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：（1-1）1112ln 111ln 22i i n e n w i L L D D D KD D D D ααλλ-+⎡⎤⎛⎫ ⎪⎢⎥⎝⎭=+++⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦∑式中：——总传热系数，W /(m 2·℃)；K ——计算直径，m ；（对于保温管路取保温层内外径的平均值，对于e D 无保温埋地管路可取沥青层外径）；——管道内直径，m ；n D ——管道最外层直径，m ；w D ——油流与管内壁放热系数，W/(m 2·℃)；1α ——管外壁与周围介质的放热系数，W/(m 2·℃)；2α ——第层相应的导热系数，W/(m·℃)；i λi ，——管道第层的内外直径，m ，其中；i D 1i D +i 1,2,3...i n =——结蜡后的管内径，m 。

L D 为计算总传热系数，需分别计算内部放热系数、自管壁至管道最外径K 1α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）内部放热系数的确定1α放热强度决定于原油的物理性质及流动状态，可用与放热准数、自然1αu N 对流准数和流体物理性质准数间的数学关系式来表示[47]。

r G r P 在层流状态（Re<2000），当时：500Pr <⋅Gr（1-2）1 3.65y dNu αλ==在层流状态（Re<2000），当时：500Pr >⋅Gr（1-3）0.250.330.430.11Pr 0.15Re Pr Pr y y y y y b d Nu Gr αλ⎛⎫==⋅⋅⎪⎝⎭在激烈的紊流状态（Re>104），Pr<2500时：（1-4）0.250.80.441Pr 0.021Re Pr Pr y y y b d λα⎛⎫=⋅⋅ ⎪⎝⎭在过渡区(2000<Re<104)（1-5）25.043.001Pr Pr (Prbf ffd K ⋅λα＝式中：——放热准数，无因次；u N ——流体物理性质准数，无因次；λρυC =Pr ——自然对流准数，无因次；()υβw f t t g d Gr -=3——雷诺数；υπρd q vdv4Re ==——系数；)(Re 0f f K =——管道内径，m ；d ——重力加速度，＝9.81m/s 2；g g ——定性温度下的流体运动粘度，m 2/s ；υ——定性温度下的流体比热容，J/(kg·K)；C ——流体体积流量，m 3/s ；v q ——定性温度下的流体密度，kg/m 3；ρ——定性温度下的流体体积膨胀系数，可查得，亦可按下式计算：β（1-6）tdd-+-=2042045965634023101β——定性温度下的流体导热系数，原油的导热系数约在0.1～0.16f λf λW/(m ·K)间，随温度变化的关系可用下式表示：（1-7）153/)1054.01(137.0f t f t ρλ-⨯-=——l5℃时的原油密度，kg/m 3；15f ρ——油(液)的平均温度，℃；f t——管内壁平均温度，℃；b t ——20℃时原油的相对密度。

204d 注：上面各式中，参数角标f 表示以管内油(液)的平均温度为定性温度；f t 角标b 表示以管壁温度为定性温度。

（2）各处管壁导热的热阻这部分热阻包括钢管、防腐层和保温层的热阻。

钢管的导热系数约为45g λW/(m·℃)，其热阻可忽略不计；煤焦油瓷漆防腐层导热系数约为1.1f λW/(m·℃) ，黄夹克保温材料的导热系数约为0.04 W/(m·℃)。

b λ对于壁厚、外包厚煤焦油瓷漆防腐层的非保温热油管道，钢管及防腐g δf δ层对总传热系数的影响很小。

如忽略内外径的差值，则总传热系数可近似按下式计算：（1-8）12111i i K δαλα=++∑其中：ffg g i i λδλδλδ+≈∑对于保温管道，保温层的热阻起决定影响。

故对于壁厚、外包厚保温g δb δ材料的保温热油管道：（1-9）1ln (22)/(2)ln(/)22n b g n g i i ib D D D D δδδλλ+⎡⎤+++⎣⎦≈∑ (3) 外部放热系数的确定2α在原油长输管道内，液体的流动状态绝大部分是紊流状态，出现层流状态极少。

因此，在热力计算中，确定值将主要使用公式(1-1)。

在公式(1-1)中K 关键的参数是与管道周围许多因素有关的，对于埋地敷设管道：2α当管道的埋设深度(管中心至地表面)小于2m 时，采用下面的公式计算：（1-10）()i e is B D B 0212αλα+=（1-11）sta i CB λα=（1-12）2)2(e t D h C -= （1-13）]1)2(2ln[2000-+=ee D hD h α式中：——土壤的导热系数，W/(m·℃)；s λ——与土壤接触的管道外直径，m ；e D ——土壤至地表空气间的放热系数，W/(m 2·℃)；ta α——管道埋深(管中心至地表面)，m 。

0h 该放热系数包括对流放热系数和辐射放热系数两部分。

和tac αtaR αtac α分别用下式确定：taR α（1-14）a tac v 0.76.11+=α （1-15）])100273(100273[(44+-+-=a s as RtaR t t t t C εα式中：——地表面的平均风速，m/s ；a v ——土壤表面折算黑度；ε——辐射系数，可取5.7 W/(m 2·h 4)；R C ——土壤表面温度，取当地一年中月平均的最低地面温度，℃；s t ——空气温度，取当地一年中月平均的最低空气温度，℃。

a t 当管道理设深度大于2m 时，可采用下面的公式计算：2α（1-16）]1)2(2ln[22002-+=ee e sD hD h D λα式中符号的意义同前。

从上述的公式中可以看出，确定出土壤导热系数是计算埋地管道的关键。

2α土壤的导热系数与组成土壤固体物质的导热系数、土壤中固体物质颗粒大小的分布、土壤含水率、土壤状态等许多因素有关。

用理论计算很难得到准确值，因此推荐采用理论计算与参考类似管道实测值相结合的方法。

（4）结蜡层厚度计算在计入原油蜡结晶析出的潜热后，长为的微元管道上，热油管道的热d x 量平衡关系式（1-1）可简化为[48]：（1-19）101ln n e L D KD b b D -⎡⎤⎛⎫=+ ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦其中：1012ln()112i i i wD d b dD αλα+=++∑（1-20）（1-21）112Lb λ=如取温降为1℃时，从单位质量的原油中析出并沉积到管表面的凝油质量为，则在时间内在轴向温降为的段上沉积的量为： biTε∂∂d τdT dx（biL dG G dTd Tετ∂⎛⎫= ⎪∂⎝⎭1-22）因而使内径缩小了，则：()L d D（1-23）()2LL L D dG D d T dx πρ⎡⎤⎛⎫=⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦将式（1-23）代入式（1-22）得：（1-24）()()2bi L L D G dTd d D T T dx επτρ∂=∂（1-()()()0n y K T D T T dT dxG C T k T πε-=-⎡∂⎤⎛⎫+⎪⎢⎥∂⎝⎭⎣⎦25）将式（1-25）代入式（1-24）得：（1-26）()()()0012ln bin L LL yT T D D b b d D d D T T C T k T ετερ∂-⎡⎤⎛⎫+=- ⎪⎢⎥∂⎝⎭∂⎛⎫⎣⎦+ ⎪∂⎝⎭积分后可得： （1-27）()()22011010100ln ln 22222L n L n L L biy D D D D b b b b b b D D T T T T C T k T ττετερ⎡⎤⎡⎤+--+-⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎡⎤⎢⎥∂-⎢⎥=⎢⎥∂∂⎛⎫+⎢⎥ ⎪∂⎝⎭⎣⎦对于距泵站出口米处的管路而言，其清管后的运行时间可由下式计算：x τ0L L x Vττ-=+其中，，则。

22243ln 2n n L L nL L D D D D D D D ττττ--≈()12L n L D D ττδ=-联解式（1-24）与式（1-27），可求出线路上热泵站出口m 处，经清管后x 运行小时的结蜡层内径，从而求解出结蜡厚度。

τL D τ式中：，——分别为油温的函数，其规律可通过试验求得；y εbi ε——结蜡后的管道内径，m ；L D——结蜡层的导热系数，W/( m·℃)；L λ——从下一站收到清管器开始计算的时间，s ；0L τ——运行小时后的结蜡层内径，m ；L D ττ——运行小时后的结蜡厚度，m ；L τδτ——为站间距离，m ；L——管内流速，m/s ；V——蜡的结晶潜热，kJ/kg 。

k 1.2 总传热系数的反算法热油管道稳态运行时，根据各已知的运行参数，利用苏霍夫公式反算出埋地管道总传热系数，根据《油气集输设计规范》的规定，当管道长度km30L ≥且管径mm 时，输油管道的热力计算应考虑管道水力摩擦生热的影响，300D ≥即按列宾宗公式进行热力计算：（1-28）1020lnw T T b K D LT T b Gc--π=-- （1-29）DEK G i b mπ⋅=式中：—— 管外环境温度，℃(取管道中心埋深处地温）；0T ——管道起点油温，℃；1T ——终点油品温度，℃；2T —— 管道长度，m ；L—— 管道外径，m ；w D ——管道至周围介质的总传热系数，W/(m 2·℃)；K —— 热功当量，=102（kg·m ）/kJ ；E E —— 原油质量流量，kg/h ；G —— 原油比热容，kJ/(kg·℃)；c —— 由于油流在管道内摩擦功转化为热量；b —— 管道水力坡降值，m/m 。

i 为了更好地反映热油管道在一段时间内的实际传热状况，可采用最小二乘法来推算总传热系数K 。

设在某一运行期内，某站间管段的组运行参数记录n 值为，，，，根据最小二乘法原理可构造一个关于变量K 的无i G 1i G 2iG 1~i n 约束优化问题。

因为最小二乘法能充分利用管道的实际运行参数，在一定程度上可以消除各种随机因素的影响，反算出的K 值比较真实可靠。