中国石油大学(华东)输油管道设计与管理储运课件52

1、中国石油大学中国石油大学( (华东华东) )输油管道设计与管理储运课件输油管道设计与管理储运课件5252一、热油管道的试运投产一、热油管道的试运投产试运是管道由施工建设转入生产运行的关键阶段。管道的设计是否符试运是管道由施工建设转入生产运行的关键阶段。管道的设计是否符合实际，施工质量是否符合要求等问题都将在投产过程中集中地暴露合实际，施工质量是否符合要求等问题都将在投产过程中集中地暴露出来。而且长输管道的投产还与油品的运输、电讯系统等方面密切相出来。而且长输管道的投产还与油品的运输、电讯系统等方面密切相关，因此投产前要做好各项准备工作。关，因此投产前要做好各项准备工作。1、全线组成统一的投产指

2、挥机构，确保各项工作能逐级落实。、全线组成统一的投产指挥机构，确保各项工作能逐级落实。 2、配备好各岗位的工作人员，建立一支反应灵活的维修抢险队伍。、配备好各岗位的工作人员，建立一支反应灵活的维修抢险队伍。 4、制定投产方案。、制定投产方案。3、制定各种生产管理制度，配备好投产所需的各种设备工具。、制定各种生产管理制度，配备好投产所需的各种设备工具。 第二节第二节 热油管道的投产热油管道的投产投产程序一般包括：投产程序一般包括： 各站单体及整体冷热水试运。各站单体及整体冷热水试运。 单体试运包括：单体试运包括：油罐试水油罐试水加热炉和锅炉的烘炉及试烧加热炉和锅炉的烘炉及试烧电机和主泵试运电机和

3、主泵试运站内整体试运分冷水试运和热水试运，采用站内循环流程站内整体试运分冷水试运和热水试运，采用站内循环流程冲洗清扫站间管路。冲洗清扫站间管路。 预热管路：一般采用热水预热。长距离管道一般采用正反预热管路：一般采用热水预热。长距离管道一般采用正反输交替预热，短管道一般采用单向预热。输交替预热，短管道一般采用单向预热。 通油投产，管线预热达到要求并全面检查合格后便可通油投产，管线预热达到要求并全面检查合格后便可投油。投油。 为了顺利地进行以上投产程序，需要进行一系列的计算。为了顺利地进行以上投产程序，需要进行一系列的计算。其中最重要的是管道预热多长时间后方可正式投油，即其中最重要的是管道预热多长

4、时间后方可正式投油，即预热时间计算。这是本节课讨论的主要问题。预热时间计算。这是本节课讨论的主要问题。 二、埋地热油管道启动过程的特点二、埋地热油管道启动过程的特点 径向传热：径向传热： 投产初期是不稳定传热过程。开始时钢管和土壤温度为原始土壤温度，投产初期是不稳定传热过程。开始时钢管和土壤温度为原始土壤温度，热油或热水输入后，钢管及土壤从油流或热水中吸取大量热量，开始热油或热水输入后，钢管及土壤从油流或热水中吸取大量热量，开始时，由于油壁温差很大，传热量很大，散出的热量首先加热钢管、防时，由于油壁温差很大，传热量很大，散出的热量首先加热钢管、防腐层，然后是土壤，使附近的一层土壤温度升高，而此

5、时由于管路及腐层，然后是土壤，使附近的一层土壤温度升高，而此时由于管路及其附近土壤与外界土壤的温差很小，所以往远处土壤及大气的散热量其附近土壤与外界土壤的温差很小，所以往远处土壤及大气的散热量很小很小,也就是说，首先在管路周围的土壤中蓄热。随着时间的延长，管也就是说，首先在管路周围的土壤中蓄热。随着时间的延长，管路附近的土壤温度不断升高，与油流的温差逐渐缩小，油流的热损失路附近的土壤温度不断升高，与油流的温差逐渐缩小，油流的热损失逐渐减小，而被加热的土层半径逐渐增大，土壤蓄热量逐渐上升。当逐渐减小，而被加热的土层半径逐渐增大，土壤蓄热量逐渐上升。当各部分土壤向外传递的热量相等时，土壤的蓄热过程

6、也就结束了各部分土壤向外传递的热量相等时，土壤的蓄热过程也就结束了,在管在管路周围的土壤中也就建立了稳定的温度场。路周围的土壤中也就建立了稳定的温度场。 上述过程可简单地表示为上述过程可简单地表示为: Ttu热影响区热影响区 蓄热量蓄热量 T 散热量散热量 稳定。稳定。 轴向情况轴向情况 从管线轴向分析，沿油流流动方向，各处的散热情况是不同的。起点从管线轴向分析，沿油流流动方向，各处的散热情况是不同的。起点断面，维持出站油温不变运行时，油温基本不变，传热过程如上所述，断面，维持出站油温不变运行时，油温基本不变，传热过程如上所述，散热量随时间的延长而减小。其后的各个断面，由于沿程温降，油温散热量

7、随时间的延长而减小。其后的各个断面，由于沿程温降，油温较低，油壁温差较小，土壤蓄热量上升速度减慢，稳定的时间要长。较低，油壁温差较小，土壤蓄热量上升速度减慢，稳定的时间要长。在中间某段落，油流开始到达时，油温比在中间某段落，油流开始到达时，油温比TR低得多，散热量较少，随低得多，散热量较少，随着启动时间的延长，油温逐渐上升，散热量可能经历先逐渐增大，然着启动时间的延长，油温逐渐上升，散热量可能经历先逐渐增大，然后又逐渐减小的过程。在终点断面处，开始投产时，热油或热水到达后又逐渐减小的过程。在终点断面处，开始投产时，热油或热水到达时可能已接近地温，要经过一段时间油温才逐渐上升且升温速度缓慢，时可

8、能已接近地温，要经过一段时间油温才逐渐上升且升温速度缓慢，此处散热量可能是逐渐升高的，最后达到稳定。此处散热量可能是逐渐升高的，最后达到稳定。由以上分析可见，在启动过程中，沿线各断面上，土壤由以上分析可见，在启动过程中，沿线各断面上，土壤温度场都是随时间而变化的，且各处的变化情况不同。温度场都是随时间而变化的，且各处的变化情况不同。启动过程的热力工况属于三维不稳定传热过程，即启动过程的热力工况属于三维不稳定传热过程，即总的来说，启动过程的传热量要大于正常输油时的传热总的来说，启动过程的传热量要大于正常输油时的传热量，因为在向外散热的同时，还要加热土壤，故启动过量，因为在向外散热的同时，还要加热

9、土壤，故启动过程中油流的温降比正常输油时大得多。程中油流的温降比正常输油时大得多。 tzyxfT, 三、热油管道的启动方法三、热油管道的启动方法 1、冷管直接启动、冷管直接启动将热油直接输入温度等于管线埋深处自然地温的冷管道，靠油流降温将热油直接输入温度等于管线埋深处自然地温的冷管道，靠油流降温放热来加热周围土壤。这样，最先进入管道的油流在输送过程中一直放热来加热周围土壤。这样，最先进入管道的油流在输送过程中一直与冷管壁接触，散热量大，当管道较长时，油温很快降至接近自然地与冷管壁接触，散热量大，当管道较长时，油温很快降至接近自然地温，远低于凝固点。通常把这一段称为冷油头。冷油头散失的热量主温，

10、远低于凝固点。通常把这一段称为冷油头。冷油头散失的热量主要用于加热钢管及部分防腐层。冷油头中，有相当长的一段油流温度要用于加热钢管及部分防腐层。冷油头中，有相当长的一段油流温度接近或低于凝固点，油头在管内凝结，使输送时的摩阻急剧升高，以接近或低于凝固点，油头在管内凝结，使输送时的摩阻急剧升高，以至于会超出泵和管道强度的允许范围。因此至于会超出泵和管道强度的允许范围。因此只有当管道距离短，投油只有当管道距离短，投油时地温高，并能保证大排量输送情况下，才能采用冷管直接启动。时地温高，并能保证大排量输送情况下，才能采用冷管直接启动。对对于长输管道，当地温接近凝固点时，也可采用冷管直接启动。于长输管道

11、，当地温接近凝固点时，也可采用冷管直接启动。 2、加稀释剂或降粘剂启动、加稀释剂或降粘剂启动 例如湛茂线，例如湛茂线，1980年年10月月1日投产，启动前管内存有原油日投产，启动前管内存有原油(凝凝固点固点-17)，投产时气温，投产时气温30，管道埋深处地温，管道埋深处地温29，采用，采用直接启动方法，将凝点为直接启动方法，将凝点为33的大庆原油加热到的大庆原油加热到40后直接后直接输入冷管道。只开首站输油泵，最高出站压力为输入冷管道。只开首站输油泵，最高出站压力为3.6MPa，末站油温在投油末站油温在投油15天内为天内为2930。该管线之所以能采用冷。该管线之所以能采用冷管直接启动，是因为地

12、温较高，接近凝固点，在流动条件下管直接启动，是因为地温较高，接近凝固点，在流动条件下原油根本不会凝结。原油根本不会凝结。 在原油中加入化学添加剂或稀油，降凝降粘后直接输入冷管在原油中加入化学添加剂或稀油，降凝降粘后直接输入冷管道，这种方法要受降粘剂或稀油的限制。道，这种方法要受降粘剂或稀油的限制。 3、预热启动、预热启动 目前，对于大多数输送易凝原油的长输管道，均采用此方法目前，对于大多数输送易凝原油的长输管道，均采用此方法启动。即在输送原油前先在管道中输送热水，往土壤中蓄入启动。即在输送原油前先在管道中输送热水，往土壤中蓄入部分热量，建立一定的温度场后再输油。预热的方法可以是部分热量，建立一

13、定的温度场后再输油。预热的方法可以是单向预热单向预热(即一直从首站往末站输送热水即一直从首站往末站输送热水)，也可以是正反输，也可以是正反输交替预热。对于较长的管道，为了节约水和燃料，并避免排交替预热。对于较长的管道，为了节约水和燃料，并避免排放大量热水污染环境，常采用正反输交替预热。放大量热水污染环境，常采用正反输交替预热。 热水预热启动虽然安全可靠，但要耗用大量的水、燃料和动力，且排出热水预热启动虽然安全可靠，但要耗用大量的水、燃料和动力，且排出的热水温度高，且往往含油，易造成环境污染的热水温度高，且往往含油，易造成环境污染(包括热污染和油污染包括热污染和油污染)。如如73年铁秦线投产年铁

14、秦线投产(720，454.3km)，预热预热28天，用水天，用水47万方，万方，74年庆年庆铁复线铁复线( 720，523km)，预热预热18天，用水天，用水40万方，万方，75年秦京线年秦京线( 529，342km)，预热预热14天，用水天，用水13.8万方。万方。 随着投产经验的不断增加，我国管线启动时的预热时间随着投产经验的不断增加，我国管线启动时的预热时间和用水量都在不断减少。近年来，有些管线启动时采用和用水量都在不断减少。近年来，有些管线启动时采用的方法是：在首站备足充满一个加热站间管道容积所需的方法是：在首站备足充满一个加热站间管道容积所需的水量，在投油前先往管道中输送热水，等热水

15、达到第的水量，在投油前先往管道中输送热水，等热水达到第二站时首站开始投油。这样就使预热时间和用水量大大二站时首站开始投油。这样就使预热时间和用水量大大减少，一般输入热水后减少，一般输入热水后20个小时左右即可投油。利用这个小时左右即可投油。利用这种方法，种方法，91年成功地启动了东临管线，年成功地启动了东临管线，92年成功地启动年成功地启动了中洛复线。了中洛复线。 四、热油管道的预热过程计算四、热油管道的预热过程计算计算目的：了解土壤温度场随预热时间的变化情况；计算目的：了解土壤温度场随预热时间的变化情况； 确定到达投油条件所需的预热时间。确定到达投油条件所需的预热时间。 热水预热前，需要准备

16、水源、燃料和热水排放地点。特别热水预热前，需要准备水源、燃料和热水排放地点。特别是燃料，不能象正常输油情况下那样直接取用管中原油。是燃料，不能象正常输油情况下那样直接取用管中原油。要临时用汽车油槽车将燃料拉到各个加热站，预热过程中要临时用汽车油槽车将燃料拉到各个加热站，预热过程中需耗用多少燃料、水、电等都要事先计划、安排，而这些需耗用多少燃料、水、电等都要事先计划、安排，而这些都要求知道预热时间，了解沿线的土壤温度场情况。都要求知道预热时间，了解沿线的土壤温度场情况。 预热过程的传热特点：预热过程的传热特点： a.出站口截面，散热量由大到小出站口截面，散热量由大到小b.中间截面，散热量由中间截

17、面，散热量由到到c.进站口截面，散热量缓慢上升进站口截面，散热量缓慢上升冷管道的热水预热过程就是周围土壤温度场的建立过程，也就是周围土冷管道的热水预热过程就是周围土壤温度场的建立过程，也就是周围土壤的蓄热过程，也是土壤热阻不断增大、管道热损失不断减少的过程。壤的蓄热过程，也是土壤热阻不断增大、管道热损失不断减少的过程。如果按如果按TR、TZ及及Q由轴向温降公式推算管路的总传热系数由轴向温降公式推算管路的总传热系数K，将表现为将表现为K值的不断下降。显然按稳定传热公式计算的值的不断下降。显然按稳定传热公式计算的K值，不能反映不稳定传热值，不能反映不稳定传热过程中油管的散热特性。但在还未建立正确的

18、算法前，工程上仍沿用上过程中油管的散热特性。但在还未建立正确的算法前，工程上仍沿用上述述K值来分析启动过程，在输量和起点温度恒定的情况下，上述值来分析启动过程，在输量和起点温度恒定的情况下，上述K值能大值能大体上反映预热效果。为了与稳定传热过程有所区别，用体上反映预热效果。为了与稳定传热过程有所区别，用K 表示不稳定传表示不稳定传热过程的总传热系数。当钢管壁和防腐层的蓄热接近稳定后，热过程的总传热系数。当钢管壁和防腐层的蓄热接近稳定后，K 值主要值主要取决于土壤的不稳定传热过程。如果用取决于土壤的不稳定传热过程。如果用2 表示不稳定导热过程土壤的放表示不稳定导热过程土壤的放热系数，则热系数，则

19、K 2 。工程上常用。工程上常用2 值与正常输油工况下的值与正常输油工况下的2值比较来值比较来判断预热过程是否达到稳定。当判断预热过程是否达到稳定。当2 下降到与下降到与2接近时即可投油。所以我接近时即可投油。所以我们先来讨论们先来讨论2 与预热时间的关系。与预热时间的关系。 2 与预热时间的关系与预热时间的关系 计算计算2 与预热时间的关系有两种方法：恒热流法和恒壁温法。与预热时间的关系有两种方法：恒热流法和恒壁温法。 1、恒热流法、恒热流法 这种方法把埋地热油管道的启动过程看作是埋在半无限大这种方法把埋地热油管道的启动过程看作是埋在半无限大均匀介质中连续作用的线热源的不稳定导热过程。即认为

20、均匀介质中连续作用的线热源的不稳定导热过程。即认为土壤是各向同性的，管道传向各个方向的热流强度相等，土壤是各向同性的，管道传向各个方向的热流强度相等，且不随时间变化。忽略轴向传热，只考虑某一横断面，为且不随时间变化。忽略轴向传热，只考虑某一横断面，为二维不稳定传热，其导热微分方程为：二维不稳定传热，其导热微分方程为： 2222yTxTaT AqTyxTtL 4,0 ahyxEiahyxEiAtt442222假设预热过程中管道单位时间单位管长上的散热量等于假设预热过程中管道单位时间单位管长上的散热量等于qL，并等于正常输送情况下的散热量，按源汇法可得到预热过并等于正常输送情况下的散热量，按源汇法

21、可得到预热过程中地下埋管周围土壤温度场的变化规律为：程中地下埋管周围土壤温度场的变化规律为： 式中：式中： a土壤导温系数土壤导温系数, m2/s,t土壤导热系数土壤导热系数,w/m tttCa / ht管中心埋深管中心埋深, m T0土壤的原始温度，土壤的原始温度， 预热时间，预热时间，s qL稳定工况的管道散热量，稳定工况的管道散热量，w/m若将管壁处的坐标若将管壁处的坐标(xbi , ybi)代入，取管半径为代入，取管半径为R，则有：则有： 222Rhyxtbibi 22222244ttbitbibitbibihRhyhyxhyx 代入温度分布公式得：代入温度分布公式得： aREiahR

22、EiqTTttLbi44442220将将 代入上式，得到代入上式，得到 的表达式的表达式 02TTDqbiL 2 aREiahREiRtt44422222当当 时，时， 224thR 2/ Dht aREi42 ahREit4422可简化为：可简化为： aREiRt4222一般认为，当一般认为，当K 2 =2.8-3.5W/m2时，预热过程达到稳定，时，预热过程达到稳定，从而可由上式求得所需的预热时间从而可由上式求得所需的预热时间。但根据此式计算的预但根据此式计算的预热时间偏长，主要原因如下：热时间偏长，主要原因如下：1、实际预热过程的散热量不是常数，是随时间变化的。、实际预热过程的散热量不是

23、常数，是随时间变化的。一般比正常运行时的一般比正常运行时的qL要大得多。要大得多。 2、取管外壁温度等于该点的土壤温度也是有误差的。实际、取管外壁温度等于该点的土壤温度也是有误差的。实际上管壁与土壤之间有间隙，存在接触热阻。上管壁与土壤之间有间隙，存在接触热阻。3、推导中忽略了地表散热和土壤自然温度场的影响。、推导中忽略了地表散热和土壤自然温度场的影响。 4、公式未反映出断面位置的影响。、公式未反映出断面位置的影响。实际上，由于沿线水温不同，实际上，由于沿线水温不同，沿线各断面的土壤温度场变化亦不同。加热站出口处水温高，达沿线各断面的土壤温度场变化亦不同。加热站出口处水温高，达到同样的温度分布

24、所需的时间比站间末端短得多，而公式中却未到同样的温度分布所需的时间比站间末端短得多，而公式中却未包含这个因素，显然是不合实际的。包含这个因素，显然是不合实际的。 2恒壁温法恒壁温法 这种方法作了如下假设：这种方法作了如下假设： 把埋地热油管道看作是无限大均匀介质中连续作用的圆柱把埋地热油管道看作是无限大均匀介质中连续作用的圆柱形热源。形热源。 忽略地面散热的影响。忽略地面散热的影响。热源开始作用前，管壁及周围土壤温度为热源开始作用前，管壁及周围土壤温度为 T0 ，一开始加一开始加热，管壁温度立即跃升到等于稳定状态下的温度，且保持热，管壁温度立即跃升到等于稳定状态下的温度，且保持不变，故名不变，

25、故名“恒壁温法恒壁温法” 根据上述假设，列出二维导热微分方程，通过计算机求解，根据上述假设，列出二维导热微分方程，通过计算机求解，并将结果用因次分析法整理得到：并将结果用因次分析法整理得到： )/953.0(362.033.00FNut ttDNu /2 20/tFaD 式中：式中： 33. 066. 0263. 21362. 0 aDDt33. 01266. 0362. 0953. 01 ttDDa 上式未体现埋深上式未体现埋深ht的影响，推导实际上是按的影响，推导实际上是按ht/D考虑的。考虑的。实际上，实际上，ht/D越小，需要的预热时间越长。因此只有当越小，需要的预热时间越长。因此只有

26、当ht/D较大较大(如如ht/D 4)时，上述假设才是合理的。由此可见，时，上述假设才是合理的。由此可见，该式计算的预热时间偏短。该式计算的预热时间偏短。 分析上式可以发现：分析上式可以发现： 该式同样未体现土壤自然温度及断面位置的影响。该式同样未体现土壤自然温度及断面位置的影响。 实际的预热过程既不是恒热流的也不是恒壁温的。若达实际的预热过程既不是恒热流的也不是恒壁温的。若达到同样的到同样的2 ，恒热流法计算的时间较长，偏于保守，恒，恒热流法计算的时间较长，偏于保守，恒壁温法偏短，偏于不安全。壁温法偏短，偏于不安全。 例：一条管道例：一条管道720，埋深，埋深ht=1.6m，若要达到若要达到

27、2 =3. 5W/m2 ，则：，则： 按恒热流法计算所需预热时间按恒热流法计算所需预热时间305h13天天 按恒壁温法计算所需预热时间按恒壁温法计算所需预热时间99h4天天 这是从我国长输管道投产实践中总结出来的一种近似计算这是从我国长输管道投产实践中总结出来的一种近似计算方法。根据我国多次长输热油管道的投产实践证明是可行方法。根据我国多次长输热油管道的投产实践证明是可行的。这种方法认为当预热过程的实际蓄热量与稳定工况下的。这种方法认为当预热过程的实际蓄热量与稳定工况下的蓄热量之比达到某一百分数时即可投油，然后再根据预的蓄热量之比达到某一百分数时即可投油，然后再根据预热过程的实际热负荷计算所需

28、的预热时间。热过程的实际热负荷计算所需的预热时间。 由土壤蓄热量估算预热时间由土壤蓄热量估算预热时间 计算步骤如下（常按一个加热站间考虑）：计算步骤如下（常按一个加热站间考虑）： 确定预热要达到的蓄热量百分比确定预热要达到的蓄热量百分比稳定工况蓄热量稳定工况蓄热量预热过程实际蓄热量预热过程实际蓄热量 ux由于各季的地温不同，所以稳定工况下的蓄热量各季也不同。各季的蓄热由于各季的地温不同，所以稳定工况下的蓄热量各季也不同。各季的蓄热量比可取不同值。对于冬季投产的管线，一般可取量比可取不同值。对于冬季投产的管线，一般可取xu5060，夏、秋夏、秋季可取季可取xu=3040% 。当然。当然xu的选取

29、与实际经验是分不开的。的选取与实际经验是分不开的。下面是几条管线投产时的蓄热量比：下面是几条管线投产时的蓄热量比： 管线名管线名 管长管长 管径管径 预热时间预热时间 投产日期投产日期 xu 投油时进站水温投油时进站水温 km mm 天天 % 抚鞍线抚鞍线 130 426 19 72.12.31 67 53铁秦线铁秦线 454 720 28 73.9.24 63.2 34庆铁线庆铁线 523 720 18 74.9.20 60.7 34任京线任京线 119 529 5 76.6.29 30.9 34以管道中心为圆心，将以管道中心为圆心，将ht-R 厚的环形分为厚的环形分为 n 层。在轴向层。在

30、轴向上将站间管道分成上将站间管道分成m段。段。计算计算 ht -R 的环形土层的稳定蓄热量的环形土层的稳定蓄热量 ht011()mnttijmijjiqcV TT 由下式可求得站间管道的稳定蓄热量：由下式可求得站间管道的稳定蓄热量： 2202200ln4,xyyxyyqTyxTtL 0220,2TTDKqDhyyLt 各层内外侧的温度可由温度分布公式得到各层内外侧的温度可由温度分布公式得到式中：式中：q( htR )环形土壤中的稳定蓄热量，环形土壤中的稳定蓄热量，kJTmij、T0第第j段第段第i环的平均温度、自然地温，环的平均温度、自然地温，Ct土壤比热容，土壤比热容，kJ/kgVij第第j段第段第i层环状土层的体积，层环状土层的体积，m3t土壤的密度，土壤的密度，kg/m3 1sktccc若若 Ct 无实测值，则无实测值，则式中：式中： Ck土壤中骨架颗粒干燥时的比热，对于一般沙土、土壤中骨架颗粒干燥时的比热，对于一般沙土、粘土在常温下可取粘土在常温下可取0.84kJ/kgCs水的比热，水的比热，kJ/kg 土壤的含水率土壤的含水率预热过程热负荷计算预热过程热负荷计算qYRQ1-蓄入土壤的热量，蓄入土壤的热量，Q1=xuq；Q2-预热用水升温至排水温度所需热量预热用水升温至排水温度所需热量(根据用水量和根据用水量和来水与排水温度之差计算来水与排水