当前课程知识点:输油管道设计与管理 > 第五章 热油管道的运行管理 > 5.1 热油管道的运行特性1:热油管道的不稳定工作区 > 热油管道的不稳定工作区
同学们好
本节课开始
我们学习热油管道的运行管理
主要包括热油管道的运行特性
投产 日常运行管理 和停输再启动
首先就是热油管道的运行特性
热油管道的工作特性
都有哪些特点呢
热油管道
同样我们可以列出与等温管道类似的
管道特性曲线方程
对于等温管道来说
摩阻损失仅与流量相关
与其它参数没有太大的关系
因为其它的参数沿线没有变化
因此等温管道或者说不加热输送管道
它的摩阻损失与流量是一个单值函数的关系
而对于热油管道来说
它不同于等温管道的特点是
除了有摩阻损失之外
还有散热损失
从而沿线的温度有较大的变化
温度变化以后
包括黏度在内的很多物性参数就会变化
从而发生了水力 热力特性的相互影响
热力特性变了以后会影响到
摩阻也就是水力特性
因此热油管道它的摩阻
是流量和温度的二元函数
热油管道的特征温度都有哪些呢
也就是在整个管道内
哪些点的温度比较有代表性呢
很显然管道沿线的进站温度
和出站温度是最有代表性的
那么如果出站温度定了以后
进站温度就能够确定
同样进站温度定了以后
出站温度也就可以确定了
也就是说这两者中站只有一个是独立的
你不能同时把两个都定死
在设计时一般是按维持进站温度不变
来设计管道
来反算出来
上一站的出站温度是多少
在运行时往往相反
是要控制出站温度
据此调节加热炉的点炉台数
燃料油量等
这样控制起来比较方便
这就产生了管道的两种常见的热力条件
也就是控制进站油温还是控制出站油温
这两者之间有何区别呢
首先我们来分析控制进站油温一定时的热油
管道的工作特性
那我们列出热油管道的管道的特性方程
如果体积流量增大
根据管道的特性方程我们可以看出摩阻是增大的
同时体积流量增大
也就会导致我们的质量流量也增大
这二者是相关的
质量流量增大
根据苏霍夫公式很显然可以看到
出站温度是下降的
那么控制进站温度一定 出站温度下降
那站间的管道的平均温度一定是下降的
平均温度下降
油的黏度会上升
从而导致摩阻上升
也就是说控制进站温度一定时 随着输量的上升
摩阻是单调上升的
这个是上升
这也是上升
我们再来看
控制出站温度一定时 热油管道的工作特性
同样输量上升
摩阻上升
输量上升
根据苏霍夫公式计算进站油温的时候会发现
分母是增大的
但是前面有个负号
因此进站温度最终是上升的
控制出站油温一定 进站油温上升
因此站间平均温度是上升的
温度越高
油的黏度越低
从而流动的摩阻越小
从这里我们就可以看出来
随着管道输量的上升
摩阻可以是增大的
也可以是减小的
那么这两种作用是同时存在的
最终综合起来看
摩阻是上升还是减小呢
这就需要具体情况具体分析
但是我们可以看到控制出站油温一定时
摩阻随着输量的上升
可能是上升的
也可能是下降的
存在着两种可能性
与控制进站油温时
它是不一样的
现在假设不管是控制出站油温来运行
还是控制进站油温
假设这个摩阻都是随着输量的增大而增大的
这个图就是控制出站油温
出站油温一个定值的时候
这个是控制进站油温
我们通过分析管道的特性曲线
我们可以看到
随着输量的上升
维持出站温度一定时的
管路特性曲线
也就是这个红色的线
比维持进站油温一定时的
管路特性曲线要平缓
它们二者交于O点
对应的流量和压力是这么大
那么为什么会有这样的一个特性
我们还是仿照刚才的分析的过程
我们会发现对于控制出站油温一定的情况
随着输量的上升
刚才已经分析过了
进站油温是上升的
站间平均温度是上升的
因此黏度是下降的
对于控制进站油温一定的情况
随着输量的上升
出站油温是下降的
因此站间管道的平均油温是下降的
黏度是升高的
由此可以看出影响管道摩阻的黏度
对于控制出站油温来说是下降的
对于控制进站油温来说是上升的
所以才会出现控制出站油温时
它的管道特性曲线要平缓一些
那么维持出站油温一定时来运行热油管道
除了出现随着输量的上升
摩阻上升的情况
还会出现
随着输量的上升
摩阻下降的这样的一个反常的现象
从而使得热油管道进入不稳定工作区
也就是图中的二区
我们就来分析出现这种情况的热油管道的工作特性
此时的热油管道工作特性会出现这样的一个
先上升再下降再上升这样的一个趋势
那么根据这个曲线的特点
我们把整个区域用这两条虚线划分成三个区域
分别成为一区
二区
三区
那么一区它的流量范围比较小
属于低输量范围
我们叫它小流量区
在小流量区它的特点是由于
流量很小
所以管道的温降很快
从而进站温度接近于环境温度
站间的平均温度很低
油品的黏度比较大
摩阻随着输量的上升而急剧增大
另一个方面
随着输量的增大
站间的温降是变缓的
在前面分析过
因此进站温度是会上升的
站间的平均温度会上升
从而降低黏度减小摩阻
这个a作用是增大摩阻
b作用是减小摩阻
总体来看
由于在一区黏度的变化很小
因此b的作用要远小于a
也就是总的综合的作用
是摩阻随着输量的增大而急剧增大
所以在一区工作是很不经济的
热油管道应该尽可能避免在该区工作
也就是尽可能的要在高输量区工作
而不是在低输量区工作
对于大流量区 三区
它的特点是随着流量增大
摩阻增大
另外随着流量增大
仍然是温降变缓
和刚才的分析过程是一样
最终是摩阻是减小的
因为黏度变化很小
且大流量时流态指数m
就是列宾宗公式里面的流态指数m更小
因此b的作用是远小于a的
它表现出来的综合的作用仍然是随着
输量的上升摩阻增大
但是它增大的程度比一区从图中可以看出来
要平缓的多
因此在三区输送油品是比较经济的
它是热油管道的正常工作区
对于中间的中等流量区二区
首先随着流量的增大
摩阻是要增大的
另外一个方面
随着流量的增大
温降变缓
和刚才的分析类似
它可以减小摩阻
那么对于黏度随温度变化比较大的油品
在二区工作的时候黏度的下降比较显著
因此 b的作用就有可能超过a的作用
一旦 b的作用超过a的作用
就会出现如图所示的情况
随着输量的增大
摩阻是下降的
那这个二区就是热油管道的不稳定工作区
在该区工作既不经济又不安全
下面我们来具体分析它的原因是什么
假设热油管道在这样的一个工作点1进行工作
这个是泵站的特性曲线
这个是管道的特性曲线
工作点1对应的流量是Q1
对应的摩阻是H1
这个H1也可以看成是泵站提供的压头
那么
如果由于某种原因
使得我们的管道的流量降低了
大家可以想象一下
流量降低以后
由于整个管道系统泵站和管道是要匹配工作的
也就是它们的供能和耗能是要平衡的
此时就会发生工作点的迁移
比如说工作点
从工作点1跑到这一点
跑到这一点以后
也就是工作点2
它的流量是下降的
管道的输量是下降的
同时摩阻是上升的
H2是大于H1的
相对应的
在泵站的工作特性曲线上
我们可以看到对应到泵站的排量
它是下降的
排量的下降又会导致工作点的迁移
迁移到工作点3
进一步导致管道的输送量下降
摩阻上升
泵站的排量下降
这样整个工作点会一直沿着箭头的方向
进行移动
我们归结起来就是
在某些外界因素的影响下
管道流量降低
摩阻增大
泵的排量下降
导致管道的流量进一步降低
摩阻进一步增大
泵的排量继续减小
就是刚才这个工作点迁移的过程
最终导致管道停流
所以这是一个恶性循环
那么导致恶性循环的外界因素都有哪些
这里列举了几种
第一个是泵机组故障
导致排量减小
第二是中间站故障的停运
第三是突遇寒流强降温
使得站间的传热发生比较明显的变化
第四是夏季长时间降雨
从而使得管道的保温层进水
使得总传热系数也发生比较大的变化
传热量增大
还有就是靠干线压力分输的支线
以及节流操作不当
比如说节流操作的时候
阀门的开度关的过小了
等等这些因素
这些因素出现给热油管道进入不稳定工作区
提供了一定的可能性
但是并不是说这些因素出现以后
管道就一定会进入不稳定工作区
那么不稳定工作区2区和正常工作区3区之间
的交界的流量
我们定义为Qmin
也就是管道特性允许的最小输量
它是一个临界流量
那么对于热油管道
大家应该还记得
还有一个是Gmin
我们讨论过很多
它是热力条件允许的最小输量
那么由管道特性
会决定一个允许的最小输量
由这个条件决定了一个允许的最小输量
那实际的管道运行当中
最小输量应该满足哪一个
实际中应该取最小输量中
这两者当中较大的作为允许的最小输量
由这个分析我们可以知道
热油管道的实际运行中要控制它的最低输量
不但取决于热力条件
还取决于管道的特性条件
那在实际当中我们肯定是希望
热油管道在最小输量之上来进行运行
也就是不让它进入不稳定工作区
那首先我们就得知道
影响管道进入不稳定工作区的因素都有哪些
首先是出站温度
刚才的不稳定工作区是由维持出站温度
这样一个假设来推导得到的
因此维持出站油温的这样的一个运行方式
虽然给管道的运行管理带来了一定的便利
但是也提供了进入不稳定工作区的可能
第二是油品的黏温特性
如果在黏温特性里面指数u比较大的时候
就表明黏度随着温度的变化比较快
如果由于外界因素的变化
导致油温变化比较大
那么黏度就会变化比较大
从而对管道的水力特性有较大的影响
第三个方面就是管壁
管壁的结蜡层和凝油层
可以起到减缓传热的作用
也就是具有一定的保温效果
但是由于有了结蜡层和凝油层
使得管道的实际流通面积减小
从而流量下降
摩阻增大
也为进入不稳定工作区
提供了一种可能
还有就是流态
层流时黏度对摩阻的影响更大
因为列宾宗公式中的指数是更大的
更易进入不稳定工作区
流体的性质
剪切稀释
使得在输量下降的时候
黏度上升
从而摩阻上升
这是原油的剪切稀释特性所决定的
同时油品具有的屈服应力使得流量下降到
一定的值的时候
不足以克服这个屈服应力的时候
就使得管道内提前停流
还有其它因素
比如说地温低
总传热系数大
站间距长
都容易使管道进入不稳定工作区
总结起来影响临界输量
或者影响进入不稳定工作区的因素
归结起来有这么几点
第一是控制出站温度运行
暗藏祸根
第二是油品的黏温指数大
这是由于油品的性质不太好
所以造成的先天不足
第三是管类的结蜡和凝油层比较厚的时候
凶多吉少
更容易进入不稳定工作区
第四管道在层流状态下运行的时候
是雪上加霜
第五
油品的非牛顿性质比较强烈的时候
落井下石
第六是地温低
总传热系数大和站间距长等等因素
使得热油管道的热力条件和水力条件的恶化
愈演愈烈
这些因素综合在一起
就是影响热油管道进入
不稳定工作区临界输量的一个重要的因素
了解了热油管道进入不稳定工作区的因素以后
如何采取相应的措施进行预防
或者发现进入不稳定工作区域以后
如何处置呢
第一是提高出站油温
第二是启动备用泵
或未开的中间泵站提高输量
第三是增大阀门开度
第四是输入轻质油品或热水
用轻油或热水将重油从管道中置换出来
根据上述分析
请大家课后思考
维持一定的进站温度运行的管道
会出现不稳定工作区吗
原因是什么
本节课热油管道的运行特性
就讲到这里
同学们再见
-1.1 中国油气管网的前世今生
-1.2 输油管道概述
--输油管道概况
-第一章作业
-2.1 输油管道建设程序
--输油管道建设程序
-2.2 输油管道勘察概述
--输油管道勘察概述
-2.3 输油管道设计概述
--输油管道设计概述
-第二章作业
-3.1 离心输油泵的工作特性
--离心泵的工作特性
-3.2 输油泵站的工作特性
--泵站的工作特性
-3.3 输油管道的摩阻损失
-3.5 长输管道的水力坡降
--水力坡降
-3.6 翻越点
--翻越点
-3.7 泵站-管道系统的工作点
-3.8 等温输油管道工艺计算中的设计参数和泵站数的确定
-3.9 等温输油管道工艺计算中的泵站布置和工况校核
-3.10 等温输油管道设计方案的技术经济比较
-3.11 等温输油管道运行工况分析与调节1:中间站停运后的工况变化
-3.12 等温输油管道运行工况分析与调节2:干线漏油后的工况变化
-3.13 等温输油管道运行工况分析与调节3:输油管道的调节方式
-第三章作业
-4.1 热油管道的温降计算1:加热输送的特点、轴向温降计算式与沿程温度分布
-4.2 热油管道的温降计算2:温度参数的确定、温降公式的应用、热油管道允许最小输量
-4.3 热油管道的温降计算3:热力计算所需的主要物性参数、热油管道的总传热系数
-4.4 热油管道的摩阻计算
-4.5 确定和布置加热站、泵站
-4.6 热油管道优化设计特点
-4.7 液化石油气管道的工艺计算
-第四章作业
-5.1 热油管道的运行特性1:热油管道的不稳定工作区
-5.2 热油管道的运行特性2:土壤温度场对油温的影响、运行参数变化对总传热系数的影响
-5.3 热油管道的投产
--热油管道的投产
-5.4 热油管道的日常运行管理
-5.5 热油管道的停输再启动
-第五章作业
-6.1 管道顺序输送工艺特点1:循环周期,循环次数和罐容优化设计
-6.2 管道顺序输送工艺特点2:顺序输送管道系统热力特性与温升、成品油管道水力特性
-6.3 顺序输送管道的混油
-6.4 混油界面检测与混油处理
-第六章作业
-期末考试