热油管道的工艺计算
3.1热油管道的温降计算详解
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28~32℃，50℃运动 粘度约为20~25×10-6m2/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。 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2000×106m2/s。除此之外，还有粘度超过20000×10-6m2/s，甚至于高 达1000000×10-6m2/s的超稠油。
7
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
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输油管道设计与管理
2
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、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。
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第三部分 油品加热及热力管道计算
Q－单位时间内加热油品 所需要的总热量， W； Q1－用于油品升温的热量 ，J； Q1 Gct yz t ys
Q2－融化凝固油品所需要 的总热量，J； N Q2 G 100 Q3－加热过程中单位时间 内向周围介质散失的热 量，W； Q3 Fi K (t y t j ) N－凝结的石蜡在油品中 的含量；
（2）若油品加热只为保温 ，则 Q Fi K (t y t j )
三、油罐总传热系数 K 1、地上不保温立式油罐 K bi Fbi K ding Fding K di Fdi K Fbi Fding Fdi 油罐装满系数取 0.95 ，Fbi 取罐壁总面积的 95% ， Fding 取罐顶面积加 5％罐壁面积。 1 ）罐壁传热系数 K bi K bi 1 1
由于蒸汽流速大，粘度 小，压力降用阻力平方 区 的公式计算
2 QH dP H 5 H gdx d QH－汽、水混合物的体积 流量；
H－汽、水混合物的密度 ；
d－加热管内径 8H H－常数， H 2 。 g
n n n QH Qn (1 )Qn Qn 1 z z z
d－加热器管子的外径， m；
2－从加热器管子最外层 至油品的外部放热系数 ，W / m 2 ℃。
（ 1 ）1的计算 由于蒸汽运动速度快， 粘度小，流动处于紊流 状态，按紊流强制 对流的放热公式计算：
1d Nu 0.0266Re 0.806 P r
可查表。 如果有相变，可按下表 计算
y
15 15℃油品密度， y－
t－油品的定性温度，℃ 。
参数选取： 定性温度：油品平均温 度和加热器外壁温度算 术 平均值。管外温度先假 设，然后核算 是否正确。 定性尺寸：管线内部放 热取内径，外部放热取 外径。 4、单位时间内加热油品 需要的总热量 1 Q （Q1 Q2 ) Q3
(整理)管道总传热系数计算
1管道总传热系数管道总传热系数是热油管道设计和运行管理中的重要参数。
在热油管道稳态运行方案的工艺计算中，温降和压降的计算至关重要，而管道总传热系数是影响温降计算的关键因素，同时它也通过温降影响压降的计算结果。
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的热量，它表示油流至周围介质散热的强弱。
当考虑结蜡层的热阻对管道散热的影响时，根据热量平衡方程可得如下计算表达式：1112ln 111ln 22i i ne n w i L L D D D KD D D D a a l l -+轾骣犏琪桫犏=+++犏犏犏臌å （1-1）式中：K ——总传热系数，W /(m 2·℃)；e D ——计算直径，m ；（对于保温管路取保温层内外径的平均值，对于无保温埋地管路可取沥青层外径）；n D ——管道内直径，m ；w D ——管道最外层直径，m ；1α——油流与管内壁放热系数，W/(m 2·℃)；2α——管外壁与周围介质的放热系数，W/(m 2·℃)；i λ——第i 层相应的导热系数，W/(m·℃)；i D ，1i D +——管道第i 层的内外直径，m ，其中1,2,3...i n =；L D ——结蜡后的管内径，m 。
为计算总传热系数K ，需分别计算内部放热系数1α、自管壁至管道最外径的导热热阻、管道外壁或最大外围至周围环境的放热系数2α。
（1）内部放热系数1α的确定放热强度决定于原油的物理性质及流动状态，可用1α与放热准数u N 、自然对流准数r G 和流体物理性质准数r P 间的数学关系式来表示[47]。
在层流状态（Re<2000），当Pr 500Gr <时：1 3.65y d Nu a l== （1-2） 在层流状态（Re<2000），当Pr 500Gr >时： 0.250.330.430.11Pr 0.15Re Pr Pr y y y y y b d Nu Gr a l 骣琪==鬃琪桫（1-3） 在激烈的紊流状态（Re>104），Pr<2500时： 0.250.80.441Pr 0.021Re Pr Pr y y y b d l a 骣琪=鬃琪桫 （1-4）在过渡区(2000<Re<104)（1-5）式中：u N ——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；0(Re )f K f =——系数；d ——管道内径，m ；g ——重力加速度，g ＝9.81m/s 2；υ——定性温度下的流体运动粘度，m 2/s ；C ——定性温度下的流体比热容，J/(kg·K)； v q ——流体体积流量，m 3/s ；ρ——定性温度下的流体密度，kg/m 3；β——定性温度下的流体体积膨胀系数，可查得，亦可按下式计算：（1-6）f λ——定性温度下的流体导热系数，原油的导热系数f λ约在0.1～0.16W/(m ·K)间，随温度变化的关系可用下式表示：（1-7）15f ρ——l5℃时的原油密度，kg/m 3；f t ——油(液)的平均温度，℃；b t ——管内壁平均温度，℃；204d ——20℃时原油的相对密度。
输油管道工艺设计
输油管道工艺设计管道输送工艺设计目录1 总论............................................................................. 错误!未定义书签。
1.1 设计依据及原则................................................ 错误!未定义书签。
1.1.1 设计依据 .................................................. 错误!未定义书签。
1.1.2 设计原则 .................................................. 错误!未定义书签。
1.2 总体技术水平.................................................... 错误!未定义书签。
2 输油工艺..................................................................... 错误!未定义书签。
2.1 主要工艺参数.................................................... 错误!未定义书签。
2.1.1 设计输量 .................................................. 错误!未定义书签。
2.1.2 其它有关基础数据 .................................. 错误!未定义书签。
2.2 主要工艺技术.................................................... 错误!未定义书签。
3 工程概况..................................................................... 错误!未定义书签。
热油输送管道的温降计算
热油输送管路的温降计算热油在埋地管路输送过程中因无法做到完全绝热，它会沿管线向四周传热，下面仅以纵向温降进行研究计算。
1·设热油输送管道，管外径为D ，周围介质温度为T 0，总传热系数为K ，输量为G ，油品的比热为C ，出站油温为T Q ，油流流到距加热站出口X 米处时，温度降为T ℃。
注：（1）在稳定工况下：温度不随时间而变化，输量不随时间而变化；（2）油流至周围介质的总传热系数K 沿线为常数； （3）沿线地温和油品的比热C 为常数； （4）油品沿管轴线温度不变。
2·在距输油站为X 处取一微元段dx ，设X 处断面油温为T ，油流经过dx 段的温度变化为dt ，由能量方程推导温降公式，稳定流动的能量方程；dx dQ g dx dv v dxdP P h dx dT T h T p -=++⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂θsin 忽略高差和速度变化的影响，则： dx dQ dx dPP h dx dT T h Tp -=⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+⎪⎭⎫⎝⎛∂∂ 另外由热力学知识可知：h p T P T T h P h ⎪⎭⎫⎝⎛∂∂⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂-=⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂因此：dx dQ dxdPP T T h dx dT T h h p p -=⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂-⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂ 由于： P p C T h =⎪⎭⎫⎝⎛∂∂ i hD P T =⎪⎭⎫⎝⎛∂∂ 则：dQ dp D C dT C i P P -=-故在L+dL 断面上油温为T+dT ，稳定传热时，dL 上的热平衡方程为：单位时间内管线向周围介质的散热量 = 油流温降放出的热量dQ 表示单位质量液体在单位管长上的热量损失，由传热学关系可知： ()dx MT T D K dQ 0-=π因此： ()dT C dp D C dx MT T D K P i P -=-0π令 PMC DK a π=， 则：()()dxdpD T T a dx T T d i=-+-00 非齐次线性微分方程的通解为：dx e dxdp D e Ce T T axi ax ax ---⎰+=-0由于: 0=x 时，Q T T =，所以：()dx e dxdp e D e T T T T axax i ax Q ---⎰+-+=00 在热油液流中不考虑节流效应，则得到苏霍夫公式：()ax Q e T T T T --+=00单位质量下取：PGC DK a π=适用于流速低、温降大、摩阻热影响较小的情况下。
3.2热油管道的压降计算详解
二、计算热油管道摩阻方法
热油管道摩阻计算有三种方法：
(1) 平均温度计算法
(2) 分段计算法 (3) 基于粘温关系的方法
1、站间平均油温计算法 输送含蜡原油的管路多在紊流光滑区工作，此时摩阻与 粘度的0.25次方成正比，当加热站间起终点温度下的粘 度相差不超过一倍时，取起终点平均温度下的粘度，用 等温输油管的摩阻计算方法计算一个加热站间的摩阻， 误差不会太大。具体步骤是：
一、确定加热站数及其热负荷
确定了加热站的进、出口温度，即加热站的起、终点温度TR 和 TZ 后，可按最低月平均地温，及全线的近似K值估算加热 站间距 LR 。 GC TR T0 b L ln R KD TZ T0 b
加热站站数 nR 按下式计算并化整
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输油管道设计与管理
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①计算加热站间油流的平均温度 Tpj ，Tpj 1 (TR 2TZ )
3
②由粘温特性求出温度为Tpj时的油流粘度υpj。
③一个加热站间的摩阻为： Q 2 m m pj hR LR 5 m D1 2、分段平均温度计算法
当站间起终点粘度变化较大时，用站间平均温度法计算摩 阻损失误差较大。此时可将站间分成若干小段，分段计算 管路的摩阻。其方法是：
Q 2 m m dhR dl 5 m D1
由微元段的热平衡方程可得到：
①
Gc dT dl KD T T0 b
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②
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输油管道设计与管理
粘温关系取粘温指数方程：
T e u( T T ) T e u( T
R R R
R T0 b
工学第四章油品加热与热力管道计算
第四章 油品加热与热力管道计算
§4.2油品加热起始温度和终了温度
1、加热是为了输送油品终了温度。 2、高于凝固点5℃～10℃。 3、燃料油杂质水份分离，使油品温度达到1c㎡/s的温度。 4、燃料油作为锅炉燃料时，加热温度依喷嘴对油品的粘
度要求而定。 5、润滑油沉降脱水脱杂质时，终了温度80 ～85℃，不
超过95 ℃，因为重油含水达到100 ℃时起泡，防突沸 现象。
第四章 油品加热与热力管道计算
§4.2油品加热起始温度和终了温度
二、油库中的油品一般不会冷却到凝固状态，所以只研究 冷却过程。
在单位时间d内，油品冷却了dt度，散失的热量为dQ dQ=-Gcdt y
则散失到大气中的热量为dQ dQ=KF(t y -t j )d
bi 罐壁的导热系数，w m.C;
罐壁的厚度，m; bi
罐壁至周围介质的外部放热系数，w
a m 2bi
2 .C;
罐壁至周围介质的辐射放热系数，w
a m 3bi
2 .C;
第四章 油品加热与热力管道计算
§4.3油罐加热器的结构和计算
a 1bi
y
h
(Gr.Pr)n
a 2bi c
qi
式中： G ? —油品质量，Kg C——油品的比热容，J/Kg.C K ——总传热系数，w/m2.C F ——容器的总面积，m 2 t y ——油品的温度， C t j ——周围介质温度， C
——时间，s
第四章 油品加热与热力管道计算
§4.2油品加热起始温度和终了温度
假设条件： ①油品温度均匀一致 ②无蜡析出 ③K=c（常数） ④热容c=常数
Nu ad 努谢尔特准则。反应对流换热的强度
Re Vd 雷诺方程。反应粘滞性流体强制运动的流态
输油管道工艺技术
也是一种近似。这是因为：
流速不太高时，摩擦升
温尤很其小对，于且南对北油走流向的的加管 线 ，
1、来油温度≠地温。 热但是我均们匀可的以。将其分段，按
照分段等温来考虑。
2、摩擦热加热油流。
3、沿线地温不等于常数。
在工程实际中，一般总把那些不建设专门的加热设施的
管道统称为等温输油管道。它不考虑热损失，只考虑泵所提供 的能量（压头）与消耗在摩阻和高差上的能量（压头）相匹配 （相平衡）。
2、若泵型号不同，如何求泵站的工作特性？
3.串、并联泵机组数的确定
选择泵机组数的原则主要有四条： ①满足输量要求； ②充分利用管路的承压能力； ③泵在高效区工作； ④泵的台数符合规范要求（不超过四台）。
⑴ 并联泵机组数的确定
n Q q
其中 : Q为设计输送能力， q为单泵的额定排量 。
显然 n不一定是整数 ，只能取与之相近的整数，这就是泵机
第二节 输油管道的压能损失
一、管路的压降计算
根据流体力学理论，输油管道的总压降可表示为：
H hL h z j zQ
其中：hL为沿程摩阻 hξ为局部摩阻 (zj-zQ) 为计算高程差
二、水力摩阻系数的计算
计算长输管道的摩阻损失主要是计算沿程摩阻损失 hL 。
达西公式 ：
hL
L D
V2 2g
流态 层流
水力光滑区 紊 流 混合摩擦区
粗糙区
划分范围 Re<2000
59.7
3000<Re<Re1= 8/7
59.7
8/7 <Re<Re2
665 765lg Re>Re2=
λ ＝f(Re,ε)
λ =64/Re
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第四章 热油管道的工艺计算
4.4 液化气管道简介
目前世界上韩国、日本、法国、西班牙、芬兰等国拥有 LNG船建造技术。现建造的最大LNG运输船承载容量已 达13.8万立方米，造价1.45亿美元。可服役35～40年。日 本将造14.7万立方米LNG运输船。 全球2005年达151艘、2010年达192艘。
LR
考虑摩擦升温
TJ
T0
b [TC
(T0
b)]e
KD GC
LR
第四章 热油管道的工艺计算
4.2 热油管道稳态热力计算
苏霍夫温降公式的应用
1. 确定热油管道沿线的油温
KD X
或
Tx Tx
T0 (TC T0 )e GC
KD X
T0 b [TC (T0 b)]e GC
2. 为使原油输到下站进站时仍有一定的温度TJ，确 定所必须的出站温度TC。
称石蜡基原油 称中间基原油 称环烷基原油
第四章 热油管道的工艺计算
4.1 热油管道的概念 加热输送目的： 对高粘原油，提高温度，降低粘度，减少输送摩阻。 对含蜡原油，提高温度，保持原油温度始终高于凝点。
第四章 热油管道的工艺计算
4.2 热油管道稳态热力计算
苏霍夫公式：
TJ
T0
(TC
T0
)e
KD GC
4.2 热油管道稳态热力计算
考虑析蜡后，原油的热容为：
C tw t j
则进站温度变为：
G
KD (C
( LR l ) )
Tj T0 b [Tw (T0 b)]e twt j
第四章 热油管道的工艺计算
4.2 热油管道稳态热力计算
热油管道的总传热系数
1. 热油至管内壁放热 回顾几个无量纲数：
vlj 2000d
第四章 热油管道的工艺计算
4.3 热油管道摩阻计算
由tlj，在粘温关系上找到vlj
若 t j tlj tc
表明沿程有流态变化。
根据 tlj 由温降公式确定流态变化位置。
第四章 热油管道的工艺计算
4.3 热油管道摩阻计算
（2）区分牛顿紊流与非牛顿紊流
根据反常点温度
t
区分
fc
t pj
4tc
9
5t j
t pj
5tc 7t 12
j
t pj
7tc
11t j 18
t pj
tc
2t j 3
第四章 热油管道的工艺计算
4.3 热油管道摩阻计算
（2）由平均油温确定平均粘度
v e 1
u (t1t2 )
v2
B
ceT
粘温曲线
（3）计算站间摩阻
hR
Q v 2m m pj d 5m
Pr0.44( Pr Prbi
)0.2 5
第四章 热油管道的工艺计算
4.2 热油管道稳态热力计算
2. 管壁导热 钢管壁、防腐绝缘层、保温层等，属多层圆筒壁导热问 题。
热阻
ln di1
R di
2i
第四章 热油管道的工艺计算
4.2 热油管道稳态热力计算
取各层直径： 管内径 d1 管外径（防腐绝缘层内径） d2
ht 管中心埋深
第四章 热油管道的工艺计算
4.2 热油管道稳态热力计算
当限D大/土ht壤的介比质值中较的小线时热，源可。近似地将热油管路看做是半无
热源发出的热流线是径向辐射的，但所有热流线在地面 处变为垂直于地面。设热流线流出地表后汇聚于地表上 方与线热源的对称处，即热汇(冷源)，冷源温度与热源
相反，冷源至地表面间仍为土壤，地表面温度为ts。
Nu 1d 3.65
1
3.65
d
当 Gr Pr 500自然对流相对强
Nu 1d 0.17 Re0.33 Pr0.43Gr0.1( Pr )0.25
Prbi
1
0.17
d
Re0.33 Pr0.43Gr0.1(
Pr Prbi
)0.25
第四章 热油管道的工艺计算
4.2 热油管道稳态热力计算
过渡 2000 < Re< 1104
im
hm lm
bm
gimG
kD
lm
Gc
kd
ln
tm1 t0 bm tm t0 bm
第四章 热油管道的工艺计算
4.3 热油管道摩阻计算
（5）非牛顿段层流摩阻
在tlj
t
t
内进行试算，步长
j
t
bm 0
tm1 tm t
lm
Gc
kd
ln
tm1 t0 bm tm t0 bm
tm
tm
tm1 2
tm
tm
tm1 2
vm v(tm )
第四章 热油管道的工艺计算
4.3 热油管道摩阻计算
tm 1
(t0
bm )
[tm
(t0
bm
)e
kD Gc
lm
]
lm
Gc
kd
ln
tm1 t0 bm tm t0 bm
hm
Q 2m vm m d 5m
lm
im
Q
v 2m m
m
d 5m
bm
gimG
kD
lm
Gc
64 RemMR
hm
m
lm d
V2 2g
im
hm lm
bm
gimG
kD
lm
Gc
kd
ln
tm1 t0 bm tm t0 bm
第四章 热油管道的工艺计算
4.4 液化气管道简介 LNG经过脱水、脱酸性气和重烃后压缩、膨胀、液化而 成。临界压力4.5MPa，临界温度-82℃。常压下沸点为163℃，液体比重0.43-0.48，气态与液态体积比600，无毒、 无腐蚀性。外观如自来水。 气化至常温、常压有约840KJ/Kg冷热放出，可用于空气 分离、冷热发电、冷冻仓库等。
Nu d
管壁处无量纲温度梯度
Pr c 流体分子动量传递能力与热扩散能力之比 a
Re Vd v
流体惯性力与粘性力之比
Gr d 3g (ty tbi)
v2
流体浮升力与惯性力之比
第四章 热油管道的工艺计算
4.2 热油管道稳态热力计算 层流 Re<2000
当 Gr Pr 500 自然对流非常弱
t fc t tc 牛顿流
t t fc 非牛顿流
牛顿紊流 → 非牛顿紊流 → 非牛顿层流
tc t t fc t fc t tlj tlj t t j
第四章 热油管道的工艺计算
4.3 热油管道摩阻计算 （3）牛顿段紊流摩阻
在 tc t t fc内进行试算，步长t
bm 0
tm1 tm t
（防腐绝缘层厚度小于10mm） 防腐绝缘层外径（保温层内径） d3 保温层(30～50mm厚)外径 d4
（一般取保温层内外直径的平均值）
第四章 热油管道的工艺计算
4.2 热油管道稳态热力计算
钢管导热系数 λ=160 kJ/(m･hr･℃) 沥青防腐绝缘层导热系数
λ=0.585 kJ/(m･hr･℃) 保温层(聚胺酯泡沫塑料)导热系数
kd
ln
tm1 t0 bm tm t0 bm
第四章 热油管道的段紊流摩阻
在 t fc t tlj 内进行试算，步长 t
bm 0
tm1 tm t
lm
Gc
kd
ln
tm1 t0 bm tm t0 bm
tm
tm
tm1 2
第四章 热油管道的工艺计算
第四章 热油管道的工艺计算
4.2 热油管道稳态热力计算
过泵摩擦温升 泵输出功率：
GHg
泵输入功率： GHg /
GCt GHg / GHg
t gH ( 1 1)
C
第四章 热油管道的工艺计算
4.2 热油管道稳态热力计算 2. 析蜡对原油温度的影响
含蜡原油温度低于析蜡点后，原油中的蜡会逐渐析出， 同时放出相变潜热。 DSC分析实验可确定析蜡放热和析蜡量。
λ=0.092～0.125 kJ/(m･hr･℃)
第四章 热油管道的工艺计算
4.2 热油管道稳态热力计算
3. 管外壁对土壤放热 该过程以土壤导热为主，但用换热系数的形式表示。 对不保温管道：
2
D
ln
2ht D
2t
( 2ht D
)2
1
t 土壤导热系数（不含水沙土为0.788 kJ/ m ･ hr ･℃ ）
0API =141.5/d60F-131.5 F=32+9t/5 ℃ 大庆油 0API >33
第四章 热油管道的工艺计算
4.1 热油管道的概念
2. 特性因素分类
根据计算出的特性因数进行分类
K=1.216 3 T
d60F
Tk—油品的平均沸点，Ｋ
d60F —相对密度
K>12.1 K=11.5－12.1 K=10.5－11.5
第四章 热油管道的工艺计算
4.3 热油管道摩阻计算
对无时效幂律 (假塑性)流体
nm n(t m )
n
m
nm
k m k(t m )
k
m
km
( 3nm
1 )
4nm
nm
Re mMR
d V nm m
2nm
k
m
(
3nm 4nm
1 )
nm
8 nm
1
第四章 热油管道的工艺计算
4.3 热油管道摩阻计算
m
t
的几个影响因素： 土壤的含水率
土壤的土质