加热输送的特点、轴向温降计算式与沿程温度分布在线视频

同学们好

欢迎回到输油管道设计与管理课堂

本堂课我们开始学习加热输送管道的相关知识

主要包括热油管道的温降和摩阻的计算

确定和布置加热站和泵站

以及热油管道的优化设计等

首先我们进行热油管道的温降计算的学习

热油管道为什么要进行加热输送

它的特点是什么

首先我们需要来了解加热输送的必要性

目前我国所产原油大多为易凝高黏原油

什么是易凝高黏原油呢

首先易凝一般是指的是石蜡基原油

含蜡量比较高

主要是在我国的大庆

胜利

中原

华北

河南

长庆

克拉玛依和辽河等油田所产的含蜡原油比较多

它的特点就是含蜡量高

凝点高

低温下黏度高

高温下黏度低

其中的胶质比较少

所以由于它的凝点高

在温度比较低的时候就容易凝固

高黏原油指的是含有环烷基的原油

主要表现为黏度很大

我们一般称之为稠油

在我国主要是在辽河油田胜利单家寺

和孤岛油田

塔里木油田等稠油的产量比较高

稠油它的凝点低但黏度大

密度大

较多的胶质和沥青质

这样它在输送过程当中

它的流动阻力就比较大

那易凝高黏原油给储运工作

带来以下几个方面的问题

第一

易凝原油一般在环境温度下就失去流动性

高黏原油流动性很差

也就是输送易凝高黏原油

容易造成不安全和不经济的情况

第二

在管道的低温区容易形成比较厚的结蜡层

使得管道的流通面积减小

从而输送阻力增大

严重时甚至发生堵管的安全事故

这样就延伸出一个管道的停输后的再启动问题

也就是对于我们的易凝高黏原油在管输的时候

如果需要进行停输时

它是有一个最大的允许停输时间的

如果停输时间超过最大允许停输时间

管道再启动的时候

就会发生安全问题

造成事故

归纳起来易凝高黏原油不能常温输送

需要降凝降黏

那常用的手段

就是加热输送

加热输送的目的是提高易凝原油的温度

让其始终高于凝点

从而不易凝固

同时可以降低高黏原油的黏度

从而改善其流动性

加热的常用设备是加热炉

如图所示

加热炉是很大的一个设备

非常高

加热的方式有直接加热和间接加热

直接加热呢

现在一般不采用

因为它容易使原油结焦

等安全隐患

那么间接加热一般是采用

导热油进行加热

通过加热

要使得热油管道的沿线油温

高于环境温度和凝点

导热油如图所示

是这样的一瓶黄色的液体

它是 GBT4016-1983

这样的一个石油产品名词术语中

热载体油的曾用名

英文名称为 heat transfer oil

它是用于间接传递热量的一类稳定性较好的

专用油品

由于其具有加热均匀

调控温度准确

能在低蒸汽压下产生高温

传热效果好

以及节能 输送和操作方便等特点

近年来被广泛用于各种场合

而且其用途和用量越来越多

第二个问题是加热输送

需要考虑哪些问题呢

我们首先通过加热输送时

管内的传热过程来进行分析

首先是径向温差

由于管内的油的油温一般是高于

外部的环境温度的

因此油流在流动的过程当中

沿着管道的径向是不断的向外散热的

通过这个散热油温流到下一处的时候

就降低了

因此在轴向

也就是沿着我们的管道的流动的方向

原油的温度是不断的降低的

由于温度的降低

黏度是不断升高的

因此单位管长的摩阻逐渐增大

尤其是在凝点附近

它是急剧升高的

因此在设计热油管道时

必须考虑以下三个问题

第一

须将油流加热到多高的温度才能进入管道

不使它产生结蜡等问题

第二

在输送过程当中

油温降到多低

需要重新加热

以保证它的安全性

第三

管道沿途隔多远

需要建一个中间加热站

那么这三个方面的问题就分别对应于我们的

工程设计当中的如何确定出站温度

如何确定进站温度以及如何确定加热站的间距

这是本节课我们要学习的重点

那加热输送不同于等温输送

有哪些特点呢

第一

等温输送或者说不加热输送的管道

它仅仅有摩阻损失

也就是我们通常说的压能损失

但是加热输送管道

还有一个散热损失

或者叫热能损失

第二点

压能损失和热能损失是相互联系的

并且热能损失起主导作用

为什么热能损失起主导作用呢

因为温度对于油品的黏度会有很大的影响

以及如果是含蜡的话

还会影响它的蜡的析出量

会影响到我们的压能损失

沿程油温黏度不同

沿程的水力坡降就不是常数了

大家可以回忆一下

在等温输送管道

沿程的水力坡降是一个向下的直线

我们来看

水力坡降的定义式

由于在加热输送管道当中

温度是不断的降低的

因此黏度是不断的增大的

所以在加热管道的沿线

沿程的水力坡降

它不再是常数

也就是表现出来的

它不再是这样的一个斜线

而是斜率逐渐增大的一个曲线

了解了加热输送的特点以后

如何来确定热油管道的沿程温降

首先是轴向温降计算式与沿程温度分布

这里我们采用了几个假设

第一是稳态工况

也就是流动传热达到稳定的时候

进出站温度和输量不随时间而变化

这里我们暂时不考虑顺态工况的情况

第二油流至周围介质的总传热系数

沿线为常数

或者在某一个管段内为常数

第三

沿线的环境温度和油品的比热为常数

首先我们对于这样的一条管道

这里是这一段管道的起点

我们可以看成是上一站的加热站的出站口

对应的油温是t2

这里是下一站的进站口

对应的油温是TZ

这个管道在距离上一站的出站口

L米长的时候

我们取一个点

在这里取一个微元

这里的温度我们表示为TL

从上一站的出站口到下一站的进站口之间的距离

LR我们称之为站间距

是加热站的站间距

对于这样的一个微元管段

我们根据能量平衡

列出它的能量平衡关系式

设置的左边是这段微元的总的散热

它是通过管子的侧壁向外散热

所以这个地方有一个πD乘以dl这是侧面积

再乘以总传热系数再乘以温差

右边第一项是油流的温降的放热

大家可以看到这地方为什么要有一个负号呢

因为沿着流动的方向

dt我们刚才说过

沿着流动的方向

温度是降低的

所以dt是小于0的

而这里列出的热能的数值

所以我们前面要加一个负号

这个等式的第二项是油流的摩擦生热

也就是油品在管道中流动的时候

是会产生摩擦的

摩擦是会生热的

这部分也是要考虑到总的散热当中去

式子中的各项含义如下

首先k是总传热系数

是将整个管道系统的传热进行了一个等效处理

而得到的一个系数

D是管道的系统的一个外径

T0是环境温度

G管内的质量流量

C油品的比热

g小写的g重力加速度

i是我们前面学习过的水力坡降

从这个式子当中我们可以看到

含有dl的是这两项

那么把右边这一项往左边

移项进行合并同类项

整理后我们会得到这样的一个式子

那么再把 KπD除以Gc提到中括号的外面

就可以进一步

把这个式子整理成这样的一个形式

其中这个系数我们称为a

这个系数称为b

这是两个比较重要的系数

那么对这个式子进行简化以后

就可以变成这样的一个形式

变成这样的一个形式以后

我们对于这样的一个微元

在整个管道内进行一个定积分

积分的过程比较简单

最终得到这样的一个式子

这个就能反映出管道的沿线的任意位置的油温

与环境温度摩擦生热

管长总传热系数管径流量比热

以及上一站的出站温度

这样的一个关系

这个式子我们称为列宾宗温降公式

刚才说了列宾宗温降公式里面

有一个摩擦生热热

那这个摩擦热对沿程温降的影响

如果不大

或者仅仅做一个粗略的计算时

可以忽略

那么具体在工程当中哪些情况可以

忽略摩擦热呢

距离不长

管径小

流速较低

温降较大时都可以忽略摩擦热

当摩擦热忽略以后

列宾宗温降公式就变为苏霍夫公式

这个是热油管道设计当中经常采用的两个公式

由刚才的列宾宗温降公式和苏霍夫温降公式

我们对它进行变形

就可以得到

管道沿线任意位置处的油温的一个计算式

相应的可以得到下一站的进站处

油温的计算式

下一站的进站油温

我们用Tz来表示

得到了轴向温降计算式以后

我们可以根据轴向温降计算式画出

如图所示的沿程温降的一个曲线

我们可以看到这个曲线的特点是

它是一个指数曲线

它有一个渐进线

渐进线就是我们的环境温度

各处的温度梯度是不一样的

总的来说温度梯度是逐渐变小

也就是曲线是逐渐变平的

我们还可以发现一个特点

油流从上一站的出站口

出来以后油温迅速降低

它降低的幅度比

后续的管段降低的幅度要大得多

从这里我们就可以看出

如果我们想提高下一站的进站油温

能否通过大幅度提高上一站的出站油温来实现

这是不行的

也就是我们第三条

通过提高加热站出口油温

对提高管道末端油温的收效不大

就是因为我们的沿程的温降

温度分布是这样的一个规律

在前半段温降比较大

打个比方来说

想要下一站的油温提高1摄氏度

可能上一站的油温你得提高5摄氏度或者更多

这显然是不经济的

那么通过大幅提高上涨油温

所增加的热能去哪里了呢

就是管道沿线流动的时候

不断的向外界散失掉了

那么为了减少这样的一个热损失

出站的油温不宜过高

那么加热输送管道的沿程温降

都有哪些主要影响因素呢

我们改变管道的输送参数

根据列宾宗公式和苏霍夫公式

可以做出如图所示的两组曲线

左边这一组曲线是不同的总传热系数下的

沿程的温度分布

右图是不同的输量下的沿程的温度分布

可以看到随着k值的增大

也就是总传热系数的增大

这个曲线是沿着这个方向下降的

随着输量的下降

沿程温降曲线呢是沿着这个方向上升的

也就是说影响较大的参数呢

由总传热系数和管道的输量

总传热系数越大

温降越显著

输量越大

温降越平缓

它的原因也可以通过列宾宗温降公式

和苏霍夫公式进行分析

列宾宗温降公式中还有一个重要的参数

是摩擦热

它对沿程温度分布有什么影响呢

我们首先根据摩擦热的定义式

再代入水力坡降的定义式

其中这里是质量流量

这里是体积流量

二者的关系如下

根据这三个式子我们可以得到摩擦热的表达式

整理成这个形式

从这个式子当中我们可以看到

如果管道保温良好

也就是管道的总传热系数比较小

那么摩擦热就比较大

如果管道的输量高

也就是我们的Q比较大

那么摩擦热也是比较大的

我们把列宾宗温降公式写在这里

b值表示的是摩擦热

对于油温的影响的强弱

如果环境温度加上这个摩擦热对油温的影响

是要小于上一站的出站油温的

很显然从这个式子我们可以看到

这个指数的斜率是大于0的

也就是我们沿线温度是降低的

是这条线

此时沿线为什么是温度降低的呢

因为摩擦生热是小于管道向外散热的

总的效果还是向外散热

油温是降低的

如果T0加b恰好等于T2

那么这一项就为0

那沿线的油温就是一个常数

沿线油温不变

是这样一条线

如果T0+b大于T2

那么指数的斜率是一个负值

沿线温度是升高的

因为此时摩擦生热是大于油流向外的散热的

总的效果就是使得油温不断的上升

在具体的管道工程当中

这三种情况都有具体的案例

对于沿程温降

比如说我国的东北管网

它的摩擦热约占加热站供热的10%~15%

进站油温是提高2摄氏度

还有沿线油温不变的情况

比如美国的阿拉斯加管道

冬季的平均气温是零下43度

即使是在这样的一个严寒的环境下

他的全线也是不需要加热的

首站的油温是59摄氏度

主要是利用摩擦热使油流维持在54摄氏度

至63摄氏度之间

保持管道的安全运行

为什么阿拉斯加管道

在这么严寒的条件下它不需要加热呢

首先它是不能加热

因为它是深入北极圈的管道

如果加热的话

会对当地的自然环境产生很大的影响

那么在设计的时候就巧妙的利用了这样的一个

摩擦热

使得即使在严寒的情况下

由于摩擦生热

使得油温不会降低的那么快

还有沿线温升的情况

沙特的东-西原油管道

由于沙特它环境温度比较高

地温高达24摄氏度

起点的油温是57摄氏度

在流动的过程当中

到了第6个泵站的时候

油温已经升至71摄氏度了

大家知道如果油品的温度过高

就会汽化

从而产生泵的汽蚀等一系列问题

因此在第6个泵站加装的冷却装置

从而降低油温

可见摩擦热对沿线温度分布的影响是很重要的

总结一下

在输油管道当中应该计入摩擦热

都有哪些情况

第一

是油温接近环境温度

管道散热小

摩擦热对油温影响大

第二是高流速加热输送大型管道

第三是流速较高的

不加热输油管道

第四是轻质成品油管道

第五是液化石油气管道

液化石油气管道我们在最后一节会讲到

本节课的内容就到这里

同学们再见