集输管道保温技术探讨

集输管道保温技术探讨

丁士新胜利油田东辛采油厂

【摘要】自８０年代初以来，我国提出了集输管道保温层经济厚度设计，但由于其计算复杂、涉及很多因素，应用并不普遍，多数设计仅采用满足温降法。本文将探讨集输管道保温技术现状，并建立集输管道保温层优化设计的物理模型与数学模型。

【关键词】集输管道保温优化

保温被称作第五能源，提升保温技术是企业节能、增益、降耗的有效措施。我国盛产高凝、高粘原油，为了满足节能降耗与工艺要求，目前多采用加热输送原油。对集输管道进行保温，可以降低管道散热损失，也有利于安全输送。增加保温厚度，会减少热损失费用，但保温层施工及保温材料费用等一次性投资增加。因此，有必要在满足输油工艺的基础上比较经济性，确定最优保温层厚度，从而实现降耗节能的目的。

一、集输管道保温技术现状由于现役原油管线设备老化、运行时间长、管输量逐年下降，使得原油加热输送的能耗不断上升，运行成本较高。研究集输管道保温现状，探寻集输管线存在的问题，以保证新老管线及时更替，已成为当务之急。

集输管道输油过程中存在的能量损失主要有两方面，即散热损失与摩阻损失。能量消耗也包括两个部分：一是由泵提供压力克服摩阻损失产生的能耗；二是由加热装置供应热能，提高介质输送温度，降低其粘度产生的能耗。目前，许多集输管道一方面由于设备老化、运

行时间长、管输量逐年下降，另一方面受下游炼厂需求和上游油田产量的变化影响，管输能耗产生很大波动。此外，老管线还存在泵效及炉效低、结蜡严重、输油弹性小等问题，这些都是造成管输输送成本提高、能耗上升的原因。

二、集输管道保温层优化设计１．管道保温结构模型。管道保温的目的主要是减少热媒在输送过程中的热损失，保证介质的出口温度，节约燃料。在管道保温工程中，重要的工作是确定保温层的厚度。目前，主要采取以下几种方法来确定保温材料厚度：一是按企业规定或国家标准计算最小厚度；二是按照热经济分析法计算经济厚度。本部分试图建立集输管道保温层厚度的优化数学模型，确定保温层经济厚度，为企业节约能源、降低成本提供参考。

保温结构包括防腐层、绝热层和保护层。计算保温层厚度及选择保温材料是保温效果的关键。保温层过厚，保温工程投资太大；反之则热损失严重。因此，根据系统对保温结构的要求，确定合理的保温层厚度是保证生产、节约能源的关键。根据ＧＢ８１７５－８７的规定，当保温层厚度大于１００ｍｍ时，宜考虑双层保温结构。而从经济性考虑，由于集输管道输油温度低于１００℃，集输管道保温应该选择单层结构。

２．建立数学模型。为了实现保温的经济性，需要保温工程投资年分摊费用和年维修费用之和应小于每年节省燃料的费用。因此，最经济的保温层厚度是指在给定保温材料和管径的条件下，不同保温厚度时，对年散热损失费用、保温工程投资的年分摊费用、动力费用、

年维修管理费用的总和（年总工作费用）加以比较，年总工作费用为最低值时。

对应的保温层厚度为“最佳经济厚度”。

２．１经济厚度计算的目标函数。集输管道保温投资的总费用应该包括保温结构费用、施工费用、必要的辅助材料费用（防水层、防腐层、防潮层、保护层等）等。管道投入运行后的费用主要包括热力费用、动力费用、维修折旧费用等。集输管道的保温层厚度直接影响到上述费用。因此在设计时，初始投资和运行费用必须同时考虑。根据这一原则，集输管道的年分摊费用与年运行费用之和的最小值可表示成：ｍｉｎＦ＝Ｎ（ＱＢ＋ＱＦ＋ＱＳ）＋ＱＤ＋ＱＲ式中：Ｎ—隔热工程投资年分摊率，％；Ｎ＝１／ｎ；ｎ—投资偿还年限。

ｎ＝７～１５年；ＱＢ—保温层费用，元；ＱＦ—辅助材料费用，元；ＱＳ—施工费用，元；ＱＤ—运行动力费用，元；ＱＲ—运行热力费用，元。

式中的各项费用可按下列各式计算：ＱＢ＝π［（１／２Ｄ＋Ｘ）２—（１／２Ｄ）２］ＬＢ１ＱＦ＝π（Ｄ＋２Ｘ）ＬＢ２Ｑｓ＝β（ＱＢ＋ＱＦ）ＱＤ＝ａ１Δ。

ＱＶτ１０－３／（３６００η）ＱＲ＝ａ２ＧＣ（ＴＲ—ＴＺ）τ式中：。

—维修的费用率，。

一１１％；Ｌ—保温管段的总长，ｍ；Ｂ１—保温材料价格，元／ｍ３；Ｂ２—辅助材料的造价，元／ｍ３；β—施工费系数；ａ１

—电价，元／（ＫＷ·ｈ）；ａ２—热量价格，元／Ｊ；Δ。

—管道总压降，。

ａ；ＱＶ—管内流体的体积流量，ｍ３／ｓ；τ—管道的年运行时间，ｓ；η—泵效，％。

２．２目标函数约束条件。确定保温层厚度Ｘ，需要考虑以下因素：ａ．Ｘ须为正值，对这样的实际问题，负值没有意义；ｂ．为满足特定的工艺要求，管道出口的流体压力须限定在规定压力范围内；ｃ．管道出口的流体温度大于给定温度。

综上，得出集输管道保温层厚度优化的数学模型，优化的目标函数是集输管道的年分摊费用和年运行费用之和，优化变量是Ｘ，并且Ｘ应满足上述约束条件。

３．确定数学模型中的参数。

３．１轴向温降。在加油站加热到一定温度ＴＲ以后，在沿管线流动过程中，油流不断地把热量散失到温度较低的管道周围介质中去，因此使油流的温度不断降低。设管道周围介质温度为Ｔ０，油流到距离加热站出口１米处，温度降为Ｔ℃。由此处往前，长为ｄｌ的一小段管路中。

单位时间内向外散失的热量为ＫπＤｄｌ（Ｔ—Ｔ０）。其中，Ｋ是指油流到周围介质的总传热系数，单位为Ｗ／（ｍ２·℃）。经过ｄｌ这一段距离后，油温降低了ｄＴ。在稳定传热过程中，若不考虑油流的摩擦热，则油流放出的热量为ＧＣｄＴ，ｄｌ段的热平衡关系为ＫπＤｄｌ（Ｔ—Ｔ０）＝－ＧＣｄＴ引入负号，是因为ｄｌ与

ｄＴ的方向相反。

式中：Ｇ指油流的质量流量，ｋｇ／ｓ；Ｃ指油的热容，Ｊ／（ｋｇ·Ｋ）。

设总传热系数Ｋ为常数，油流流经长为Ｌ的管段后温度降为ＴＬ．。

将上式由０到Ｌ积分后，得出管路沿线的温降关系式：∫Ｌ０ｋπＤｄｌ＝∫ＴＬＴＲ（－ＧＣＴ－Ｔ０）ｄＴ即ｌｎＴＲ－Ｔ０ＴＬ－Ｔ０＝ｋπＤＬＧＣ上式为苏霍夫温降公式。如加热站的出站油温ＴＲ为定值，则管路沿线的温度分布可用下式表示：ＴＬ＝Ｔ０＋（ＴＲ－Ｔ０）ｅ－ｋπｋＧＣ由上式得出：ＴＲ＝Ｔ０＋（ＴＺ－Ｔ０）×ｅｋπＬＧＣ即：ＴＲ－ＴＺ＝（Ｔ０－ＴＺ）＋（ＴＺ－Ｔ０）×ｅｋπＬＧＣ３．２周围介质温度Ｔ０。对于埋地管道，Ｔ０选取管路埋深处的土壤自然温度。Ｔ０是随季节、地区变化的，各个加热站之间有可能不同。设计集输管道时，至少应分别按其最高及最低的月平均温度计算温降及热负荷。Ｔ０值应从气象资料上取多年实测值的平均值：没有实测值时。

可由大气温度按理论公式计算Ｔ０。运行时则按实测值核算。

３．３输油温度。为了减少热能损耗与蒸发损耗，就要求原油进站温度不能太高。丛输油的角度考虑，输油终点温度应高于凝点３－５℃，以减少摩阻损失，防止冻结管线，所以终点温度应保持在３５℃左右为宜。

选择输油起点温度（出站温度）应考虑到保持下站进站温度为３