管道總傳熱系數(shù)計算

1、1管道總傳熱系數(shù)管道總傳熱系數(shù)是熱油管道設(shè)計和運行管理中的重要參數(shù)。在熱油管道穩(wěn)態(tài)運行方案的工藝計算中，溫降和壓降的計算至關(guān)重要，而管道總傳熱系數(shù)是影響溫降計算的關(guān)鍵因素，同時它也通過溫降影響壓降的計算結(jié)果。1.1 利用管道周圍埋設(shè)介質(zhì)熱物性計算K值管道總傳熱系數(shù)K指油流與周圍介質(zhì)溫差為1時，單位時間內(nèi)通過管道單位傳熱表面所傳遞的熱量，它表示油流至周圍介質(zhì)散熱的強弱。當(dāng)考慮結(jié)蠟層的熱阻對管道散熱的影響時，根據(jù)熱量平衡方程可得如下計算表達(dá)式： （1-1）式中：總傳熱系數(shù)，W/(m2·)；計算直徑，m；（對于保溫管路取保溫層內(nèi)外徑的平均值，對于無保溫埋地管路可取瀝青層外徑）；管道內(nèi)直徑，

2、m；管道最外層直徑，m； 油流與管內(nèi)壁放熱系數(shù)，W/(m2·)； 管外壁與周圍介質(zhì)的放熱系數(shù)，W/(m2·)； 第層相應(yīng)的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·)； ，管道第層的內(nèi)外直徑，m，其中；結(jié)蠟后的管內(nèi)徑，m。為計算總傳熱系數(shù)，需分別計算內(nèi)部放熱系數(shù)、自管壁至管道最外徑的導(dǎo)熱熱阻、管道外壁或最大外圍至周圍環(huán)境的放熱系數(shù)。（1）內(nèi)部放熱系數(shù)的確定放熱強度決定于原油的物理性質(zhì)及流動狀態(tài)，可用與放熱準(zhǔn)數(shù)、自然對流準(zhǔn)數(shù)和流體物理性質(zhì)準(zhǔn)數(shù)間的數(shù)學(xué)關(guān)系式來表示47。在層流狀態(tài)（Re<2000），當(dāng)時： （1-2）在層流狀態(tài)（Re<2000），當(dāng)時： （1-3）在激烈的紊流狀

3、態(tài)（Re>104），Pr<2500時： （1-4）在過渡區(qū)(2000<Re<104) （1-5） 式中：放熱準(zhǔn)數(shù)，無因次；流體物理性質(zhì)準(zhǔn)數(shù)，無因次；自然對流準(zhǔn)數(shù)，無因次；雷諾數(shù)；系數(shù)；管道內(nèi)徑，m；重力加速度，9.81m/s2；定性溫度下的流體運動粘度，m2/s；定性溫度下的流體比熱容，J/(kg·K)；流體體積流量，m3/s；定性溫度下的流體密度，kg/m3；定性溫度下的流體體積膨脹系數(shù)，可查得，亦可按下式計算： （1-6）定性溫度下的流體導(dǎo)熱系數(shù)，原油的導(dǎo)熱系數(shù)約在0.10.16 W/(m·K)間，隨溫度變化的關(guān)系可用下式表示： （1-7）l5時

4、的原油密度，kg/m3；油(液)的平均溫度，；管內(nèi)壁平均溫度，；20時原油的相對密度。注：上面各式中，參數(shù)角標(biāo)f表示以管內(nèi)油(液)的平均溫度為定性溫度；角標(biāo)b表示以管壁溫度為定性溫度。（2）各處管壁導(dǎo)熱的熱阻這部分熱阻包括鋼管、防腐層和保溫層的熱阻。鋼管的導(dǎo)熱系數(shù)約為45 W/(m·)，其熱阻可忽略不計；煤焦油瓷漆防腐層導(dǎo)熱系數(shù)約為1.1 W/(m·) ，黃夾克保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)約為0.04 W/(m·)。對于壁厚、外包厚煤焦油瓷漆防腐層的非保溫?zé)嵊凸艿溃摴芗胺栏瘜訉倐鳠嵯禂?shù)的影響很小。如忽略內(nèi)外徑的差值，則總傳熱系數(shù)可近似按下式計算： （1-8）其中：對于保

5、溫管道，保溫層的熱阻起決定影響。故對于壁厚、外包厚保溫材料的保溫?zé)嵊凸艿溃?（1-9） (3) 外部放熱系數(shù)的確定在原油長輸管道內(nèi)，液體的流動狀態(tài)絕大部分是紊流狀態(tài)，出現(xiàn)層流狀態(tài)極少。因此，在熱力計算中，確定值將主要使用公式(1-1)。在公式(1-1)中關(guān)鍵的參數(shù)是與管道周圍許多因素有關(guān)的，對于埋地敷設(shè)管道：當(dāng)管道的埋設(shè)深度(管中心至地表面)小于2m時，采用下面的公式計算： （1-10） （1-11） （1-12） （1-13）式中：土壤的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·)；與土壤接觸的管道外直徑，m；土壤至地表空氣間的放熱系數(shù)，W/(m2·)；管道埋深(管中心至地表面)，m。該放熱系

6、數(shù)包括對流放熱系數(shù)和輻射放熱系數(shù)兩部分。和分別用下式確定： （1-14） （1-15）式中：地表面的平均風(fēng)速，m/s； 土壤表面折算黑度；輻射系數(shù)，可取5.7 W/(m2·h4)；土壤表面溫度，取當(dāng)?shù)匾荒曛性缕骄淖畹偷孛鏈囟龋?；空氣溫度，取?dāng)?shù)匾荒曛性缕骄淖畹涂諝鉁囟?，。?dāng)管道理設(shè)深度大于2m時，可采用下面的公式計算： （1-16）式中符號的意義同前。從上述的公式中可以看出，確定出土壤導(dǎo)熱系數(shù)是計算埋地管道的關(guān)鍵。土壤的導(dǎo)熱系數(shù)與組成土壤固體物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)、土壤中固體物質(zhì)顆粒大小的分布、土壤含水率、土壤狀態(tài)等許多因素有關(guān)。用理論計算很難得到準(zhǔn)確值，因此推薦采用理論計算與參考類似管

7、道實測值相結(jié)合的方法。（4）結(jié)蠟層厚度計算 在計入原油蠟結(jié)晶析出的潛熱后，長為的微元管道上，熱油管道的熱量平衡關(guān)系式（1-1）可簡化為48： （1-19） 其中： （1-20） （1-21） 如取溫降為1時，從單位質(zhì)量的原油中析出并沉積到管表面的凝油質(zhì)量為，則在時間內(nèi)在軸向溫降為的段上沉積的量為： （1-22）因而使內(nèi)徑縮小了，則： （1-23）將式（1-23）代入式（1-22）得： （1-24） （1-25）將式（1-25）代入式（1-24）得： （1-26）積分后可得： （1-27）對于距泵站出口米處的管路而言，其清管后的運行時間可由下式計算： 其中，則。 聯(lián)解式（1-24）與式（1-27

8、），可求出線路上熱泵站出口m處，經(jīng)清管后運行小時的結(jié)蠟層內(nèi)徑，從而求解出結(jié)蠟厚度。式中：，分別為油溫的函數(shù)，其規(guī)律可通過試驗求得； 結(jié)蠟后的管道內(nèi)徑，m； 結(jié)蠟層的導(dǎo)熱系數(shù)，W/( m·)； 從下一站收到清管器開始計算的時間，s； 運行小時后的結(jié)蠟層內(nèi)徑，m； 運行小時后的結(jié)蠟厚度，m；為站間距離，m； 管內(nèi)流速，m/s； 蠟的結(jié)晶潛熱，kJ/kg。1.2 總傳熱系數(shù)的反算法熱油管道穩(wěn)態(tài)運行時，根據(jù)各已知的運行參數(shù)，利用蘇霍夫公式反算出埋地管道總傳熱系數(shù)，根據(jù)油氣集輸設(shè)計規(guī)范的規(guī)定，當(dāng)管道長度km且管徑D300mm時，輸油管道的熱力計算應(yīng)考慮管道水力摩擦生熱的影響，即按列賓宗公式進(jìn)行

9、熱力計算： （1-28） （1-29）式中： 管外環(huán)境溫度，(取管道中心埋深處地溫）；管道起點油溫，；終點油品溫度，； 管道長度，m； 管道外徑，m；管道至周圍介質(zhì)的總傳熱系數(shù)，W/(m2·)； 熱功當(dāng)量，=102（kg·m）/kJ； 原油質(zhì)量流量，kg/h； 原油比熱容，kJ/(kg·)； 由于油流在管道內(nèi)摩擦功轉(zhuǎn)化為熱量； 管道水力坡降值，m/m。為了更好地反映熱油管道在一段時間內(nèi)的實際傳熱狀況，可采用最小二乘法來推算總傳熱系數(shù)K。設(shè)在某一運行期內(nèi)，某站間管段的組運行參數(shù)記錄值為，根據(jù)最小二乘法原理可構(gòu)造一個關(guān)于變量K的無約束優(yōu)化問題。 因為最小二乘法能充分利

10、用管道的實際運行參數(shù)，在一定程度上可以消除各種隨機因素的影響，反算出的K值比較真實可靠。采用最小二乘法擬合K值的基本原理是：求得一個合適的K值，使得按此K值計算的進(jìn)站溫度與相應(yīng)的實際記錄值的偏差平方和最小。1.2.1總傳熱系數(shù)因素分析及結(jié)蠟對管道溫降和摩阻的影響總傳熱系數(shù)影響因數(shù)分析：從管道總傳熱系數(shù)的定義來看,影響總傳熱系數(shù)的根本因素是管道結(jié)構(gòu)、管道埋深和管道周圍土壤的性質(zhì);從總傳熱系數(shù)的確定方法-運行參數(shù)反算法來看,管道運行的穩(wěn)定性和運行參數(shù)的測定精度是影響總傳熱系數(shù)測試結(jié)果的主要因素。1管道埋深的影響:根據(jù)埋地總傳熱系數(shù)計算公式,管道埋深越深,管道的散熱熱阻越大,總傳熱系數(shù)越小。2土壤性

11、質(zhì)的影響:土壤物性參數(shù)中對總傳熱系數(shù)影響最大的是土壤導(dǎo)熱系數(shù)，土壤導(dǎo)熱系數(shù)系數(shù)越大,管道總傳熱系數(shù)就越大。而土壤的導(dǎo)熱系數(shù)主要受土壤含水量的影響,土壤含水量越高,土壤的導(dǎo)熱系數(shù)越大,管線的總傳熱系數(shù)也就越大。3 管道運行工況穩(wěn)定性的影響:由于軸向溫降公式的前提是穩(wěn)定運行工況,因而管道運行工況的穩(wěn)定性對總傳熱系數(shù)測試結(jié)果有重大的影響,運行工況不穩(wěn)定可能會導(dǎo)致極不合理的總傳熱系數(shù)測試結(jié)果。因此,在反算總傳熱系數(shù)時,應(yīng)當(dāng)選取管線穩(wěn)定運行期間的運行參數(shù)。4 站間溫降的影響:站間溫降越小,抵抗運行參數(shù)波動和測量誤差的能力越差,總傳熱系數(shù)計算結(jié)果的誤差就越大。運行參數(shù)測量精度的影響:由計算公式可知,影響總

12、傳熱系數(shù)計算結(jié)果的運行參數(shù)包括輸量、進(jìn)出站壓力和進(jìn)出站溫度,其中影響最大、測量精度最難保證的是進(jìn)出站溫度。目前大多數(shù)油田的輸油管道仍然采用套管中插玻璃溫度計的方法測量進(jìn)出站溫度,由于套管熱阻、溫度計本身誤差和讀數(shù)誤差等原因,測量結(jié)果很難反映管道中的實際油溫,誤差常在1以上,當(dāng)站間溫降較小時,會給總傳熱系數(shù)測試結(jié)果帶來巨大誤差。5地溫參數(shù)測量精度的影響:輸油管道中心埋深處的自然地溫是影響總傳熱系數(shù)測試結(jié)果的重要因素。為了保證測量精度,必須選擇合適的測溫地點和測溫儀表。在某些管道上,目前測量地溫的方法仍然是套管中懸掛玻璃地溫計的方法,由于地溫計不直接與土壤接觸,且讀數(shù)時常常需要將地溫計向上提升一段

13、距離,測量結(jié)果與實際地溫有時偏差相當(dāng)大,建議采用與土壤直接接觸的測量方法(如在地下預(yù)埋測溫探頭方法或探針法)。無條件時,可采用氣象臺的地溫測量結(jié)果。(1) 管內(nèi)壁結(jié)蠟對管道溫降和摩阻的影響管壁結(jié)蠟對軸向溫降的影響:管內(nèi)壁結(jié)蠟后,由于結(jié)蠟層的導(dǎo)熱系數(shù)較小,一般為0.15 W/(m2·),其作用相當(dāng)于增加了一層熱阻。由于結(jié)蠟層熱阻的存在,使總傳熱系數(shù)值減小,溫度分布曲線變平,管線的散熱量減小。當(dāng)出站油溫和輸量不變時,下游站的進(jìn)站油溫將提高。管壁結(jié)蠟對摩阻的影響:管壁結(jié)蠟對摩阻的影響表現(xiàn)為兩個方面：一方面由于內(nèi)壁結(jié)蠟,使流通面積減小,內(nèi)徑由原來的D0減小為D0-2DdL,當(dāng)輸量不變時,管道摩阻升高；另一