道内介质提供热量，达到维持温度的目的； 电伴热：电伴热是用电热来补充被伴热物体在工艺过程中所 散失的热量，以维持流动介质温度在安全输送温度范围。电伴 热技术主要有集肤效应电流法( s e c t ) 、自限式电热带法、矿 物绝缘加热电缆法( m 1 ) 及串并联式电热带法4 种方法。其中 第一种集肤效应电流法( s e c t ) 系统不常用，只是用在单回路 伴热功率大、距离长的管道，一般单回路伴热长度可达 2 0 “3 0 k m 。其他三种为一般常用的方法，单回路伴热功率小， 单回路最大长度在5 0 13 0 m 左右。电伴热产品就伴热类型可 分为两类：恒功率式和自限式。电伴热的应用范围非常广泛， 可用于各类工业设旄的管道、设备等。 电伴热与传统蒸气热水伴热相比较，有如下优点： ( 1 ) 装置简单，发热均匀，温度准确，可远程控制，实现自动 化管理。 第二章海底管线工艺设计与计算 ( 2 ) 可靠性高，易实现防爆性能和全天候使用。寿命长、无泄 漏，利于环保。不像蒸汽热水伴热会产生“跑、冒、滴、漏”， 污染环境的现象。 ( 3 ) 电伴热节省钢材，因为蒸汽热水伴热通常采用一来一去二 趟伴热管路，而电伴热不需要，电伴热节省保温材料。 ( 4 ) 电伴热伴热效率高，能大大节约能源，主要体现在下列几 个方面： 伴热管线的散热量与散热面积有关。电伴热产品的外形尺 寸较小，敷设时不会改变管线保温层形状；而蒸汽热水伴 热管线管径较大，这样扩大了保温层的散热面积，增加了 热量散失。 蒸汽热水伴热管线与工艺管线之间只有线接触，换热效率 一般为4 0 6 0 ；而电伴热产品呈扁平状，借助铝胶带 可形成较宽的换热面，其热效率高达9 0 9 6 。 采用蒸汽热水伴热时，考虑沿途传输热损失及泄漏，必须 在近点过热补偿；而电伴热则无须过热补偿，因为它在整 个线方向上的放热是均匀的。 蒸汽热水热能传输的损失比电能传输损失要大的多。当被 加热管线离热源较远，则沿线损失较多，而电能传递损耗 就较少。 ( 5 ) 降低设计、旌工和维修费用。电伴热设计工作量小，施工 简单、周期短、维护方便、日常维护保养工作量小。 般工艺管道距离短，管径小，散热量小，采用一般佯热技 术即可。在渤南油气田海底管道中，由于其需要伴热管道的功率 4 0 0 多k w ，距离长17 k m 。同时，水下部分无法设置供电接线盒， 结合实际，只能考虑用集肤效应电伴热方法。经过国内外公司咨 询，采用施工船铺设的带有集肤效应电伴热系统的海底管道在世 界上尚属首例。考虑其在整个工程中的重要性，我们进行了充分 的论证。在下一节进行详细说明。 2 3 2 集肤效应电伴热系统 一、肤效应电伴热原理 集肤效应电伴热利用通电导体在电磁场作用下的集肤效应 第二章海底管线工艺设计与计算 产生热量，达到伴热的目的。集肤效应电伴热电路其发热装置是 称为“热管”的普通碳钢管和穿在热管中的集肤效应导线。热管焊 接在需伴热的管线上，热管和导线在一端短接在一起，在另一端 分别与电源的两端相连。