输油管道设计及管理51

1、第一节第一节 热油管道的运行特性热油管道的运行特性第二节第二节 热油管道的投产热油管道的投产第四节第四节 热油管道的停输再启动热油管道的停输再启动第五章第五章 热油管道的运行管理热油管道的运行管理第三节第三节 含蜡原油管道的蜡沉积及清管含蜡原油管道的蜡沉积及清管 第一节第一节 热油管道的运行特性热油管道的运行特性 一、热油管道的工作特性一、热油管道的工作特性 1、热油管道工作特性的特点、热油管道工作特性的特点前面讲热油管道特点时曾指出，热油管道不同于等温前面讲热油管道特点时曾指出，热油管道不同于等温管道的特点就在于热油管道存在两种能量损失。即摩管道的特点就在于热油管道存在两种能量损失。即摩阻损

2、失和散热损失，这个特点决定了热油管道与等温阻损失和散热损失，这个特点决定了热油管道与等温管道不同的工作特性。管道不同的工作特性。 对于等温管路：对于等温管路： ZfLQZLDQHmmmm 252 mmDf 5/即管路已定即管路已定(即即D、L、Z、T0或或已定已定) 时，时，H是是Q的单的单值函数，值函数，H=f(Q) 。当当D、L、Z、T0、K及所输油品物性已定时，摩阻及所输油品物性已定时，摩阻H不仅是输量不仅是输量Q的函数还是粘度的函数还是粘度的函数，而的函数，而又是温度的又是温度的函数，因此，对于热油管路，函数，因此，对于热油管路，H是是Q和和T的二元函数，的二元函数，即：即：H=f1(

3、Q,T)=f2(Q,TR)=f3(Q,TZ)对于热油管路：对于热油管路： 对于一条确定的热油管路，对于一条确定的热油管路，D、L、Z、T0、K一定，在一定，在某输量某输量Q下，当下，当TR已定时，由温降公式知，已定时，由温降公式知，TZ也就定了，也就定了，反之亦然，即反之亦然，即 TR 、TZ两个热力参数中只有一个是独立的，两个热力参数中只有一个是独立的，它们要受沿线温降规律的约束。设计时一般按维持它们要受沿线温降规律的约束。设计时一般按维持TZ不不变计算。运行时，往往是控制变计算。运行时，往往是控制TR，这样只需根据出站油，这样只需根据出站油温温TR来调节加热炉的点炉台数、火咀数、送风量及燃

4、料来调节加热炉的点炉台数、火咀数、送风量及燃料油量，控制方便。油量，控制方便。 2、热油管道的工作特性、热油管道的工作特性在讨论热油管道的工作特性时，只有规定管道的热力条在讨论热油管道的工作特性时，只有规定管道的热力条件才有意义，一般有两种情况：件才有意义，一般有两种情况： 维持出站油温维持出站油温TR 一定运行；一定运行； 维持进站油温维持进站油温TZ一定运行。一定运行。 下面分别讨论各种情况下的管路工作特性。下面分别讨论各种情况下的管路工作特性。 维持进站油温维持进站油温TZ一定运行的热油管路的工作特性一定运行的热油管路的工作特性 先来分析一下维持先来分析一下维持TZ一定时特性曲线的变化趋

5、势。一定时特性曲线的变化趋势。Q变化变化时，影响摩阻时，影响摩阻H的因素有两个方面：的因素有两个方面： （与与等等温温管管相相似似） HVQ HTTQpjpjR 总的趋势是总的趋势是QH，即即H=f(Q)是单调上升的曲线。是单调上升的曲线。与等温管相比，影响热油管工作特性曲线的因素除了管线与等温管相比，影响热油管工作特性曲线的因素除了管线参数和油品粘度以外，还有管线沿线的散热条件和油品的参数和油品粘度以外，还有管线沿线的散热条件和油品的粘温特性。当温降快、粘温曲线较陡时，管路特性曲线变粘温特性。当温降快、粘温曲线较陡时，管路特性曲线变化也较剧烈，故散热条件如化也较剧烈，故散热条件如T0、K及粘

6、温指数及粘温指数u等参数也会等参数也会影响热油管路的工作特性。影响热油管路的工作特性。 维持维持TZ一定时的管路特性曲线一定时的管路特性曲线如图所示。如图所示。TZ不同时，沿线油不同时，沿线油温分布不同，特性曲线亦不同。温分布不同，特性曲线亦不同。TZ高则沿线油温高，摩阻损失高则沿线油温高，摩阻损失小，故小，故HTz2-Q曲线总是在曲线总是在HTz1-Q曲线的下方。曲线的下方。 QHHTz1HTz2Tz2Tz1 维持出站油温维持出站油温TR一定运行的热油管路的工作特性一定运行的热油管路的工作特性 维持出站油温维持出站油温TR一定时，摩阻随输量的变化趋势与维持一定时，摩阻随输量的变化趋势与维持T

7、Z一定时有所不同，定性分析如下：一定时有所不同，定性分析如下： HVQ HTTQpjpjZ 两方面因素引起的摩阻变化趋势正相反。一般在实际运行两方面因素引起的摩阻变化趋势正相反。一般在实际运行的输量范围内，的输量范围内， QH的趋势是主要的。故随着的趋势是主要的。故随着Q增大增大 ，摩阻摩阻H是增大的，但是增大的，但H随随Q的变化要平缓些。的变化要平缓些。 维持维持TR一定时的管路特性曲线一定时的管路特性曲线如图所示。如图所示。TR不同时，沿线油不同时，沿线油温分布不同，特性曲线亦不同。温分布不同，特性曲线亦不同。TR高则沿线油温高，摩阻损失高则沿线油温高，摩阻损失小，故小，故HT R 1-Q

8、曲线总是在曲线总是在HTR2-Q曲线的上方。曲线的上方。 QHHTR1HTR2TR2TR1如果在某输量如果在某输量Q0下维持下维持TZ一定运行时的出站油温一定运行时的出站油温TR正好等于维持正好等于维持TR一定运行一定运行时的出站油温时的出站油温TR0 ，此时两，此时两者进站油温相同，均为者进站油温相同，均为TZ0，摩阻也相同，均为摩阻也相同，均为H0，则则随着随着Q的上升，维持的上升，维持TR一定一定时的管路特性曲线要比维持时的管路特性曲线要比维持TZ一定时的管路特性曲线平一定时的管路特性曲线平缓（为什么？），如图所示。缓（为什么？），如图所示。 QHO维持维持TZ一定一定H0Q0维持维持T

9、R一定一定这是因为，维持这是因为，维持TR不变时，出站油温始终为不变时，出站油温始终为TR0，Q增大，增大，沿程温降减小，终点油温将大于沿程温降减小，终点油温将大于TZ0；而维持而维持TZ不变时，不变时，终点油温始终为终点油温始终为TZ0，Q增大时增大时TR下降，下降，TRTR0。因此，。因此，维持维持TR不变时的全线平均油温将高于维持不变时的全线平均油温将高于维持TZ不变时的平不变时的平均油温，所以维持均油温，所以维持TR不变时的特性曲线要比维持不变时的特性曲线要比维持TZ不变不变时的特性曲线平缓。时的特性曲线平缓。3、热油管路工作特性的不稳定区、热油管路工作特性的不稳定区 前面讲过，维持前

10、面讲过，维持TR一定运行的热油管道，在正常运行的一定运行的热油管道，在正常运行的输量范围内，输量范围内，QH的趋势是主要的，但当的趋势是主要的，但当Q较小、输送较小、输送的油品粘度较大时，可能出现的油品粘度较大时，可能出现QH的反常现象，使热油的反常现象，使热油管道进入不稳定工作区。管道进入不稳定工作区。 理论分析：理论分析： 根据热油管路摩阻计算公式：根据热油管路摩阻计算公式： 000TTmuEiTTmuEiAhhZRRTR GCDLKALDQhRRRmmTmT ,51200当当D1、LR、T0、K一定时，式中的前一项一定时，式中的前一项hT0/AR 只是流量的只是流量的函数，且函数，且hT

11、0/ARQ3-m，即即hT0/AR随流量随流量Q的增大而增大。的增大而增大。 现在来看一下花括号中各项的值，现在来看一下花括号中各项的值，TR一定，一定，Ei-mu(TR-T0)不随不随Q而变；而变；QTZ，mu(TZ-T0)，Ei-mu(TZ-T0)，故花括故花括号中的值随号中的值随Q上升而下降，与上升而下降，与hT0/AR的变化趋势相反。因此的变化趋势相反。因此函数函数hR=f(Q)可能有极值点。另外，当可能有极值点。另外，当Q0时，时，hR=0，而当而当Q很大时，很大时，hRhTR，即，即hR将随将随Q的增大由的增大由0增大到极大值，增大到极大值，然后又随然后又随Q的增大而减小。但的增大

12、而减小。但hTRQ2-m，故，故hR减少到一定值减少到一定值后又必然随后又必然随Q的增大而增大，即存在一个极小点，也就是说的增大而增大，即存在一个极小点，也就是说hR=f(Q)曲线可能存在两个极值点。曲线可能存在两个极值点。 热油管道的不同流量区热油管道的不同流量区 维持维持TR一定运行的热油管道的工作特性一定运行的热油管道的工作特性按流量可以分为三个区，如图所示。按流量可以分为三个区，如图所示。HQIIIITZQT 0区区小流量区小流量区 在这个区，流量很小，温降很快。在在这个区，流量很小，温降很快。在很长一段距离内，油温接近环境温度很长一段距离内，油温接近环境温度 T0 ，TTZT0 。随

13、随 Q 增大增大 , TZ 变化不变化不大，粘度变化很小，大，粘度变化很小，H=f(Q) , 但该区但该区粘度较大，因而随着粘度较大，因而随着Q的增大的增大, 摩阻摩阻H急剧增大。在这一区工作很不经济，急剧增大。在这一区工作很不经济，所以热油管路不能在该区工作。所以热油管路不能在该区工作。 HQIIIITZQT 0区区中等流量区中等流量区 一 方 面一 方 面 Q V H ， 另 一 方 面 ，另 一 方 面 ，QTZ,Tpj(显著增大显著增大)，且在该温度，且在该温度区内粘度随温度的变化较剧烈，区内粘度随温度的变化较剧烈，Tpj的的显著上升将引起粘度显著上升将引起粘度的显著下降的显著下降，使

14、摩阻使摩阻H。故可能出现随着流量的增故可能出现随着流量的增大，摩阻反而下降的现象。大，摩阻反而下降的现象。区称为区称为不稳定区，当热油管道在该区内运行不稳定区，当热油管道在该区内运行时，常可能由于某些外界因素的影响，时，常可能由于某些外界因素的影响，而使工作点发生变化，进入而使工作点发生变化，进入区。热区。热油管道在该区运行既不经济又不安全。油管道在该区运行既不经济又不安全。 区区大流量区大流量区 一方面随着一方面随着Q的增大，流速增大而的增大，流速增大而使摩阻增大；另一方面，随着使摩阻增大；另一方面，随着Q的的增大增大TZ升高，但变化不大，粘度升高，但变化不大，粘度下降不多。粘度的下降引起的

15、摩下降不多。粘度的下降引起的摩阻下降小于阻下降小于Q的上升引起的摩阻升的上升引起的摩阻升高。结果表现为高。结果表现为 QH，该区是热该区是热油管道的正常工作区。热油管道油管道的正常工作区。热油管道应在应在区运行，避免进入区运行，避免进入、区。区。 HQIIIITZQT 0右图是一条管内径右图是一条管内径259mm，长长20.5km，输送重油的热油输送重油的热油管道，在管道，在 TR=50，T0=0时时的特性曲线，流态为层流。的特性曲线，流态为层流。图中给出了不同粘温指数下图中给出了不同粘温指数下的特性曲线。由图知，当粘的特性曲线。由图知，当粘温指数温指数u减小时，不稳定区缩减小时，不稳定区缩小

16、，当小，当u20时，曲线才会出现极值时，曲线才会出现极值点。若取点。若取u=0.1(一般油品的一般油品的u值都小于值都小于0.1)，则只有当，则只有当TR-T0200时时才会出现不稳定区，这在实际中是碰不到的。所以说在紊流情况下，才会出现不稳定区，这在实际中是碰不到的。所以说在紊流情况下，不会出现不稳定区。不会出现不稳定区。 在在层流层流情况下，情况下，m=1，出现极值点或不稳定区的条件是出现极值点或不稳定区的条件是u(TR-T0)3，若取若取u=0.05，则则TR-T060时就会出现不稳定区。若取时就会出现不稳定区。若取u=0.1，则则TR-T030时就会出现不稳定区，这在实际中是经常可以遇

17、到的。时就会出现不稳定区，这在实际中是经常可以遇到的。 维持出站油温维持出站油温TR不变运行，粘温指数不变运行，粘温指数u为常为常数，层流数，层流 (m = 1 )， u ( TR - T0 ) 3出现不稳定区的条件出现不稳定区的条件输送重油的管道，输送重油的管道，u值较大，值较大，TR较高，且一般在层流区运较高，且一般在层流区运行，极易满足上述条件，很容易出现不稳定区。行，极易满足上述条件，很容易出现不稳定区。 一旦发现管线进入不稳定区，要尽量使其回到稳定区一旦发现管线进入不稳定区，要尽量使其回到稳定区(大大流量区流量区)，可采取的，可采取的措施有：措施有： 1、在管线允许和可能的情况下，尽

18、量提高出站油温。、在管线允许和可能的情况下，尽量提高出站油温。 2、开启备用泵或未开的泵站，尽快提高输量。、开启备用泵或未开的泵站，尽快提高输量。 3、在上述两种措施都不行的情况下，输入轻质油品、在上述两种措施都不行的情况下，输入轻质油品(或或热水热水)，用轻油，用轻油(或热水或热水)将重油从管道中置换出来。将重油从管道中置换出来。 上面讨论的热油管路的工作特性没有考虑管内壁结蜡的上面讨论的热油管路的工作特性没有考虑管内壁结蜡的影响，也未考虑含蜡原油在油温高于凝点影响，也未考虑含蜡原油在油温高于凝点5左右时已左右时已具有非牛顿流体性质的影响，在热油管道的实际运行中，具有非牛顿流体性质的影响，在

19、热油管道的实际运行中，当流动处于层流状态时，加上这两方面的影响，使热输当流动处于层流状态时，加上这两方面的影响，使热输含蜡原油管道出现不稳定区的情况要多些，并可能导致含蜡原油管道出现不稳定区的情况要多些，并可能导致管道的停流、初凝事故。另外，管道进入不稳定区后，管道的停流、初凝事故。另外，管道进入不稳定区后，并不会马上出现停流凝管事故，只要及时采取措施就可并不会马上出现停流凝管事故，只要及时采取措施就可以避免凝管事故的发生。以避免凝管事故的发生。 思考题思考题维持维持TZ一定运行的管道会出现不稳定区吗？一定运行的管道会出现不稳定区吗？为什么？为什么？ 二、影响热油管道温降的因素二、影响热油管道

20、温降的因素土壤温度场、土壤湿度、大气温度以及管道运行参数的变化，土壤温度场、土壤湿度、大气温度以及管道运行参数的变化，均会影响热油管道的散热情况。均会影响热油管道的散热情况。土壤的自然温度场随气温的变化以年为周期作周期性变化，土壤的自然温度场随气温的变化以年为周期作周期性变化，冬季地温低，管道散热量大，温降快，夏季地温高，管道散冬季地温低，管道散热量大，温降快，夏季地温高，管道散热量小，温降慢。一年四季不同深度处土壤的自然地温可用热量小，温降慢。一年四季不同深度处土壤的自然地温可用下式计算：下式计算： 000max2cosexpayayTTTTaaay5 . 020202221 aatt 02

21、111atgt式中：式中：Ta：年平均气温，年平均气温， Ta=0.5(Tamax+Tamin)；Tamax：年最高日平均气温，：年最高日平均气温，； Tamin：年最低日平均气温，：年最低日平均气温，； ：从日平均气温最高日开始计算的时间，从日平均气温最高日开始计算的时间，s； 0：大气温度年波动周期，：大气温度年波动周期，0 =365.25天天=3.1558107s； y：从地表垂直向下的深度，从地表垂直向下的深度，m。 若取若取y=0，=1，=0，则得到大气温度随时间的变化规律：，则得到大气温度随时间的变化规律： 0maxa2cos aaaTTTT-15-10-5051015202530

22、351月1日1月15日1月29日2月12日2月26日3月11日3月25日4月8日4月22日5月6日5月20日6月3日6月17日7月1日7月15日7月29日8月12日8月26日9月9日9月23日10月7日10月21日11月4日11月18日12月2日12月16日12月30日日期日平均气温，濮阳地区日平均气温实测与计算结果比较濮阳地区日平均气温实测与计算结果比较 计算值计算值实测值实测值20cm地温051015202530351月1日1月15日1月29日2月12日2月26日3月11日3月25日4月8日4月22日5月6日5月20日6月3日6月17日7月1日7月15日7月29日8月12日8月26日9月9

23、日9月23日10月7日10月21日11月4日11月18日12月2日12月16日12月30日日期地温，濮阳地区濮阳地区20cm处实测地温与计算结果比较处实测地温与计算结果比较计算值计算值实测值实测值05101520251月1日2月1日3月1日4月1日5月1日6月1日7月1日8月1日9月1日10月1日11月1日12月1日日期地温，濮阳地区濮阳地区120cm处实测地温与计算结果比较处实测地温与计算结果比较计算值计算值实测值实测值当提高加热站出站油温后，管道散热量增大，在建立新的温当提高加热站出站油温后，管道散热量增大，在建立新的温度场过程中，各点的土壤温度都要相应升高，即需要向土壤度场过程中，各点的

24、土壤温度都要相应升高，即需要向土壤中蓄入一定的热量。故管道在新的温差情况下所散出的热量，中蓄入一定的热量。故管道在新的温差情况下所散出的热量，除了原来的散热损失外，还要用于周围土壤的蓄热，即其热除了原来的散热损失外，还要用于周围土壤的蓄热，即其热损失增大，在一段时间内，表现为损失增大，在一段时间内，表现为K值的增大。值的增大。同样，加热站的出站温度下降时，由于在重建温度场的过程同样，加热站的出站温度下降时，由于在重建温度场的过程中，管周围的土壤放出一部分蓄积的热量，将使管道的热损中，管周围的土壤放出一部分蓄积的热量，将使管道的热损失减少，在一段时间内，表现为失减少，在一段时间内，表现为K值的下降。值的下降。若正直雨季或地下水位较高时，土壤湿度变大，使土壤导热若正直雨季或地下水位较高时