第3章 管道的热力计算

TZ = T0 + (TR − T0 )e − aLR
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温降曲线的特点：由图可知： ①温降曲线为一指数曲线，渐近 线为 T=T0
T TR
②在两个加热站之间的管路上，各 T 处的温度梯度不同，加热站出口 T0 处，油温高，油流与周围介质的 0 温差大，温降快，曲线陡。
L
dL
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TZ一般只升高2～3℃ 。因此为了减少热损失，出站 油温不宜过高。
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常在紊流光滑区运行，摩阻与粘度的 0.25次方成正比，高温时提高温
⑵ 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3~5 ℃。 ⑶ 周围介质温度 T0 的确定 对于架空管道，T0 就是周围大气的温度。 对于埋地管道，T0则取管道埋深处的土壤自然温度。 设计热油管道时, T0取管道中心埋深处的最低月平均地 温，运行时按当时的实际地温进行计算（地温的测量 方法）。
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第一节 热油管道的温降计算
一、加热输送的特点
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。
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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。
KπD − dT dL = T − T0 GC
TR L
T dL
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对上式积分 : 即： 或：
KπD L − dT ∫TR T − T0 = GC ∫0 dL
TL
TR − T0 KπD L = aL = ln TL − T0 GC
a=
KπD GC
TL = T0 + (TR − T0 )e − aL
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：
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反算K值的目的: ①积累运行资料,为以后设计新管线提供选择K值的依据. ②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。
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4、油流过泵的温升
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设计的加热站间距为: LR
⑵ 运行中计算沿程温降, 特别是计算为保持要求的进站 温度 TZ 所必须的加热站出站温度 TR 。 ⑶ 校核站间允许的最小输量Gmin 当 TR ≤ TR max、TZ ≥ TZ min 及站间其它热力参数即T0、 D、K、LR一定时，对应于TRmax、Tzmin的输量即为该热力 条件下允许的最小输量:
TL = (T0 + b ) + [TR − (T0 + b )]e − aL
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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。
i pj
或
i pj
1 = (i R + i Z ) 2 = iT pj
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二、热油管道沿程温降计算
1．轴向温降公式的推导 基本假设 ： ①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。 ②油流至周围介质的总传热系数K沿线为常数。 ③沿线地温T0和油品的比热C为常数
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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，加热站间距为 LR。 在距加热站为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： KπD (T-T0)dL=－GCdT
油流经过泵时，由于流道、叶片摩擦、液体内部的冲击 和摩擦，会产生能量损失，转化为摩擦热加热油流。 输油泵内能量损失包括机械、水力、容积和盘面摩擦等 项损失，泵效 ηp 就是考虑了上述损失计算出来的。除机 械损失所产生的热量主要由润滑油和冷却水带走外，其 余三部分能量损失大都转化为摩擦热加热油流。 设泵效为ηp，则泵的输入功率为GgH/ηp ，其中转化为压 力能的有效功率为GgH，设机械损失所占比例为ηj ,则转 化为机械损失的功率为: ηjGgH/ηp ，转化为摩擦热的功率 为:
Gmin
KπDLR = TR max − T0 − b C ln TZ min − T0 − b
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⑷ 运行中反算总传热系数 K 值
TR −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。
第三章
管道的热力计算
随这世界能源需求的增长和原油价格的上涨，易凝和 高粘原油的产量不断增加。目前我国所产原油大多为 这两种原油。 生产含蜡原油(waxy crude)的油田主要有：大庆油田、 胜利油田、中原油田、华北油田、河南油田、长庆油 田、克拉玛依油田、辽河油田的沈阳采油厂等。 生产稠油(thick oil, heavey oil)的油田有：辽河油田、胜 利油田、塔里木油田、塔河油田、克拉玛依油田等。
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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-2.3~4.9℃，50℃运动粘度约为 2000×10-6m2/s 。 除 此 之 外 ， 还 有 粘 度 超 过 20000×106m2/s，甚至于高达1000000×10-6m2/s的超稠油。
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 28~32℃， 50℃运 动粘度约为 20~25 × 10 -6 m2/s ，胜利含蜡原油的凝固点为 23~32℃，50℃运动粘度约为80~90×10-6m2/s。
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1 ηj 1 η′ = GHg − 1 GHg / η p − GHg − GHgη j / η p = GHg −1− η η ′ η η p p p
其中η ′ = η p + η j
η′ 由于η j 很小, 一般为2 ~ 3%, 故 ≈1 ηp
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在管道输送中通常用凝固点或倾点作为衡量油品流动 性的指标。 倾点(Pour point)是指油品在规定的试验条件下，被 冷却的试样能够流动的最低温度；凝点(Freezing point)：指油品在规定的试验条件下，被冷却的试样 油面不再移动时的最高温度，都以℃表示。由于测量 方法的不同，同一油品的凝点和倾点并不完全相等， 一般倾点都高于凝点2～3℃，但也有例外。 我国常用常用凝点，国际上一般用倾点。随着国际交 往的日益密切，我国也开始采用倾点来衡量油品的低 温流动性。
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与等温管相比，热油管道的特点是： ① 沿程的能量损失包括热能损失和压能损失两部分。 ② 热能损失和压能损失互相联系，且热能损失起主导作用。 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。 ③ 沿程油温不同，油流粘度不同，沿程水力坡降不是常数， i≠const。一个加热站间，距加热站越远，油温越低，粘 度越大 ，水力坡降越大。
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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量=油流温降放热+摩擦热 即：KπD(T-T0)dL=-GCdT+GgidL 整理得:
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含蜡原油的温度在凝点附近时，粘度 (表观粘度 )温度曲线很陡，而当 温度高于凝点30-40℃时，粘度随温度的变化较小，而且含蜡原油管道 度对摩阻的影响较小，而热损失却显著增大，故加热温度不宜过高。 确定出站温度时，还必须考虑由于运行和安装温度的温差而使管路 遭受的温度应力是否在强度允许的范围内，以及防腐保温层的耐热 能力是否适应等。 综合上述各方面的因素，在设计含蜡原油管道时，出站温度不宜超 过60℃，对于稠油管道，出站温度不宜超过95℃。
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对于易凝高粘原油，不能直接采用前面讲的等温输送 方法，必须在输入管道前采用降凝降粘措施。 加热输送是目前常用的方法，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。 这一章我们将来讨论管道的热力计算问题。
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本章主要内容 第一节 热油管道的温降计算 第二节 热油管道的摩阻计算 第三节 确定和布置加热站、泵站 第四节 热油管道的运行管理
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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： ①储罐和管道系统的结蜡问题 ； ②管道停输后的再启动问题。