架空熱油管道保溫層厚度計(jì)算

于麗麗，王為民，張純靜，杜義朋，常艷兵

（遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001）

架空熱油管道保溫層厚度計(jì)算

于麗麗，王為民，張純靜，杜義朋，常艷兵

（遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001）

建立了管道保溫計(jì)算的數(shù)學(xué)模型，通過具體實(shí)例，用計(jì)算機(jī)編程得出大量數(shù)據(jù)，通過origin8.0軟件繪出保溫層厚度分別與保溫效率、管道總傳熱系數(shù)、保溫層表面溫度和沿程溫降的關(guān)系圖，不僅直觀地體現(xiàn)了保溫層厚度對管道傳熱的影響以及變化趨勢，還可以從圖中查出任意厚度下的保溫情況，為求解熱油管道保溫層厚度提供一種新方法。

熱油管道；保溫層；保溫效率

當(dāng)輸送凝點(diǎn)高于環(huán)境溫度的易凝高粘油品時(shí)，工程上最常用的方法是加熱降粘輸送，為了減少熱油管道的熱損失，維持油溫在凝點(diǎn)以上，對管路適當(dāng)保溫是相當(dāng)必要的。目前工程上所用的經(jīng)濟(jì)保溫厚度的計(jì)算存在不足，只考慮了滿足經(jīng)濟(jì)上的條件，但不一定滿足溫降條件，也不能反應(yīng)保溫效率，本文通過曲線圖直觀地分析保溫效率與保溫層厚度的關(guān)系，可以根據(jù)不同輸送要求從圖中選擇合理的保溫層厚度，如果經(jīng)濟(jì)厚度在此范圍內(nèi)，就以經(jīng)濟(jì)厚度為標(biāo)準(zhǔn)。

1 數(shù)學(xué)模型的建立

1.1 保溫效率

1.2 管道傳熱系數(shù)的求解

管道架空總傳熱系數(shù)的影響因素有很多，如管內(nèi)外溫差，管徑，架空高度，保溫層的厚度、導(dǎo)熱系數(shù)、接口縫隙大小、含濕率等，其中保溫層厚度是最主要的影響因素。這里只考慮理論計(jì)算的影響，紊流情況下內(nèi)部放熱系數(shù)通常大于100 W /(m2?℃) ，是層流內(nèi)的數(shù)十倍，層流時(shí)a1必須計(jì)入；鋼管壁的導(dǎo)熱系數(shù)是保

h=(q-qb)q= (kwD-kbDb) (kwD)（1）式中：q、D、kw—無保溫層單位管長的散熱量，W/m；管外徑，m；總傳熱系數(shù)， W /(m2?℃);

qb、Db、kb有保溫層單位管長的散熱量，W/m；管外徑，m；及其總傳熱系數(shù) W /(m2?℃)。溫層的導(dǎo)熱系數(shù)近1 000倍，熱阻較小，可以忽略不計(jì)；凝油與結(jié)蠟層的導(dǎo)熱系數(shù)比較小，它們對熱阻的影響較大，管道結(jié)蠟有利于保溫；外部放熱包括對流和輻射，主要與環(huán)境溫度、風(fēng)速有關(guān)，保溫層外有保護(hù)層，保護(hù)層應(yīng)由不同材料保溫層而定。

表1 架空熱油管路總傳熱系數(shù)參數(shù)求解表Table 1 Analytical formulas of parameters of the total heat transfer coefficient of overhead hot oil pipeline

公式（2）適用于穩(wěn)定傳熱條件，沿程管道的傳熱系數(shù)是隨時(shí)間和管長變化的，工程上通常采用反算法計(jì)算同類地區(qū)已正常運(yùn)行的熱油管道的k值，在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，通常參照穩(wěn)定條件下的k值，再適當(dāng)加大作為新設(shè)計(jì)管道的總傳熱系數(shù)。

1.3 最經(jīng)濟(jì)保溫層厚度

綜合考慮保溫投資費(fèi)用和每年管路的熱能消耗費(fèi)用，使總費(fèi)用最小，公式[3]如下：

2 約束條件

2.1 保溫層表面溫度

工程上，管內(nèi)輸送流體溫度很高時(shí)，為了減少熱損失和保證工作人員安全，限定保溫層表面厚度一般不應(yīng)超過50 ℃[4]，根據(jù)管道各層散熱量守恒得出如式（4）。

式中：tm指保溫層表面溫度,℃。

2.2 沿程溫降

沿程溫降不能低于油品最低輸送溫度要求，溫降公式[1]如式（5）。

3 計(jì)算機(jī)編程求解及繪圖

利用數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)程序代碼，基本設(shè)計(jì)方法如下，程序1：(1) 輸入基本參數(shù)及基本函數(shù)，先設(shè)保溫層厚度為 0 mm；(2)求解各項(xiàng)熱阻；(3)求解總傳熱系數(shù)；(4)校核鋼管壁溫；(5)輸出總傳熱系數(shù)，保溫效率，保溫層壁面溫度，經(jīng)濟(jì)保溫厚度；(6)保溫層厚度增加 1 mm，回到第(2)步，當(dāng)保溫效率達(dá)到95%時(shí)停止循環(huán)。程序 2：輸入基本參數(shù)和基本函數(shù)，計(jì)算水力坡降[5]，用程序 1計(jì)算總傳熱系數(shù)的結(jié)果帶入公式（5）中，使用循環(huán)語句計(jì)算每增加1 km管路不同保溫效率的溫降，輸出數(shù)據(jù)。對上述數(shù)據(jù)保留三位小數(shù)，用origin8.0繪出曲線。

4 計(jì)算及分析

算例：某條管道輸送某種原油，管徑為 D720×15，輸量2×107t/a，50 ℃油品運(yùn)動(dòng)粘度80 m2/s，20 ℃密度870 k g/m3，起點(diǎn)油溫65 ℃，油品凝點(diǎn)為30 ℃，比熱容為2 k J/(kg? ℃ ) ，70 km管長，環(huán)境溫度為12 ℃，風(fēng)速取3 m/s，無凝油和結(jié)蠟，瀝青涂層厚度6 mm，瀝青導(dǎo)熱系數(shù)取0.15 W /(m ?℃ ) ，鋼管導(dǎo)熱系數(shù)48 W /(m ?℃ ) ，管道年運(yùn)行時(shí)間8 000 h，計(jì)息年數(shù)10 a，保溫層材料（聚氨酯硬質(zhì)泡沫塑料導(dǎo)熱系數(shù) 取0.026 W /(m ?℃ ) ）單價(jià)1 600 元 /m3，熱能價(jià)格29元/1 06kJ，設(shè)沿程水力坡降（經(jīng)編程計(jì)算得i=0.004 37）、總傳熱系數(shù)為定值。計(jì)算經(jīng)濟(jì)保溫層厚度及其對應(yīng)的傳熱系數(shù)、保溫效率和沿程溫降。

圖 1反應(yīng)的是聚氨酯硬質(zhì)泡沫塑料的傳熱系數(shù)、保溫效率、保溫層便面溫度分別與保溫層厚度的關(guān)系，曲線嚴(yán)格按每1 mm取計(jì)算一次的所得的數(shù)據(jù)繪制而來，為了保證精度，計(jì)算數(shù)據(jù)保留了三位有效數(shù)字。圖中管道總傳熱系數(shù)（A）可取到 2位小數(shù)，保溫效率（B）和保溫層表面溫度（C）讀取到1位小數(shù)。圖2分析了聚氨酯硬質(zhì)泡沫塑料不同保溫效率下管道的沿程溫降，效率越高，溫降越小，由于曲線密集，沒有列出所有保溫效率的曲線，可以采用差值求出，保留1位小數(shù)。

圖1聚氨酯硬質(zhì)泡沫塑料的溫效圖Fig. 1 Insulating efficiency of polyurethane rigid foam

圖2 聚氨酯硬質(zhì)泡沫塑料沿程溫降與保溫效率的關(guān)系Fig.2 Relationship between temperature decrease along the pipeline and insulating efficiency of polyurethane rigid foam

當(dāng)保溫效率達(dá)到 80%時(shí)所對應(yīng)的保溫層厚度24 mm，傳熱系數(shù)為1.81 W /(m2?℃) ，保溫層表面溫度為19.5 ℃。終點(diǎn)油溫56.1 ℃，亦滿足輸送要求。經(jīng)濟(jì)保溫層厚度在保證運(yùn)輸?shù)臈l件下，考慮了保溫層費(fèi)用和熱能費(fèi)用的關(guān)系，但這種方法只考慮了經(jīng)濟(jì)費(fèi)用，不一定都滿足溫降要求，為了解決這一問題，保溫效率圖還應(yīng)該參照溫降曲線圖。圖2中，無保溫層的管道溫降很快，70 km的管程終點(diǎn)溫度（查圖得29.2 ℃）低于油品凝點(diǎn)，管路必須保溫，保溫材料的保溫效果顯而易見。對于具體問題可以在滿足輸送要求的基礎(chǔ)上適當(dāng)選擇保溫效率，從而確定保溫層的厚度，然后考慮經(jīng)濟(jì)厚度，本算例推薦使用經(jīng)濟(jì)保溫層厚度。

圖3比較了幾種材料的保溫效率：聚氨酯硬質(zhì)泡沫塑料取0.026 W/(m ?℃ )；玻璃棉氈取0.041 W /(m? ℃ ) ；礦渣棉氈取 0.060 W /(m ?℃ )；石棉硅藻土取 0.081 W /(m? ℃ ) ；水泥泡沫混凝土l5取 0.100 W/(m? ℃ ) 。 保 溫 層 導(dǎo) 熱 系 數(shù) 減 少0.02 W /(m ?℃ ) ，60 mm經(jīng)濟(jì)厚度下保溫效率提高約4%，隨著保溫層厚度的增加，保溫效率隨之增加，保溫效率在80%左右，增加趨勢明顯減緩，不同的材料應(yīng)選擇相應(yīng)的最佳保溫效率，如果效率過低即使達(dá)到了保溫效果，也沒有充分發(fā)揮出材料的性能，效率過高，會浪費(fèi)保溫材料。

圖3 幾種材料的保溫層厚度與保溫效率的關(guān)系Fig.3 Relationship between insulating layer thickness and insulating efficiency for some kinds of material

［1］楊筱蘅.輸油管道設(shè)計(jì)與管理[M].東營：中國石油大學(xué)出版社,2006：33-97.

［2］楊世銘，陶文栓.傳熱學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1998：424.

［3］郭光臣，董文蘭，張志廉.油庫設(shè)計(jì)與管理[M]. 東營：中國石油大學(xué)出版社, 1994：214-220.

［4］國家標(biāo)準(zhǔn)局.GB-8175-2008 設(shè)備及管道絕熱設(shè)計(jì)導(dǎo)則[S]. 2008-6.

［5］馬貴陽.工程流體力學(xué)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2009：140-145.

Calculation of Thermal Insulating Layer Thickness of Overhead Hot Oil Pipelines

YU Li-li,WANG Wei-min,ZHANG Chun-jing,DU Yi-peng,CHANG Yan-bing
（Academy of Petrol and Natural Gas Engineering,Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China）

The mathematical model of thermal insulating calculation of pipelines was established. Through a certain example, large amounts of data were achieved by the computer programming. It was drawn that the relational graph of insulating layer thickness respectively with the insulation efficiency, the total heat transfer coefficient of the pipeline,surface temperature of thermal insulation layer by origin8.0 software, and the relational graph between different insulation efficiency and temperature decrease along the pipeline was also drawn. These graphs not only can show effect of insulating layer thickness on heat transfer coefficient of the pipeline as well as change trend, but also can trace heat preservation condition under different insulating layer thicknesses, which may provide a new method to calculate the insulation layer thickness of hot oil pipelines.

Hot oil pipeline；Thermal insulating layer；Insulating efficiency

TQ 015

A

1671-0460（2012）01-0103-03

2011-00-00

于麗麗（1987-），女，黑龍江綏化人，在讀研究生，2010年畢業(yè)于東北石油大學(xué)油氣儲運(yùn)專業(yè)，研究方向：油氣儲運(yùn)。E-mail：yulili95@163.com。