管道总传热系数计算

1、1 管道总传热系数管道总传热系数就是热油管道设计与运行管理中得重要参数。 在热油管道稳态运行方案得工艺计算中， 温降与压降得计算至关重要， 而管道总传热系数就是影响温降计算得关键因素，同时它也通过温降影响压降得计算结果。1、1 利用管道周围埋设介质热物性计算K 值管道总传热系数 K 指油流与周围介质温差为 1时，单位时间内通过管道单位传热表面所传递得热量， 它表示油流至周围介质散热得强弱。 当考虑结蜡层得热阻对管道散热得影响时，根据热量平衡方程可得如下计算表达式：攜凤叹鎢銬琺盘。轾骣- 1犏Di +111ln 琪Di1Dn犏+?桫+（1-1 ）KDe = 犏+a2 Dw2l ilnDLa1 D

2、n2l L犏犏臌式中： K 总传热系数， W/( m2·) ；De 计算直径， m；（对于保温管路取保温层内外径得平均值，对于无保温埋地管路可取沥青层外径）；Dn 管道内直径， m；D w 管道最外层直径，m；1 油流与管内壁放热系数，W/(m 2· )；2 管外壁与周围介质得放热系数，W/(m 2· )；i 第 i 层相应得导热系数， W/(m· )；Di ， D i+1 管道第 i 层得内外直径， m，其中 i = 1,2,3. n ；D L 结蜡后得管内径，m。为计算总传热系数 K ，需分别计算内部放热系数导热热阻、管道外壁或最大外围至周围环境得放

3、热系数1 、自管壁至管道最外径得2 。 执据獪逦斩祸许。（ 1）内部放热系数1 得确定放热强度决定于原油得物理性质及流动状态，可用1 与放热准数N u 、自然 47对流准数 Gr 与流体物理性质准数Pr 间得数学关系式来表示。陉圣虯锩鸷砀鹌。a dNuy =1= 3.65在层流状态（ Re<2000），当 Gr gPr >500时：a1d骣0.250.330.430.1琪PryNu y = 0.15Re y鬃PryGr y琪l桫Prb在激烈得紊流状态（ Re>104），Pr<2500 时：l骣0.250.80.44琪a1Pry= 0.021Rey鬃Pry琪dPrb桫在过

4、渡区 ( 2000<Re<104)式中： N u 放热准数，无因次；流体物理性质准数，无因次；自然对流准数，无因次；雷诺数；K 0 = f (Re f ) 系数；d 管道内径， m；g 重力加速度，g 9、81m/s2；2定性温度下得流体运动粘度，m /s；（1-2 ）（1-3 ）（1-4 ）（1-5 ）qv 流体体积流量， m3/s；定性温度下得流体密度，kg/m3；（1-6 ）f 定性温度下得流体导热系数，原油得导热系数f约在 0、 1 0、16 W/(m·K)间，随温度变化得关系可用下式表示：冊鄴娅鈰胆厴愷。（1-7 ）15f l5时得原油密度， kg/m3；t f

5、 油 ( 液) 得平均温度，；tb 管内壁平均温度，；d420 20时原油得相对密度。注：上面各式中，参数角标f 表示以管内油 ( 液 ) 得平均温度 t f 为定性温度；角标 b 表示以管壁温度为定性温度。（ 2）各处管壁导热得热阻这部分热阻包括钢管、防腐层与保温层得热阻。钢管得导热系数g 约为 45W/(m· ) ，其热阻可忽略不计；煤焦油瓷漆防腐层导热系数f 约为 1 、 1W/(m·) ，黄夹克保温材料得导热系数b 约为 0、 04 W/(m· )。镒恸騅黾溆壺评。对于壁厚g 、外包f 厚煤焦油瓷漆防腐层得非保温热油管道，钢管及防腐层对总传热系数得影响很小

6、。 如忽略内外径得差值， 则总传热系数可近似按下式计算：顥遙鶼捞顆飒铑。K = 11（1-8 ）di1a1+ ? l i+a2其中：对于保温管道，保温层得热阻起决定影响。故对于壁厚 g 、外包 b 厚保温材料得保温热油管道：轾ln( Di +1/ Di )ln (D n + 2db + 2d g ) / ( D n + 2d g )?臌（1-9 ）2l i2l b( 3) 外部放热系数2 得确定在原油长输管道内， 液体得流动状态绝大部分就是紊流状态，出现层流状态极少。因此，在热力计算中，确定 K 值将主要使用公式 (1-1)。在公式 (1-1) 中关键得参数就是与管道周围许多因素有关得2 ，对

7、于埋地敷设管道： 誘舊傖諢捣薊拥。当管道得埋设深度 ( 管中心至地表面 ) 小于 2m 时，采用下面得公式计算：（ 1-10 ）（ 1-11 ）（ 1-12 ）（ 1-13 ）式中：s 土壤得导热系数， W/(m· )；D e 与土壤接触得管道外直径，m；ta 土壤至地表空气间得放热系数，W/(m 2·)；h0 管道埋深 ( 管中心至地表面 ) ， m。该放热系数包括对流放热系数tac 与辐射放热系数taR 两部分。 tac 与taR 分别用下式确定：（ 1-14 ）（ 1-15 ）式中： va 地表面得平均风速，m/s；土壤表面折算黑度；C R 辐射系数，可取5、 7 W

8、/(m2·h4)；ts 土壤表面温度，取当地一年中月平均得最低地面温度，；ta 空气温度，取当地一年中月平均得最低空气温度，。当管道理设深度大于2m 时，可采用下面得公式计算2 ：（ 1-16 ）式中符号得意义同前。从上述得公式中可以瞧出，确定出土壤导热系数就是计算埋地管道 2 得关键。土壤得导热系数与组成土壤固体物质得导热系数、 土壤中固体物质颗粒大小得分布、土壤含水率、土壤状态等许多因素有关。用理论计算很难得到准确值，因此推荐采用理论计算与参考类似管道实测值相结合得方法。辏药趋駐鶴鱺绁。（ 4）结蜡层厚度计算在计入原油蜡结晶析出得潜热后，长为 dx 得微元管道上，热油管道得热量平

9、衡关系式（ 1-1 ）可简化为 48：轾骣- 1KD= 犏b +b lnDn（ 1-19 ）e犏01琪DL臌桫1ln( Di +1 )+?di1其中：b0 =a1d2l i+a2 Dw（ 1-20 ）b1 = 1（ 1-21 ）2l L如取温降为 1时， 从单位质量得原油中析出并沉积到管表面得凝油质量为bi ，则在 d时间内在轴向温降为 dT 得 dx 段上沉积得量为：態謝壩塹覿尧驊。T骣? ebidGL琪dTdt= G 琪?桫T因而使内径缩小了 d DL，则：轾骣dG= p D 犏dD L2rTdxLL 犏琪( )臌桫将式（ 1-23 ）代入式（ 1-22 ）得：G? ebidTp D Ld

10、(DL)r (T ) ? Tdt=dx2dTp K T)Dn T - T0)= -轾(dx骣犏? e yG琪?T犏C (T)+ k 琪臌桫（ 1-22 ）（1-23 ）（ 1-24 ）（ 1-25 ）将式（ 1-25 ）代入式（ 1-24 ）得：轾骣2? ebiT TD L 犏b0Dnd(D L)= -0dt（1-26 ）+ b1 ln 琪D骣犏Lr (T) ? T臌桫+?C T琪 e yk 琪? T( )桫积分后可得：2轾Dnb12轾Dnb1DL0 犏+ b1 ln-D Lt犏+ b1 ln2犏b0D L 02-犏b0DLt-臌2臌2轾（ 1-27 ）犏2犏TT0=? ebit犏骣犏rC T

11、?(T) 犏? T+ k 琪 e y犏()琪?臌桫 T对于距泵站出口 x 米处得管路而言，其清管后得运行时间可由下式计算：t =t L 0 +L - xV其中，Dn? 4Dn DLt - 3DL2t - Dn2，则1。ln DLt2DL2td Lt = 2 (D n - DLt )联解式（ 1-24 ）与式（ 1-27 ），可求出线路上热泵站出口x m处，经清管后运行小时得结蜡层内径D L ，从而求解出结蜡厚度。嚙婴疠騭贡缈構。式中： e y ， ebi 分别为油温得函数，其规律可通过试验求得；DL 结蜡后得管道内径，m；L 结蜡层得导热系数，W/( m ·)；L 0从下一站收到清管

12、器开始计算得时间，s；DL运行小时后得结蜡层内径，m；L运行小时后得结蜡厚度，m；L 为站间距离， m；V 管内流速， m/s；k 蜡得结晶潜热， kJ/kg。1、2 总传热系数得反算法热油管道稳态运行时，根据各已知得运行参数，利用苏霍夫公式反算出埋地管道总传热系数， 根据油气集输设计规范得规定，当管道长度 L30 km且管径 D300mm时，输油管道得热力计算应考虑管道水力摩擦生热得影响，即按列宾宗公式进行热力计算： 辑韧镖纲饅樂蹰。ln T1 - T0 - b = K p DwL（1-28 ）T2 - T0 - bGc担躜飪说挚曉测。（ 1-29 ）式中： T0 管外环境温度， ( 取管道

13、中心埋深处地温） ；T1 管道起点油温，；T2 终点油品温度，；L 管道长度， m；D w 管道外径， m；K 管道至周围介质得总传热系数，W/(m 2·) ；E 热功当量， E =102（kg·m）/kJ；G 原油质量流量， kg/h； 輕鍤偽芈骖轮璉。c 原油比热容， kJ/(kg ·) ；鳧猃脔聯潇荠著。b 由于油流在管道内摩擦功转化为热量；i 管道水力坡降值， m/m。为了更好地反映热油管道在一段时间内得实际传热状况，可采用最小二乘法来推算总传热系数K。设在某一运行期内，某站间管段得n 组运行参数记录值为G i ， G1i ， G2i ， i1 n ，根据

14、最小二乘法原理可构造一个关于变量K 得无约束优化问题。因为最小二乘法能充分利用管道得实际运行参数，在一定程度上可以消除各种随机因素得影响，反算出得K 值比较真实可靠。采用最小二乘法拟合 K 值得基本原理就是：求得一个合适得K 值，使得按此K 值计算得进站温度与相应得实际记录值得偏差平方与最小。荟謖徕潑絹遺廈。1、2、1 总传热系数因素分析及结蜡对管道温降与摩阻得影响总传热系数影响因数分析：从管道总传热系数得定义来瞧 , 影响总传热系数得根本因素就是管道结构、管道埋深与管道周围土壤得性质 ; 从总传热系数得确定方法 - 运行参数反算法来瞧 , 管道运行得稳定性与运行参数得测定精度就是影响总传热系

15、数测试结果得主要因素。 渦堅潰诩實萇缋。1 管道埋深得影响 : 根据埋地总传热系数计算公式 , 管道埋深越深 , 管道得散热热阻越大 , 总传热系数越小。2 土壤性质得影响 : 土壤物性参数中对总传热系数影响最大得就是土壤导热系数，土壤导热系数系数越大 , 管道总传热系数就越大。而土壤得导热系数主要受土壤含水量得影响 , 土壤含水量越高 , 土壤得导热系数越大 , 管线得总传热系数也就越大。 執讖檔穎鏇鴰职。3 管道运行工况稳定性得影响: 由于轴向温降公式得前提就是稳定运行工况,因而管道运行工况得稳定性对总传热系数测试结果有重大得影响, 运行工况不稳定可能会导致极不合理得总传热系数测试结果。

16、因此 , 在反算总传热系数时 , 应当选取管线稳定运行期间得运行参数。 荛搗闭魇镨烨战。4 站间温降得影响 : 站间温降越小 , 抵抗运行参数波动与测量误差得能力越差 , 总传热系数计算结果得误差就越大。 澀誑蚕澆彦俪帱。运行参数测量精度得影响: 由计算公式可知 , 影响总传热系数计算结果得运行参数包括输量、进出站压力与进出站温度 , 其中影响最大、测量精度最难保证得就是进出站温度。目前大多数油田得输油管道仍然采用套管中插玻璃温度计得方法测量进出站温度 , 由于套管热阻、温度计本身误差与读数误差等原因 , 测量结果很难反映管道中得实际油温 , 误差常在 1以上 , 当站间温降较小时 , 会给总

17、传热系数测试结果带来巨大误差。 铯舱烫誕攬勱繆。5 地温参数测量精度得影响: 输油管道中心埋深处得自然地温就是影响总传热系数测试结果得重要因素。为了保证测量精度 , 必须选择合适得测温地点与测温仪表。在某些管道上 , 目前测量地温得方法仍然就是套管中悬挂玻璃地温计得方法 , 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 , 建议采用与土壤直接接触得测量方法 ( 如在地下预埋测温探头方法或探针法) 。无条件时 , 可采用气象台得地温测量结果。飘躓賀漿嶺兽顺。(1) 管内壁结蜡对管道温降与摩阻得影响 暉壇錒赡羋鶼骥。管壁结蜡对轴向温降得影响 : 管内壁结蜡后 , 由于结蜡层得导热系数较小 , 一般为 0、15 W/(m2·), 其作用相当于增加了一层热阻。 由于结蜡层热阻得存在, 使总传热系数值减小 , 温度分布曲线变平 , 管线得散热量减小。当出站油温与输量不变时 , 下游站得进站油温将提高。 谙伥績萇谌嫔铢。管壁结蜡对摩阻得影响 : 管壁结蜡对摩阻得影响表现为两个方面：一方面由于内壁结蜡 , 使流通面积减小 , 内径由