易凝高粘油品的管道输送

1、1,第三章 易凝、高粘油品的管道输送 易凝、高粘油品的凝结温度高，常温下的粘度大，有些油品还含有较高的石蜡、胶质等。如我国某油田生产的原油：凝点温度，31 0C;含蜡，21;40 0C时的粘度18210-6m2/s。,2,若按等温管道输送的方式直接输送上述高凝点、高含蜡、高粘度“三高”油品，一是管道有大部分时间在低于所输油品凝固点的情况下运行，二是管壁的结蜡将非常严重，三是管道的压降很大。因此，等温管道直接输送“三高”油品，在工程实际中是难以实现的。,3,目前，管道输送“三高”油品的常用方法是加热输送，正在研究采用物理、化学等方法使油品性质改变，降粘、降凝，以实现不加热输送。,4,第一节 加热

2、输送管道的温降计算 加热输送的目的是提高油品温度，避免油流在管道中凝结;减少油品中石蜡、胶质等的析出及在管壁的凝结;降低油品粘度，减小管道压降。为此，加热输送管道中油流在各点的温度一般都高于管道铺设处的环境温度，根据热传递的原理可知，加热输送管道在径向上必然存在着热传递，从而导致在轴向上的温度降。,5,在实际应用中，我们希望知道以某一温度 出站的油流，输至距离 时的温度 。为此，我们在距出站 处，取一微元管段 ，如图所示。 设该管道 的外径为 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 。,6,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+

3、dL断面上油温为T+dT,稳定传热时，单位时间内油流带入微元管段的热量必然等于油流在同一时间内通过微元管段管壁向周围环境放出的热量。即： dL段上的热平衡方程为：,7,KD(T-T0)dL=GCdT 式中的负号表示 的方向相反。对上式分离变量并积分可得：,8,即：,9,上式称为苏霍夫温降公式，表示了加热输油管道中油流温度随沿线距离的变化关系。该关系的曲线形式如图所示。,10,式中G管道的质量输送量,(kg/s); K油流通过管壁向管道铺设处周围环境的传热系数，W/(m2 0C); L温度计算点离加热站出口的距离，m; 管道周围介质的温度，0C; 加热站的出站油温，0C;,11,距出站 L处的油

4、温，0C。 C 平均输送温度下油品的比热容，J/(kg 0C)， D管道的计算直径，m，对于无保温的管道，取钢管的处直径;对于有保温层的管道，取保温层内外直径的平均值。,12,2温度参数的确定,确定加热站的进、出站温度时，需要考虑三方面的因素：,.油的粘温特性和其它的物理性质,.管道的停输时间，热胀和温度应力等因素,.经济比较，使总的能耗费用最低,.加热站出站油温的选择,加热温度一般不超过100。如原油加热后进泵，则其加热温度不应高于初馏点，以免影响泵的吸入。重油管道管外常敷设保温层。,13,二、温降公式中各参数的确定 应用温降公式解决加热输送管道实际问题的关键，是合理的确定公式中的各参数。

5、1环境温度的确定 取管道铺设处的环境温度。为了保证管道在最低环境温度时的运行安全，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土壤温度;架空铺设的管道，取管道架设处的年最低月平均空气温度。,14,其中，埋地铺设管道的环境温度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处，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23倍。,15,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

6、时，可根据实际的环境温度调节热力设备的运行参数。 2加热站出站温度的确定 确定加热站的出站温度，一般应考虑以下几方面的因素：,16,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 0C; 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 0C。由于目前专用防腐沥青的软化点大都在120 0C左右，所以，我国加热输油管道的加热站出站温度大都在70 0C以下。,17,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）温度能有较大的提高。

7、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。,18,对于大多数的重油，在100 0C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 0C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。,19,二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

8、供的大部分热量，将散失在出站后的前半段管段上。,20,因此，为了提高油流终点（或下一站的进站）温度而过多的提高出站温度，效果往往是不明显的，有时出站温度提高10 0C，终点（或下一站的进站）温度仅升高23 0C。,21,3油品比热容的确定 原油和石油产品的比热容大都在16002500J/(kg 0C)之间。粗略计算时，可取原油的比热容为2000J/(kg 0C)。 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，温度在0400 0C范围内的油品的比热容随温度的变化可由下式确定。即：,22, 所输油品在15 0C时的相对密度，即油品在15 0C时的密度与清水在4 0

9、C时的密度之比; 油品在输送管段上的平均输送温度，0C。在加热输油管道中，一般取油流在计算管段起终点温度的加成平均值作为计算平均油温。,23,4、传热系数K,管道总传热系数K系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，管道散热的传递过程是由三部分组成的：即油流至管壁的放热，钢管壁、沥青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）,24,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、沥青绝缘层及保温层的内径和外径。,25,i与

10、上述各层相应的导热系数，w/m,Ty油温，,T0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油流至管内壁的放热系数，,2管外壁至土壤的放热系数,26,取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 RL 热阻的倒数，即：,27,或,对于无保温的大管径管道，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,28,（1）油流至管内壁的对流放热系数的计算 油流至管内壁的对流放热系

11、数与油品的性质和油流的流动状态的关。通常在紊流状态下，由于扰动剧烈，流动边界层较薄，对流放热热阻较小，放热系数较大，大都超过100 W/(m20C)。从上式可知，对传热系数K的影响较小，在计算时可以忽略其影响。,29,在层流状态下，由于流动边界层较厚，对流放热热阻较大，放热系数较小，其值可与紊流时相差数十倍。层流时的按下式计算：,30,式中： 油品的物理性质准数（普氏准数）; ，自然对流准数（葛氏准数）; ,雷诺准数;,31,油品的运动粘度，m2/s; 油品的密度，kg/m3; 油品的体积膨胀系数，1/0C; 重力加速度，m/s2; 油流的平均温度，0C; 计算管道上管内壁的平均温度，0C;,

12、32,油品的导热系数，W/(m0C)，原油的导热系数大都在0.10.16 W/(m0C)之间，粗略计算时可取0.14 W/(m0C)。油品的导热系数随温度的降低，密度的减小而增加，其值可按下式计算。即：,33,下角码 表示计算时取油流平均温度下的参数。下角码b表示计算时取管内壁平均温度下的参数。计算时，可先取油流平均温度高于管内壁平均温度230C，再根据热平衡方程进行校核。,34,（2）管壁的导热热阻计算 油流通过对流放热形式传递给管道内壁的热量，在从管道内壁向管道最外层导热的过程中，需要克服管道本身、沥青防腐绝缘层、保温层、保护层以及管壁结蜡层等各层的热阻。,35,其中，金属的导热系数较大，

13、钢的导热系数通常为50 W/(m0C)左右，管道的壁厚又比较小，由上式可知，钢管壁的导热热阻较小，计算时可以忽略。 沥青防腐绝缘层的厚度一般为69，防腐沥青的导热系数通常为0.6 W/(m0C)左右，其热阻对传热系数的影响较大，需单独计算。据计算，在埋地铺设的不保温加热输油管道中，沥青防腐层的导热热阻约占总传热热阻的1015。,36,架空和水下铺设的热油管道通常都设置保温层。保温层的导热系数都较小，如常用离心玻璃棉的导热系数为0.035 W/(m0C)，保温层的厚度又较大，所以，在有保温层的热油管道中，保温层的热阻是影响传热系数的主要因素。,37,（3）管外壁至周围环境的放热系数的计算 架空管

14、道的放热系数的计算 架空管道向大气的放热过程由对流换热和辐射换热两种形式。其放热系数为：,38,式中 管外壁与大气之间的辐射放热系数，W/(m20C)。由于架空热油管道大都设置保温层，其管道外表温度与大气的温差较小， 较小，计算时可按4W/(m2 0C)取值。 管外壁与大气之间的对流放热系数，W/(m2 0C)。其值与空气的性质、流动状态等因素有关，可按下式计算。即：,39,式中 空气的导热系数，W/(m0C)，其值随温度升高而增加，可查表取值; c、n与空气雷诺数有关的常数，可查表取值; 是空气的雷诺数，其中： 管道架设处的风速，m/s，按年最冷月平均风速取值; 空气的运动粘度，m2/s，可

15、查表取值;,40,埋地管道的放热系数的计算 在埋地铺设的加热输油管道中，油流通过管壁向环境的放热过程，由土壤的传热和土壤表面向大气的放热构成。放热系数的值与土壤的性质、管道埋设深度、管外径等因素有关。将埋地热油管道的稳定传热过程简化为半无限大均匀介质中连续作用的线热源的热传导问题，并假设管道周围各处的土壤温度均等于土壤表面温度，土壤表面向大气的放热系数为无穷大。,41,按传热学理论，可得到的计算公式。即：,在 的条件下，上式可简化为：,42,式中:,ht管中心埋深，m,Dw与土壤接触的管外径，m,t土壤导热系数，w/m,其值与土壤的种类、含水量、温度以及存在状态等因素有关。,43,对于相同种类

16、与状态的土壤，含水量越高，导热系数越大;含水量相同的同种土壤，存在状态越密实，导热系数越大;在其他条件相同的情况下，冻结状态下的导热系数大于融化状态下。另外，土壤的导热系数还随温度而变化，在融土状态下，温度每升高20 0C，土壤的导热系数可增大0.10.2 W/(m0C)。,44,由于上式的推导过程中，忽略了土壤自然温度场和土壤表面与大气间放热热阻的影响，所以，计算结果偏于保守。实际上，由于地表面以下，越靠近管中心，土壤温度越高，放热热阻越大;地表面与大气的对流换热也存在着一定的热阻。考虑这些热阻的影响后， 的实际值要比按上式计算的结果偏小。管道的埋设深度越小，这种影响越大。,45,（4）埋地

17、管道传热系数的选用 前面介绍了传热系数的计算方法，在实际应用中，还可以根据已经稳定运行热油管道的运行参数，利用温降公式反算其的数值，作为同类地区新设计管道的参考值。 根据我国东北、华北、华东等地区已稳定运行的非保温热油管道的运行实践，在中等湿度的粘土地段，反算的数值为：,46,W/(m20C); W/(m20C); W/(m20C);,47,在气候干燥的西北地区， 在水底与常年浸水的沼泽地段， 在一般土壤条件下，,48,三、温降公式的应用 温降公式除用于计算热油管道沿线某点的温度外，还可用于以下场合： （1）确定加热站的站间距 在管道终点或加热站的进站温度和出站温度一定的情况下，加热站的站间距

18、为：,49,的高低取决于所输油品的性质和经济比较。一般情况下，对于含蜡较低，凝点较高的原油，从输送工艺要求考虑， 应高于油品的凝点230C;对于高含蜡原油，为了避开油品析蜡的高峰区， 应在40 0C以上。在满足输送工艺要求的前提下，通过经济比较，选择综合费用最低的 。,50,（2）确定管道的最小安全输量 从温降公式可知，在其他参数一定的条件下，管道的输量越小，温降越快。若出站温度一定，则输量越小，管道的终点（或加热站的进站）温度就越低。保证管道的终点（或加热站的进站）温度不低于允许的最低输送温度时的输量称为最小安全输量。即：,51,式中 管道允许的最高出站温度，0C; 管道允许的最低终点温度，

19、0C。,52,（3）反算加热站的出站温度 在热油管道的运行管理中，常需要确定保证一定的进站（或终点）温度下的加热站运行出站温度，即：,53,（4）校核加热站的出站温度 热油管道在一定的出站温度下运行时，需校核其进站（或终点）温度是否满足允许的最低输送温度要求，即：,54,（5）反算传热系数 传热系数是表征加热输油管道热力特性的重要参数，为了分析比较热油管道的运行状况、经济性等，经常需要根据管道的运行参数反算传热系数值，即：,55,四、温降公式与温降曲线的分析 热油管道的温降公式反应了油流沿管道不同截面上的温度与管长的函数关系。在直角坐标系中以横坐标表示管道长度，纵坐标表示对应长度下的油流温度，

20、得到的关系曲线称为温降曲线，如图所示。公式中各参数对温降的影响规律是：,56,t,57,（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减负指数形式减小，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。,58,.,进出站温度对温降的影响,59,（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到; 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

21、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。,60,.,环境温度对温降的影响,61,（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。,62,（4）传热系数对温降的影响 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。

22、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。,63,如在雨季，土壤的含水增加，油流通过管壁向土壤的传热加快，埋地管道的传热系数增加;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。,64,五、影响温降的其他因素 1、管道的沿程压能损失对温降的影响 油品在管道中的流动过程中，存在着由摩擦引起的沿程压能损失，根据能量守恒的原理，损失的这部分压能，必然转化为热能，从而，管道的温降产生影响。,65,若管道的输量为G（kg/s），沿程水力坡降为 (m)，则单位管长上的能量损失为， 此压能可转化为热量, 引起油流在单位管长上的温度升高为 , 则： 式中 E功热当量，E=9.8J/(kgm); C油品的比热容，J/(kg0C)。,66,从上式可知，100 m液柱的压能损失引起的温升约为0.5 0C。在热油管道的设计、运行管理中，可根据具体情况，适当考虑压能损失对温降的影响。