電伴熱原油集輸管道保溫層厚度優(yōu)化分析

于淳光，魏紫暄

(1.中油工程項目管理公司天津設(shè)計院,天津 300457; 2.天津麥克企業(yè)管理服務(wù)有限公司,天津 300457;3.中國石油大港油田分公司,天津 300457)

隨著工業(yè)生產(chǎn)水平的快速增長和人們生活水平的不斷提升，石油已經(jīng)成為我國一種不可或缺的重要能源，但在能源消費迅猛增長的21世紀(jì)，我國的石油管道輸送過程中所消耗的能量約占總能耗的1%～3%，能耗費用相當(dāng)龐大。所以采取科學(xué)的方法提高能源的綜合利用率、對熱油管道的設(shè)計和運行進(jìn)行全面優(yōu)化已成為我國經(jīng)濟發(fā)展需要研究的重要課題。

一般油田輸油管道鋪設(shè)的主要措施是埋地鋪設(shè)，為了減小埋地管道的散熱損失，保證管道的安全輸送，需要對油田埋地管道進(jìn)行保溫設(shè)計[1]。其中保溫層的保溫效果與保溫層厚度有直接關(guān)系。如果保溫層設(shè)計的太薄，會造成散熱損失嚴(yán)重的問題，而保溫層設(shè)計的過厚，會導(dǎo)致保溫層部分投資過大。因此，保溫層厚度的優(yōu)化是輸油管道系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容的關(guān)鍵之一[2]。在電伴熱管道運行過程中，通常通過加熱器，電伴熱帶等設(shè)備來滿足原油輸送的邊界條件以及補充輸送過程中沿程的散熱損失[3]。而保溫層厚度的優(yōu)選可以實現(xiàn)降低管線沿程熱量損失，同時節(jié)約電熱裝置所消耗的電力資源的目的，因此，確定保溫層經(jīng)濟厚度對實現(xiàn)管道系統(tǒng)節(jié)能降耗起到關(guān)鍵的作用[4]。

對管道保溫層的性價比應(yīng)與價值工程中“價值”的含義相類似，本質(zhì)是一致的[5]。本文基于此理論，以大慶某集輸系統(tǒng)進(jìn)行計算分析，確定生產(chǎn)運行時不同管徑條件下最優(yōu)保溫層厚度，為管道系統(tǒng)的節(jié)能改造提供了科學(xué)、有效的方法和依據(jù)。[6]

1 管網(wǎng)基本參數(shù)

以大慶某廠為例進(jìn)行模型建立，該廠采用一級布站的電加熱集輸流程，加熱流程為點升溫、線保溫方式。該流程是在每口油井井場或每座叢式井平臺井場設(shè)置電加熱器，將油井氣液混合物由井口出油溫度加熱升至可集輸溫度，井與井之間由電加熱管道串聯(lián)，將氣液混合物保溫輸至聯(lián)合站，電加熱器及電熱保溫管道均由溫控系統(tǒng)全程控制。其流程結(jié)構(gòu)示意圖見圖1[6]。該廠區(qū)共有采油井25口，其中W9，W10已停止作業(yè)，各其管網(wǎng)分布情況見圖2。

圖1 電加熱集輸流程圖

圖2 管網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

由于A區(qū)域干線選用異徑管工藝，因此其可分為A-G1-G4，A-G4-G5，A-G5-ZHAN，其中A代表A區(qū)域，Gn代表油井接入干線的第n個節(jié)點位置，其管道G1-G4為φ60管道，G4-G5為DN89，G5-ZHAN為φ140。B、C區(qū)域干線管徑為89 mm，三區(qū)域各支線均為60 mm，其具體管長參數(shù)見表1。

表1 各管道具體參數(shù)

各井產(chǎn)液，產(chǎn)水，摻水等集體參數(shù)見表2。

表2 管網(wǎng)優(yōu)化結(jié)果

2 最優(yōu)保溫層厚度分析模型

由于流程為點升溫、線保溫加熱模式[7]，因此井口電加熱器和管線沿程電伴熱帶均會消耗電能已保證管道安全運行，井口電加熱器耗電計算方法如下[8]：

(1)井口電熱器耗電

計算時取電加熱器效率為80%，井口電加熱器給油流所提供熱量見公式(1)

Q1=cm(t1-t2)

(1)

式中c——流體比熱容/kJ·(kg·℃)-1；

m——流體質(zhì)量/kJ·s-1；

t1——管道進(jìn)口溫度/℃

t2——井口出油溫度/℃

其中，t2可根據(jù)下式計算[9]：

(2)

以及

(3)

式中G——產(chǎn)液量/t·d-1；

W——含水率/[%]；

A,B,C,D——經(jīng)驗常數(shù)。

其經(jīng)驗常數(shù)可按表3取值。

表3 經(jīng)驗常數(shù)取值表

(2)電伴熱帶耗電量

電保溫管線維溫所補充熱量見公式(4)

Q2=kπD(tcp-t0)

(4)

式中k——管道至周圍的總傳熱系數(shù)/

kJ·m-2·h-1·℃-1；

D——管道外徑/m；

L——管道長度/m；

tcp——原油平均溫度/℃；

t0——周圍土壤溫度/℃

其中總傳熱系數(shù)k受管內(nèi)、管周圍的介質(zhì)和環(huán)境條件等多種因素的影響[9]，可采用理論計算與參考類似管道實測數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法來確定[10]，在進(jìn)行油田集輸管道設(shè)計的熱力計算時采用這種方法是切實可行的。k值的理論表達(dá)式[11]

(5)

式中a1——管內(nèi)介質(zhì)至管壁的放熱系數(shù)，亦稱為內(nèi)部放熱系數(shù)/W·(m2·℃)-1;

d、D——管道的內(nèi)/m、外徑/m;

di、D——管道的絕緣層或保溫層的內(nèi)/m、外徑/m;

λi——管道絕緣層或保溫層的導(dǎo)熱系數(shù)/W·(m2·℃)-1;

α2——保溫層外壁至周圍介質(zhì)的放熱系數(shù)，亦稱為外部放熱系數(shù)/W·(m2·℃)-1。

(3)評價指標(biāo)

價值工程中“價值”的定義為

(6)

式中V——價值系數(shù);

F——功能系數(shù);

C——成本或費用系數(shù)。

對管道保溫層的性價比應(yīng)與價值工程中“價值”的含義相類似，本質(zhì)是一致的[12]。因此，將性價比定義為[13]

(7)

式中Qi——保溫層所能降低的電量;

C——保溫層基礎(chǔ)建設(shè)投資。

3 保溫層厚度優(yōu)選

3.1 井口熱負(fù)荷計算結(jié)果

其混合流體比熱容計算結(jié)果見表4。

表4 比熱容計算結(jié)果表

其管線進(jìn)口溫度為40 ℃，根據(jù)其產(chǎn)液量及井口出油溫度計算見圖3其井口熱負(fù)荷結(jié)果見圖4。

圖3 各井口出油溫度計算結(jié)果

圖4 井口電加熱器熱負(fù)荷

(2)電伴熱帶熱負(fù)荷計算結(jié)果

保溫層取工程常用厚度進(jìn)行比較，其使用30 mm、40 mm、50 mm厚保溫層時溫降結(jié)果見表5。

根據(jù)計算結(jié)果可知，40 mm，50 mm保溫層保溫較好，無保溫層時A區(qū)干線溫降接近10 ℃，根據(jù)式4、式5可得電保溫管線熱負(fù)荷結(jié)果見表6。

表5 保溫層溫降模擬結(jié)果

表6 熱負(fù)荷計算結(jié)果表

根據(jù)表6結(jié)果可知，由于A區(qū)干線管徑較大，管線較長，其保溫負(fù)荷可達(dá)14.5 kW，若純用電供熱或用加熱爐升溫介質(zhì)后運輸耗能較大，經(jīng)濟性差[14]。

(3)保溫層厚度優(yōu)選

在得到以上結(jié)果前提下，保溫層優(yōu)選根據(jù)以下流程進(jìn)行：

①根據(jù)無保溫層，保溫層厚度30 mm、40 mm、50 mm共4種條件下時熱負(fù)荷比較計算得到不同厚度保溫層節(jié)約熱負(fù)荷；

②根據(jù)公式計算不同保溫層價格；

③計算得出保溫層壽命期限內(nèi)總節(jié)約熱負(fù)荷；

④計算不同厚度保溫層性價比，進(jìn)行保溫層厚度優(yōu)選。

根據(jù)公式1～6，可計算結(jié)果見表7，表8，表9。

表7 30 mm保溫層計算結(jié)果

表8 40 mm保溫層計算結(jié)果

表9 50 mm保溫層計算結(jié)果

根據(jù)結(jié)果可得保溫層厚度與評價指標(biāo)關(guān)系圖5。

圖5 性價比計算結(jié)果

根據(jù)計算結(jié)果可得，φ60，φ89選用30 mm保溫層性價比最高，φ140選用40 mm保溫層性價比最高。這是由于管道散熱量隨管徑增大而增大，需要保溫能力更強的保溫層彌補其逐漸增大的沿程損失。

4 結(jié)論

(1)大慶該廠區(qū)采用“點升溫、線保溫”集油模式，即通過井口電加熱器進(jìn)行升溫，管線設(shè)置電伴熱帶進(jìn)行維溫。經(jīng)計算各井口產(chǎn)出液混合流體比熱容計算結(jié)果見表4，根據(jù)該集輸系統(tǒng)運行邊界條件可知，井口電加熱器運行所需功率見圖3、圖4，平均電功率在25 kW左右。

(2)集油干線電熱帶功率隨保溫層厚度變化有所不同，在不設(shè)置保溫層時，3條干線沿程溫降為9.5 ℃，3.1 ℃，7.4 ℃，分別設(shè)置30 mm、40 mm、50 mm厚保溫層，其溫降分布情況見表6，可見設(shè)置保溫層后沿程溫降均有明顯下降。

(3)經(jīng)過引入性價比思維，計算得到表7～9及圖4，可見對φ60，φ89，φ140設(shè)置三種不同厚度保溫層比較可得當(dāng)管徑達(dá)到φ140時，由于其較大的管徑帶來較大的散熱損失，40 mm厚度保溫層性價比較高，φ60，φ89管徑應(yīng)選用30 mm厚保溫層。