油管蒸汽伴热建模及模拟分析

1、油管蒸汽伴热建模及模拟分析责任编辑:我心依旧 点击次数:29            更新时间:2007-10-12 15:51:56祝芳1，吴项祥1，李素芬1，肖礼军2，杨维龙2    摘  要：根据传热理论对油管蒸汽伴热管道建立数学模型，利用Microsoft Visual Basic 6.0开发计算软件，对油管蒸汽伴热参数和蒸汽耗量进行预浏和计耳，实现量化管理，为节约能源提供科学有效的手段和工具。    关键词：油管；蒸汽

2、伴热；蒸汽流童；升温时间    中图分类号：TE832.3+42；TB115  文献标识码：A  文章编号：1004一7948(2005)11一0017一04    1概述    伴热作为一种有效的管道保温及防冻方案一直被广泛应用，其工作原理是通过伴热媒体散发一定的热量，通过直接或间接的热交换补充被伴热管道的热损失，达到升温、保温或防冻的正常工作要求。蒸汽伴热始终是一种主要的保温方式，通过蒸汽伴热管道可以补充被保温管道的热损失。    油管蒸汽伴热消耗大量

3、的蒸汽热能，实际运行中经常由于缺乏可靠的数据和能源计量手段及缺乏具体的节能技术与措施，使油管蒸汽伴热能耗较大。受原油种类繁多，物性各异，冬夏两季气候变化显著，输油管道的伴热及保温状况不同等因素的影响，易出现以下问题：各进汽点的压力、流量不明；某些重要的操作参数无法获得，为满足要求往往根据经验进行操作，因此造成能源浪费。    为了对油管蒸汽伴热参数和蒸汽耗量进行有效的预测和计算，对能量损失进行分析诊断，故开发研制油管蒸汽伴热计算软件，以实现油管蒸汽伴热能耗量化管理和预测，为减少损失、节约能源提供科学有效的手段和工具。    2计算模型

4、    石油化工、港口输运企业中的管道，常用伴热的方法维持生产操作及停输期间管内介质的温度。常用的伴热形式有单管外伴热和双管外伴热两种，采用蒸汽为伴热介质，使用圆形保温结构，无传热胶泥，保温层材料为岩棉，具体结构如图1所示。    2.1蒸汽耗量计算    蒸汽伴热保温，采用饱和蒸汽为伴热介质。根据不同的工艺要求，分为保温和升温两种工况。    (1)保温耗热量    圆形保温壳相当于一圆管内壳，在保温层内壁与工艺管道的外壁之间有一加热空间，这样

5、主管通过保温层散失到四周大气中的热量，在伴热计算中可以略去不计。伴热管道的热损失为        此时，q1=q1    (2)升温耗热量    管道内原油升温时所需的热量包括两部分：管道向外界的热损失q1和原油升温所需要的热量q1。升温热量为    q1=1/4Cpd2 lt    此时，q1q1q1    (3)蒸汽耗量    伴热管的蒸汽耗量g1：&#

6、160;       2.2油品升温时间计算    伴热管内蒸汽通过气体空间和管壁向油管内油品传热，由于伴热管和油管之间是线接触，故二者之间通过导热传递的热量可以忽略不计。自气体空间经单位长度的接触面至油品的热量为    qb= KbFb(tet)    (1)气体空间温度的计算    加热空间的温度te是根据蒸汽伴热管的热平衡求出的，即蒸汽伴热管的供热等于输送介质得到的热量与加热空间散失于大气的热量之和，可计算如下 

7、;       (2)少传热系数的计算    加热空间至油品的传热包括加热空间与油管管壁、油管内壁与管内油品之间的对流换热，由于钢管热阻相对于前二者来说较小，故可忽略其对总传热系数的影响。其传热系数Kb计算如下：        (3)升温时间    若油品处于凝固点以上，则不需考虑石蜡含量的影响，其升温时间1为    1q1/qb    若在油品的升温过程中，有凝固石

8、蜡的融化过程，则整个的升温时间还需在上式的基础上加上油品的融化时间2        总升温时间  =l2    2.3各供汽点的压力计算    伴热蒸汽在管内流动，受蒸汽和管壁的摩擦以及弯头、阀门的影响，存在沿程损失和局部阻力损失，各供汽点的压力逐渐降低（管段供汽点的划分见图2，划分依据为伴热管段的长度），蒸汽流速下降，蒸汽品质下降，伴热时间增加。    由于管段中的实际阻力损失不可预知，故采用试算法。假设主干线的压降均匀分布，得到管段

9、的末端压力Pm；根据主干线平均比摩阻和管段中蒸汽平均密度计算该管段的实际比摩阻R和蒸汽实际流速v；按照管径计算局部阻力当量长度la,sh,i，求得管段总计算长度lzh,i；实际比摩阻与管段总计算长度之积即为管段总阻力损失，求出管段实际的末端压力与蒸汽的平均密度，与假定值对照，如果在误差允许的范围内，即可进行串联的下一管段的计算，否则，修正假设值，重复计算直到达到工程要求为止。    3软件结构及功能    根据油管蒸汽伴热计算原理和模型，综合考虑油管伴热实际情况，使用Microsoft Visual Basic 6.0开发油管蒸汽伴热

10、计算软件，经过反复调试、修正，得到操作简便、结果准确的计算软件。    3.1软件结构    软件由计算参数输入模块、结果显示模块以及温升曲线模块组成，流程图如下：    3.2软件功能    为了能有效预测油管保温及升温情况，确定蒸汽主管的供汽方案，及时调整蒸汽流量和压力，该软件主要着重于以下几个方面：    (1)已知压力求升温时间和蒸汽流量；    (2)已知升温时间求蒸汽流量和压力；  &

11、#160; (3)油品的保温计算；    (4)绘制压力时间流量图和时间压力流量图。    4结果分析    利用该软件计算，分析影响油品升温时间、伴热蒸汽流量以及管道热损失的因素。    4.1油品升温时间    图4反映了影响油品升温时间的五大因素：始端压力、石蜡含量、升温温差、环境温度和油品粘度。油品的升温时间随着始端压力的升高而减少，且减少的幅度越来越小，曲线也渐趋平滑。在实际操作中，即可按照二者之间的关系根据要求的升温时间来调整伴热蒸汽

12、参数以达到要求。    当油管内原油处于凝固点以下时，在进行油品升温过程中，必须考虑到原油中石蜡的影响，计算其融化时间，并计入升温时间内。油品的升温时间与石蜡含量呈线性关系，当原油处于固态时，石蜡含量对其升温时间的影响较大，石蜡含量越高，用于融化凝固石蜡的时间在整个升温过程中所占的比重就越大。石蜡含量只是在油管内原油凝固之后才对其产生影响，因此，尽量降低原油的石蜡含量，是降低凝固后升温时间的有效方法。    油品升温时间与升温温差近似呈线性关系，随着温差的增加而增大，随着环境温度的升高线性降低。    原

13、油品质的不同也会造成升温时间的不同，各类原油的成分相差很多，尤其是粘度的影响在各成分的影响中占据主要地位。虽然粘度对升温时间的影响并不是简单的函数关系，但具有明显的发展趋势，随着油品粘度的增大而提高。    4.2蒸汽流量    图5反映了影响蒸汽流量的四大因素：始端压力、石蜡含量、升温温差和环境温度。    伴热蒸汽流量与始端压力、石蜡含量以及环境温度均呈线性关系，随着始端压力及石蜡含量的增大而增加，随着环境温度的升高而减少。在蒸汽流量以及压力增长的共同作用下油品的升温时间得到了大幅降低。为了融化凝固的

14、石蜡，在提高升温时间的同时还必须加大蒸汽流量。就能量消耗方面而言，油品的石蜡含量越低越好。蒸汽流量随着升温温差的增大而增加，当温差较低（低于10时）时增加较快，之后二者近似线性增加。    4.3管道热损失    图6反映了影响管道热损失的两大因素即升温温差和环境温度。蒸汽主管的管道热损失主要取决于升温温差和环境温度，随着升温温差线性增长，环境温度线性减少。    5结论    (1)软件计算功能完备，环境温度、初始油温、油品加热温差、油品性质、蒸汽压力和流量、管径及长度、保

15、温结构、加热工艺、加热时间等参数都可以作为变量，方便快捷，可靠性较好。    (2)当其它条件不变时，升温时间随始端压力的升高而降低，压力较低时下降快，然后变化平稳；升温时间随环境温度升高而线性降低；温差加大，升温时间增加，两者近似呈线性关系；升温时间随石蜡含量的增加而线性增加。    (3)蒸汽流量与始端压力、石蜡含量以及环境温度均呈线性关系。随着始端压力及石蜡含量的增大而增加，随着环境温度的升高而减少。升温温差增大，蒸汽流量增大，当温差低于10时，变化较快，高于10近似呈线性变化。    (4)散热损失与温差、环境温度呈线性关系。环境温度升高，散热损失减少升温温差大散热根失大。 参考文献1郭光臣，董文兰，张志廉油库设计与管理M北京：石油大学出版社，19912苏B. M阿加普金，C. H鲍里索夫，B. J克里沃舍因管道计算手册M北京：石油工业出