石油管道導熱油伴熱設計與計算

王艷菲，張 博，王杏佳，孫龍祥

(1.洛陽中象石化工程有限公司， 河南 洛陽 471000；2.中國石油化工股份有限公司洛陽分公司，河南 洛陽 471000)

伴熱，是一種有效的管道防凍、保溫措施，其工作原理主要是利用伴熱介質的熱量，通過直接或間接的熱交換，將伴熱管道的熱損失進行補充，以達到防凍、保溫的目的[1]。石油化工企業中，常用的伴熱介質有：熱水、蒸汽、熱載體、電伴熱等。管內介質溫度在95℃以下的管道，應選用0.3～0.6MPa的蒸汽作為熱源，在伴熱點集中的地方，也可選用熱水伴熱；管內介質溫度在95～150℃之間的管道，應選用0.7～0.9MPa的蒸汽伴熱；管內介質溫度在150℃以上的管道，當0.9MPa蒸汽不能滿足工藝要求時，可選用熱載體作為伴熱介質。

本文主要針對東北地區冬季極端低溫下(最低可達-27.3℃)，系統管廊采用蒸汽伴熱時凝結水管線結冰而流通不暢的情況，擬采用導熱油作為熱源給系統管廊伴熱來解決此問題。相比于蒸汽伴熱，導熱油更多使用于被伴熱的介質伴熱溫度要求較高，其它伴熱方式不易達到的情況[2]。除此之外，導熱油伴熱還有溫度調節靈活、使用簡單方便的特點[3-4]。

本論文為解決東北某煉油廠系統管廊伴熱問題，導熱油經導熱油爐加熱到120℃后，經過DN100的導熱油管道以0.9 m/s的速度輸送到15 m外的系統管廊用于伴熱。導熱油管道外做50 mm硅酸鹽保溫；在系統管廊上20根DN20的導熱油伴熱管線分別給20根150 m的DN250油管線伴熱，油管線外做80 mm硅酸鹽保溫；伴熱返回的導熱油經過DN100的導熱油管線返回到165 m外的導熱油加熱爐進行加熱以后循環使用，導熱油返回管線外做50 mm硅酸鹽保溫。為保證管線的正常伴熱不受影響，導熱油返回導熱油爐溫度要求不低于90℃。導熱油流程見圖1。

圖1 導熱油流程示意圖

Fig.1 Schematic diagram of the heat conducting oil flow

1 導熱油到系統管廊的溫度計算

其中：k-傳熱系數，W/(m2·℃)；

α1-導熱油至管內壁的傳熱系數，由計算雷諾數確定流態，導熱油120℃時， γ=0.1 mm2/s，ρ=950kg/m3,Re=ud/γ=0.9×0.097/(0.1×10-6)=873000>2300，

流體位于湍流區α1-可以忽略不計，即α1=0；

α2-管外壁到大氣的傳熱系數，與當地風速有關。

當地風速為v=7 m/s；

D1、D2-管道的內外徑，D1=0.097m，D2=0.114 m；

D3-管道與保溫層形成的結構外徑，D3=0.114+0.1=0.214 m；

λ-導熱系數，取λ=0.0604W/(m2·℃)；

q=kπD(T2-T1)

q-熱損失，W/m；

D-計算外徑，保溫層內外徑的平均值D=(0.214+0.114)/2=0.164 m；

T2-導熱油初始溫度，℃；

T1-管道所處的環境溫度，取T1=-27.3℃；

則q=kπD(T2-T1)=0.186×π×0.164×[120-(-27.3)]=14.1W/m；

根據公式qLτ=cm(t1-t2)=cρπr2L(t1-t2)

c-比熱，取c=0.53kcal/(kg·℃)=2.22kJ/(kg·℃)；

τ-時間，τ=15/0.9=16.7s；

14.1×16.7=2.22×103×950×π×(0.097/2)2×(120-t)；

進入系統管廊的導熱油初始溫度為t=119.98℃[5]。

2 導熱油出系統管廊的溫度計算

已知石油管道外徑為273 mm，內徑為254 mm；伴熱管外徑為27 mm，內徑為21 mm；管線外保溫層厚度為80 mm，進出管廊導熱油管線流速u1=0.9 m/s。

u1A1=u2A2

其中：u1-進出管廊導熱油管線流速，m/s；

u2-導熱油在伴熱管內的流速，m/s；

A1-進出管廊導熱油管截面積，m2；

A2-單根導熱油伴熱管截面積，m2；

則導熱油在伴熱管內的流速u2=0.96 m/s；

τ=165/0.96=171.9s

其中：D0-保溫層外徑，m；

Di-保溫層外徑，m；

K-熱損失附加系數，一般取1.15～1.25；

q-帶外伴熱管的管道熱損失，W/m；

λ-保溫材料制品的導熱系數，取λ=0.0604W/(m2·℃)；

t-主管內介質溫度，℃；t取85℃；

ta-環境溫度，℃；取歷年一月份月平均溫度的平均值；

v-風速，m/s；

αi-保溫層內加熱空間空氣向保溫層的放熱系數；一般取αi=13.95W/(m2·℃)；

qLτ=cm(t2-t3)=cρπr2L(t2-t3)

89.3×171.9=2.22×103×950×π×(0.021/2)2×(119.98-t)

伴熱管至回油管的溫度為t=98.95℃[6]。

3 導熱油經回油管到加熱油爐的溫度計算

已知導熱油回油管公稱直徑DN100的管內徑為D1=0.097 m，外徑為D2=0.114 m，管線外保溫層厚度為50 mm，則D3=0.114+0.1=0.214 m；

q=0.186×π×0.164×[98.95-(-27.3)]=12.1W/m

τ=165/0.9=183.3s

qLτ=cm(t3-t4)=cρπr2L(t3-t4)

12.1×183.3=2.22×103×950×π×(0.097/2)2×(98.95-t)

導熱油回油管至導熱油爐的溫度為t=98.8℃[7-8]。

通過計算可知，導熱油爐出口溫度120℃，流速為0.9 m/s，完成系統管廊伴熱后導熱油返回導熱油爐的溫度大于90℃，符合設計方案的要求。

4 結論

在環境溫度較低的地區，同時蒸汽路徑較遠，提供的伴熱蒸汽容易凝結，伴熱后的凝結水管線也流動不暢，易結冰，這種情況，采用蒸汽伴熱已不能滿足使用要求，采用更高熱量的介質--導熱油來伴熱是有必要的。本文根據該煉廠的實際情況，提出對系統管廊采用導熱油伴熱方案，并對方案進行設計與計算。最終滿足伴熱要求。

綜上所述，設計好伴熱管并不簡單，需要考慮到伴熱介質的選取，溫度的合理取值，保溫厚度的合理計算，以及伴熱管根數的合理選用。合理的設計伴熱管，可以做到節省投資、施工容易和操作方便，對裝置的長期運行起到了有力的保障。

參考文獻

[1]李 云，張兵強.工藝管道蒸汽伴熱系統的設計要點[J].煤氣與熱力，2014，34(5)：A12-A14.

[2]王松漢. 石油化工設計手冊[M].第4卷.北京:化學工業出版社，2001:519-531.

[3]陳逢春. 化工工藝管道的蒸汽伴熱設計[J].上海化工，2014，39(1) : 22-24．

[4]工業和信息化部. SH/T 3040-2012 石油化工管道伴管和夾套管設計規范[S]. 北京: 中國石化出版社，2014．

[5]王盛智，藍曉民，王國維. 瀝青管道導熱油伴熱溫降計算[J].當代化工，2015， 44(2):421-422.

[6]張德姜，王懷義，劉紹葉. 石油化工裝置工藝管道安裝設計手冊(第一篇)[M].北京:中國石化出版社，2007:413-426.

[7]楊世銘，陶文銓. 傳熱學[M]. 第4卷. 北京：石油工業出版社，2010:86.

[8]田 娜，陳保東，何利民.同溝敷設原油和成品油管道三維溫度場的數值模擬[J]. 石油化工高等學校學報，2011,24(2):92-96.