淺析影響熱油輸送管道溫降的因素

王敏 胡寶靜 冀麗 張亞文 邵傳江

摘要：目前，全國成品原油輸送管網主要采用加熱輸送工藝，具有原油高凝固點、高含蠟、高粘度的“三高”現象，加熱輸送存在著一定量的熱損失。為處理好輸送過程中熱能與壓力能損失的供求平衡關系，以求達到經濟合理的目的，文章介紹了熱油輸送管道存在的徑向降溫和軸向降溫的問題以及計算方法。

關鍵詞：熱油輸送；徑向降溫；軸向降溫

中圖分類號：TE832 文獻標識碼：A文章編號：1009-2374（2012）01-0149-02

隨著我國內陸油田和海上油田的開發，原油管道的建設進入了一個新的歷史時期，全國的成品油輸送管網逐漸發展和形成起來。我國原油大都是高凝固點、高含蠟、高粘度的“三高”原油，目前主要采用加熱爐直接加熱工藝，在長距離輸油管路中正常輸送中，我們就必須要解決壓力和溫度的能量損失的問題。根據資源條件和國民經濟長期規劃的要求，就必須正確、合理地處理原油輸送過程中管路的摩阻損失和最熱損失這兩種能量的供求平衡關系，以求達到經濟、合理的目的。

一、加熱輸送的目的和特點

“三高”原油的管道輸送中，當成品原油的凝固點大于管路環境溫度，或在環境溫度下成品原油的粘度很高時，必須提前采取各種降凝、降粘方法。加熱輸是目前最有效的方法，即將成品原油提高溫度后輸入管路，目的是降低其粘度，減少摩阻損失，借消耗熱能以節約壓力能。

在熱油沿管道向前輸送的過程中，由于其油溫與環境溫度的差異，在這徑向溫差的作用下，油流所攜帶的熱量將不斷地向管道外散失。因而使油流在前進過程中不斷地有熱量損失，即引起軸向溫降。在軸向溫降的作用下，使油流的粘度在輸送過程中不斷升高，單位管長的摩阻逐漸增大，甚至當油溫降低到接近凝固點時，摩阻將急劇升高。

以上特點說明，熱油輸送過程中存在著兩方面的能量損失，即摩阻損失和散熱損失，因此也就必須要從兩方面給油流提供能量，一是由加熱站提供熱能，另一方面是由泵站提升壓力能，還要正確處理好這兩種能量的供求平衡關系。這兩種能量損失的多少是互相影響的，在這兩方面的能量損失中，其中散熱損失是主要的因素。因為摩阻損失的大小與油品的粘度密切相關，而輸送溫度的高低，直接影響粘度的大小。如多建中間加熱站，提高加熱站的進出站溫度，使油品在較高的溫度下輸送，散熱損失將因之增大，而摩阻損失則減少。對于某一輸送任務，存在著能耗最小的最優化輸送條件，為此首先應確定輸送管道沿線的溫降情況。

二、熱油輸送管道的徑向溫降

管路內油流的徑向溫差，會引起油流在徑向時的對流運動，因而在雷諾數略小于2000的情況下，熱油管內流態也不是層流運動，自然對流攪亂了層流。只有在自然對流很弱的情況下，才能恢復層流，因此，某些國家文獻建議，在進行熱油管的傳熱計算時，層流與紊流的劃分仍以雷諾數大于或小于2000為界；而在進行水力計算時，只有當雷諾數小于1000，對流的影響很弱時，流態才按層流考慮，以使計算所得的摩阻偏于安全值。

由于徑向溫降引起的擾動及管壁附近油流粘度的增大，會使熱管道的摩阻損失比按截面平均油溫計算時增大，在層流時的影響要比紊流時大得多。

三、熱油輸送管道的軸向溫降

（一）軸向溫降的基本計算式及其應用

油流在加熱站加熱到一定溫度TR以后，在沿管道流動過程中，不斷把熱量散失到溫度較低的管路周圍介質中去，因而使油流的溫度不斷降低。

設管路周圍環境溫度為T0，油流流到距加熱站出口1米處，溫度降低為T℃，由該處往前，長為dl的一小段管路中，單位時間內往外散失的熱量為K∏Ddl（T-T0），式中K為油流至周圍介質的總傳熱系數，其國際單位為瓦/（米2*升）或焦耳/（米2*秒*升），工程單位為千卡/（米2*時*℃）。經過dl這一小段距離后，油溫又降低了dT℃，在穩定傳熱過程中，如不考慮油流的摩擦熱，則油流放出的熱量為GCdT，dl段的熱平衡關系式為：

K∏D（T-T0）dl=-GCdT（1）

因式中dl與dT的方向相反，故引用負號。式中G為油流的質量流量，單位公斤/時；C為油的熱容，單位千焦耳/（公斤*升）或千卡/（公斤*℃）。

設總傳熱系數K為常數，油流流經長為L的管段后溫度降低為TL，上式由0至L積分后，可得管路沿線的溫降關系式為：

-（2）

上式（2）即為著名的蘇霍夫溫降公式。此式是在熱油管的設計、管理中應用最多的計算式，在設計時可用于：

（1）當K、G、D、T0及加熱站進、出口溫度TR和TL一定時，確定加熱站的間距LR；

（2）在加熱站間距LR已定的情況下，當K、G、D及T0一定時，確定為保持要求的終點溫度TR所必須的加熱站出口溫度TR；

（3）當K、D及T0一定時，在加熱站間距LR、加熱站的最高出口溫度TR和允許的最低進站溫度TL已定的情況下，確定熱油管路的允許最小輸量；

（4）運行時計算實際的總結系數K，以判斷管路的散熱及結蠟情況。

但是必須強調，上述核算只適用于輸量及油溫都穩定的情況下。因為式（2）是由穩定傳熱平衡關系導出的，并認為總傳熱系數K是常數，不隨其它參數變化。

（二）溫降公式計算中的因素

在前述核算各種參數的應用中，我們認為總傳熱系數是一個常數，對于埋地管線，當輸量和油溫變化時，由于土壤溫度常的重新分布和趨于穩定的過程較慢，所以在核算中計算的某段管路是隨時間變化的。

上述溫降的基本公式沒有考慮管內油流磨擦生熱對溫降的影響，也沒有計入含蠟原油降溫時析出蠟潛熱的影響，故只適用流速低、溫降大、磨擦熱的影響較小，且在輸送溫度范圍內沒有相變的情況下。

綜前所述了熱油輸送管道輸送影響因素，總的概況就是實際中存在的摩阻損失和散熱損失，所以我們在管理和設計中要正確處理這兩種能量的關系，也就能夠正確處理輸油工作中熱能與壓力能的關系。

參考文獻

[1]國家建委建筑物理研究所．地下輸油管道熱工計算、油氣管道技術[M]．1978．

[2]車爾尼金．易凝原油的輸送[M]．石油工業出版社，1959．

作者簡介：王敏（1973-），女，山東兗州人，供職于中原油田采油二廠油氣集輸大隊，研究方向：高粘度原油的輸送。

（責任編輯：葉小堅）