热油管道的温降计算详解

1、第三章 加热输油管道,目前我国所产原油大多为易凝和高粘原油。这两种原油的凝点高，常温下的粘度大，有些油品还含有较高的石蜡、胶质等，俗称“三高”油品高凝点、高含蜡、高粘度。 含蜡原油的特点是含蜡量高、凝固点高、低温下粘度高、高温下粘度低。如大庆原油，凝固点为2832，50运动粘度约为202510-6m2/s，胜利含蜡原油的凝固点为2332，50运动粘度约为809010-6m2/s。 稠油的特点是凝固点低，通常低于0，但粘度很大，如孤岛原油凝固点为-2.34.9，50运动粘度约为200010-6m2/s。除此之外，还有粘度超过2000010-6m2/s，甚至于高达100000010-6m2/s的超

2、稠油。,原油的高含蜡、高凝固点和高粘度给储运工作带来以下几个方面的问题：,1、由于原油的凝固点比较高，一般在环境温度下就失去流动性或流动性很差，因而不能直接常温输送。,2、在环境温度下，含蜡原油即使能够流动，其表观粘度(Apparent Viscosity)也很高。对于稠油，虽然在环境温度下并不凝固，但其粘度很大，实际上已经失去流动性。因此无论是高含蜡原油还是稠油，常温输送时摩阻损失都很大，很不经济。,3、易凝高粘原油给储运系统的运行管理也带来了某些特殊问题，主要有：,储罐和管道系统的结蜡问题 ；,管道停输后的再启动问题。,易凝高粘原油的输送方式 常温输送 采用物理、化学等方法（加降凝减阻剂、

3、热处理、稀释、与表面活性物质水溶液混输、液环输送、热分解等）使油品性质改变，降粘、降凝，以实现不加热输送。 加热输送 即将油品加热后输入管路，提高油品温度以降低其粘度，减少摩阻损失，借消耗热能来节约动能。 可以分为加热站加热和伴随加热（蒸汽伴热、电伴热，主要用于油田内部集输管道和短管道），加热输送是目前最常用的方法。,什么是热油管道？ 所谓热油输送管道是指那些在输送过程中沿线油温高于地温的输油管道。对于含蜡原油管道，一般来说，其沿线的油温不仅高于地温而且还高于原油的凝点。,第一节 热油管道的温降计算,一、加热输送的特点,在热油沿管道向前流动过程中，由于油温高于管道周围的环境温度，在径向温差的作

4、用下，油流所携带的热能将不断地向管外散失，因而使油流在前进过程中不断地降温，引起轴向温降。轴向温降的存在，使油流的粘度在前进过程中不断升高，单位管长的摩阻逐渐增大，当油温降至凝点附近时，单位管长的摩阻将急剧升高。 故在设计管道时，必须考虑：需将油流加热到多高的温度才能输入管道？当油温降到什么温度时需要建一个加热站？像等温管那样，热油管也设有泵站，沿线的加热站和泵站补充油流的热损失和压力损失。,与等温管相比，热油管道的特点是：, 沿程的能量损失包括热能损失和压能损失两部分。, 热能损失和压能损失互相联系，且热能损失起主导作用。, 沿程油温不同，油流粘度不同，沿程水力坡降不是常数，iconst。一

5、个加热站间，距加热站越远，油温越低，粘度越大 ，水力坡降越大。,设计热油管道时，要先进行热力计算，然后进行水力计算。这是因为摩阻损失的大小取决于油品的粘度，而油品的粘度则取决于输送温度的高低。,基本假设 ：,稳定工况。包括热力 、水力条件稳定，即各站的进出站温度不随时间而变化，输量也不随时间而变化。,油流至周围介质的总传热系数K沿线为常数。,沿线地温T0和油品的比热C为常数,1、轴向温降公式的推导,二、热油管道沿程温降计算,设有一条热油管道 ，管道计算外径为 D ，周围介质温度为 T0 , 总传热系数为 K , 输量为 G ，油品的比热为C ，出站油温为TR，输至距离 L时的温度TL 。,在距

6、加热站为L处取一微元段dL，设此处断面油温为T，油流经过dL段的温度变化为dT，故在L+dL断面上油温为T+dT，稳定传热时，dL段上的热平衡方程为：,KD (T-T0)dL=GCdT,对上式积分 :,即：,或：,上式称为轴向温降基本公式，也就是著名的苏霍夫公式。,根据加热站间距LR，可求得下一站的进站油温为：,考虑摩擦升温时的轴向温降计算,油流沿管道向前流动过程中,由于摩擦阻力而使压力不断下降。这部分压力能最终转化为摩擦热而加热油流。上面讨论的温降基本公式，未考虑摩擦热的影响，故只能用于流速低、温降大、摩擦热影响较小的情况。,利用与推导苏霍夫轴向温降基本公式相同的方法：,管线向周围介质的散热

7、量=油流温降放热+摩擦热,即：KD(T-T0)dL=-GCdT+GgidL,整理得:,令:,则上式变为: a(T-T0-b)dL= -dT,即:,或:,上式即为考虑摩擦热时的轴向温降计算公式。又叫列宾宗温降公式。,在上式的推导中，水力坡降 i 取定值，实际上热油管的 i 沿线是变化的。计算中可近似取加热站间管道的平均水力坡降值。,式中：iR、iZ计算管段起点、终点油温下的水力坡降,由轴向温降公式可知：考虑摩擦升温后相当于地温升高了b 。,温降曲线的特点：由图可知：,温降曲线为一指数曲线，渐近线为 T=T0,在两个加热站之间的管路上，各处的温度梯度不同，加热站出口处，油温高，油流与周围介质的温差

8、大，温降快，曲线陡。,随油流的前进，温降变慢，曲线变平。因此当出站温度提高时，下一站的进站油温Tz不会按比例提高。如果TR提高10，进站油温Tj一般只升高23 。因此为了减少热损失，出站油温不宜过高。,2、温降公式与温降曲线的分析 （1）加热站进、出站温度对温降的影响 从温降公式可知，油流的温度沿管道长度呈负指数形式减小，在出站附近温降较快，温降曲线较陡；在进站附近温降较慢，温降曲线较平。因而，单纯靠提高出站温度的方式来提高进站温度，效果往往是不明显的。,进出站温度对温降的影响,（2）环境温度对温降的影响 从温降公式可知，环境温度升高，温降变慢，温降曲线变平。在固定出站温度运行的管道中，环境温

9、度升高，管道各截面上油流温度升高，下一加热站进站温度也升高；在固定进站温度运行的管道中，随环境温度升高，管道各截面上油流温度降低，上一加热站出站温度也降低。环境温度降低时，各参数的变化规律相反。,.,环境温度对温降的影响,（3）管道输量对温降的影响 从温降公式可知，管道输量增加时，温降减慢，温降曲线变平；管道输量减少时，温降加快，温降曲线变陡。 在固定出站温度运行的管道中，输送量减少，管道各截面上油流的温度降低，下一加热站进站温度也降低； 在固定进站温度运行的管道中，输送量减少，上一加热站出站温度必须升高，管道各截面上油流的温度升高。输送量增加时，各参数的变化规律相反。,（4）传热系数对温降的

10、影响 从温降公式可知，传热系数增加时，温降加快，温降曲线变陡；传热系数减小时，温降减慢，温降曲线变平。在热油管的运行中，引起传热系数改变的因素，都会带来温降情况的变化。 如在雨季，土壤的含水增加，埋地管道的传热系数增加，油流通过管壁向土壤的传热加快。 在夏秋季，地表植被加厚，地表向大气的放热受阻，埋地管道的传热系数减小。 在下雪后，积雪没融化前，地表的积雪相当于增加了管道的埋设深度，传热系数减小；积雪融化后，土壤的含水增加，传热系数增加。对于引起传热系数改变的各种因素，要对具体问题具体分析。,三、参数的确定,确定加热站的进、出站温度时，需要考虑三方面的因素：,油品的粘温特性和其它的物理性质；,

11、管道的停输时间，热胀和温度应力等因素；,经济比较，取使费用现值最低的进出站温度。, 加热站出站油温的选择,确定加热站的出站温度，一般应考虑以下几方面的因素： 考虑所输油品中难免含有水分，为了避免水分的汽化，应小于100 ；,1、温度参数,为了不使油品汽化，应小于所输油品的初馏点； 应不破坏管道防腐材料的稳定性。在采用沥青玻璃布作管道外防腐材料时，应低于沥青的软化点50 。由于目前专用防腐沥青的软化点大都在120 左右，所以，我国加热输油管道的加热站出站温度大都在70 以下。 考虑经济因素。 从经济因素考虑，我们希望提高出站温度一是能较显著的降低油品的粘度，二是能使油流的终点（或下一站的进站）温

12、度能有较大的提高。 所以，在确定出站温度时，一是要看所输油品的粘温特性，尽可能使加热温度落在油品的粘温特性曲线较陡的区间。,对于大多数的重油，在100 以下的区间内，粘温特性曲线都较陡，故输送重油的管道，出站温度可以较高一些。而对于含蜡原油，在凝点附近的粘温特性曲线都较陡，当温度高于凝点3040时，粘温特性曲线就比较平缓了，故输送含蜡原油的管道，出站温度不宜过高。 二是要看油品沿管道的温降特性，尽可能使加热温度落在温降曲线较陡的区间。实际上，由于在管道的出站附近，油流与管道周围环境的温差较大，温降较快；在管道的终点（或下一站的进站）温度附近，油流与管道周围环境的温差较小，温降较慢。加热站提供的

13、大部分热量，将散失在出站后的前半段管段上。, 加热站进站油温的选择,加热站进站油温首先要考虑油品的性质，主要是油品的凝点，必须满足管道的停输温降和再启动的要求，但主要取决于经济比较，故其经济进站温度常略高于凝点。设计时一般取进站温度高于原油凝点35。,对于埋地铺设的管道，设计时一般取为管中心埋深处的年最低月平均地温。这与管道的埋设深度有关，确定加热输送管道的埋设深度除考虑与等温输送管道相同的因素外，还应考虑经济因素。因为，在其他条件相同的情况下，加大管道埋设深度，可以减少管道的热损失，节约热能；但增加了管道的施工、维修等费用。从经济比较的角度考虑，大直径的长距离输油管道的埋设深度一般为管径的2

14、3倍。 按最低环境温度计算温降，将使得管道的设计热力参数偏于保守。管道运行时，可根据实际的环境温度调节热力设备的运行参数。, 环境温度 T0 的确定,2、油品比热容 原油和石油产品的比热容大都在1.62.5kJ/(kg)之间。粗略计算时，可取原油的比热容为2kJ/(kg)。 原油的比热容随温度的升高，密度的减小而增加，在不考虑含蜡原油的析蜡影响的条件下，温度在0400范围内的油品的比热容随温度的变化可由下式确定。即：,3、管径,在加热输油管道的传热计算时，管道计算直径的选取与管道的结构有关，无保温层的管道取钢管的外径，有保温层的管道取保温层内外直径的平均值。,4、热油管道的总传热系数K,管道总

15、传热系数K是指油流与周围介质温差1时，单位时间内通过管道单位面积所传递的热量，它表示了油流向周围介质散热的强弱 。,以埋地管道为例，管道散热的传热过程由三部分组成：即油流至管壁的放热，钢管壁、防腐绝缘层或保温层的热传导和管外壁至周围土壤的传热（包括土壤的导热和土壤对大气和地下水的放热）。,在稳定传热的条件下，其热平衡关系可表示为：,式中：,Dw管道最外围的直径,Di、Di+1钢管、防腐绝缘层及保温层的内径和外径,i与上述各层相应的导热系数，W/m,Ty油温，,T0管道中心埋深处的自然地温，,Tbi钢管内壁的温度，,Tbi、Tb(i+1)钢管、沥青绝缘层及保温层内外壁温度，,D计算直径，m,1油

16、流至管内壁的放热系数，W/m2 ,2管外壁至土壤的放热系数，W/m2 ,传热学上常用单位管长上的传热系数KL 。KL与K的关系为： KL =KD，W/m。,它表示油流与周围介质温差为1时，单位时间内每米管长所传递的热量。它等于单位管长热阻RL 的倒数。,对于不保温埋地管道，D 可取防腐绝缘层外径；,对于保温管道，则取保温层内外径的平均值。,从而得到：,对于不保温的大口径管道，如忽略内外径的差值，则总传热系数 K 可近似按下式计算：,式中:i第 i 层的厚度，m,1、油流至管内壁的放热系数1的计算,管内放热强度决定于油的物理性质及流动状态。可用1与放热准数Nu 、自然对流准数 Gr 和流体物性准

17、数 Pr 间的数学关系来表示。,脚注“y”表示各参数的定性温度取油流温度，脚注“bi”表示各参数的定性温度取管壁温度。y 为油品的体积膨胀系数。,2、管壁的导热,管壁的导热包括钢管（或非金属管）、防腐绝缘层、保温层等的导热。,钢管壁导热热阻很小，可以忽略；,非金属管材的导热系数小，再加上管壁较厚，热阻相当大；,保温管道上，保温层的热阻起主导作用，特别是架空或水下敷设的管道，保温层热阻是最主要的。,设计时一般不考虑凝油层热阻对K值的影响，但核算运行管道的K值时要计入管壁上凝油层的影响。,3、管外壁至大气的放热系数2a,地上架空管道的管外壁至大气的放热是对流与辐射换热同时存在的复合换热，故,式中,

18、ac、aR分别为管外壁与大气之间的对流与辐射放热系数， W / m2 ,aR可以按辐射放热公式计算, 由于架空热油管道均有保温层, 其外表温度与大气温差较小, aR 较小，可取25W/m2 。,ac可按空气中的受迫对流计算，当103 Rea 2105时：,式中,Va最大风速，m/s,a、a、ca分别为空气的粘度、比热容、密度和导热系数；,脚注“aG”表示定性温度取管表面温度；,在一般气温条件下，空气的 Pr 数值变化很小，Pr0.72，则,4、管外壁至土壤的放热系数2,埋地管道的管外壁至土壤的传热是管道散热的主要环节。管外壁的放热系数2 是管道散热强度的主要指标。对于不保温的埋地管道，当管内油

19、流为紊流状态时，总传热系数 K近似等于2。,在进行若干假设的基础上，由源汇法可得到管外壁至土壤的放热系数为,式中：,t土壤导热系数，W/m,ht管中心埋深，m,Dw与土壤接触的管外径，m,上式推导中未考虑土壤自然温度场及土壤表面与大气热交换对管道散热的影响，计算大口径浅埋热油管道时误差较大。,当(ht/Dw)2 时，上式可近似为,在输油管道的各层热阻中，管内油流至管内壁的对流放热热阻占的比例很小，不到1%，钢管壁的热阻占的比例更小，这两项热阻通常可忽略不计。对于埋地不保温管道，防腐绝缘层的热阻约占10%左右，管外壁至土壤的放热热阻约占90%左右。保温管道的热阻主要取决于保温层的热阻。 由于计算

20、埋地管道的总传热系数时要用到土壤的导热系数，而土壤的导热系数受许多因素的影响，不同季节、不同地方的导热系数相差很大，故在实际应用中，一般不采用上述公式计算管道的总传热系数，而是根据已有管道反算得到的总传热系数选取。,三、轴向温降公式的应用, 设计时确定加热站间距(加热站数),设计时，L、D、G、K、C、T已定, 按上述原则选定TR和 TZ ，则加热站间距为:,设计的加热站间距为:, 反算加热站的出站温度，校核终点（或加热站的进站）温度。, 校核站间允许的最小输量Gmin,最小安全输量, 运行中反算总传热系数 K 值,由于温降公式是按照稳定工况导出的，因此反算K值时，应取水力和热力参数比较稳定情

21、况下的数据。如果输量波动较大，油温不稳定或有自然现象影响(如冷空气前后,大雨前后等)，管线的传热相当不稳定，按稳定传热公式反算出来的K值误差较大。当然生产管线的参数波动总是存在的, 只能相对而言。,反算K值的目的:,积累运行资料,为以后设计新管线提供选择K值的依据.,通过K值的变化,了解沿线散热及结蜡情况,帮助指导生产。,若K，如果此时Q，H，则说明管壁结蜡可能比较严重，应采取清蜡措施。,若K，则可能是地下水位上升，或管道覆土被破坏、保温层进水等。,四、影响温降的其他因素 1、油品经泵加压对出站温度的影响 油品经泵加压对出站温度的影响表现在两个方面： 一是由于油品绝热压缩引起的温升。 这部分温升的大小，与油品的密度、加压的大小、油温的高低等因素有关。如在油品的密度为656kg/m3，泵的进出口压差为6.89MPa，进泵的油温为26.7时，压缩引起的温升是1.1。 二是油流经泵摩擦引起的温升。 这部分温升的大小，取决于泵的效率。泵的效率由机械、水力、容积和盘面摩擦等四部分损失构成。其中除机械损失产生的热量大部分由润滑油和冷却水带走外，其余三部分大都转化为热量，使经过泵的