海底單層管道總傳熱系數(shù)計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)比研究

王彥瑞，高秀敏

（海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452)

縱觀國(guó)內(nèi)已建成的海底保溫輸油管道，大多沿用50多年前國(guó)外開(kāi)發(fā)的雙層管保溫結(jié)構(gòu)，即輸油內(nèi)管和外套管全是鋼質(zhì)的。這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，鋼質(zhì)外套管的特點(diǎn)是管徑大、管壁厚。這種結(jié)構(gòu)，由于內(nèi)管和外管都是鋼質(zhì)的，帶來(lái)的問(wèn)題一是管道用鋼量劇增，而且外套管用鋼量比內(nèi)管多1.2～1.5倍；二是這種雙層管保溫結(jié)構(gòu)雖然獲得良好的保溫效果，但使管道施工、鋪設(shè)的難度增加、費(fèi)用倍增，其造價(jià)比單層保溫管高出許多許多。如將這種雙層管結(jié)構(gòu)的鋼質(zhì)外套管，改用結(jié)構(gòu)基本不受力的聚酯類夾克套管的單層保溫管，可以降低造價(jià)[1]。有鑒于此，中海油在BZ19-4油田開(kāi)發(fā)的時(shí)候，平臺(tái)間海底管道考慮使用單層保溫管這種結(jié)構(gòu)形式。與雙層保溫管道相比單層保溫管在國(guó)內(nèi)應(yīng)用的很少，適時(shí)對(duì)其跟蹤研究對(duì)經(jīng)驗(yàn)的積累和單層保溫管技術(shù)水平的提高大有裨益。本文著重在影響單層保溫管道熱力計(jì)算因素上進(jìn)行研究，特別是對(duì)單層保溫管道總傳熱系數(shù)的論述，以期對(duì)單層海底管道計(jì)算有所借鑒。

1 項(xiàng)目概況

BZ19-4油田新建WHPB、WHPA兩個(gè)井口平臺(tái)，兩井口平臺(tái)間的管道是6.2km、12英寸的單層保溫油氣水混輸管道，目前該管道已于2010年4月23日凌晨投產(chǎn)。

2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

管道所處的環(huán)境參數(shù)、原油及天然氣相關(guān)參數(shù)、各平臺(tái)開(kāi)發(fā)指標(biāo)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)、管材本身所具有的一些參數(shù)均（見(jiàn)表1～3）。

Tab.1關(guān)鍵參數(shù)表

3 計(jì)算

計(jì)算采用了PIPEFLO模擬軟件。PIPEFLO是管道工藝計(jì)算高效準(zhǔn)確的工具軟件，是世界上應(yīng)用較多的商業(yè)軟件之一，作為管道的水力熱力計(jì)算。目前PIPEFLO在中國(guó)海洋石油的多個(gè)平臺(tái)設(shè)計(jì)、研究中應(yīng)用，效果較為理想。

3.1 建立模型

3.1.1建立一個(gè)PIPEFLO軟件模型。該軟件計(jì)算特點(diǎn)如下，

1）.給定環(huán)境參數(shù)、管道的物理特性等參數(shù)推出操作參數(shù)[2]；

在管道的起點(diǎn)輸入溫度T1的值、總傳熱系數(shù)（U）等參數(shù)，然后再輸入管道的終點(diǎn)壓力P2的值，運(yùn)行程序得到起點(diǎn)壓力P1的值和終點(diǎn)溫度T2的值，如圖1所示：

Fig.1 PIPEFLO計(jì)算原理圖

● 邊界條件為BZ19-4 WHPB至BZ19-4WHPA混輸管道出口壓力和入口溫度。

2）給定操作參數(shù)推出影響計(jì)算的任意參數(shù)；

先假定一個(gè)總傳熱系數(shù)U，管道的起點(diǎn)輸入溫度T1的值，然后再輸入管道的終點(diǎn)壓力P2的值，運(yùn)行程序得到起點(diǎn)壓力P1的值和終點(diǎn)溫度T2的值，把得到的結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)操作值做比較，因?yàn)槭怯?jì)算總傳熱系數(shù)，本文只取熱力計(jì)算結(jié)果——溫度值（壓力變化對(duì)溫度的影響較小[2]），如圖2所示：

Fig.2 PIPEFLO計(jì)算原理圖

● 邊界條件為BZ19-4 WHPB至BZ19-4WHPA混輸管道進(jìn)/出口壓力和進(jìn)/出口溫度。

3.1.2 PIPEFLO模型[3]

3.1.3 根據(jù)實(shí)際操作參數(shù)反算的總傳熱系數(shù)

Tab.4 總傳熱系數(shù)PIPEFLO反算值

Fig.3 PIPEFLO模型

3.2 用計(jì)算公式計(jì)算總傳熱系數(shù)

Fig.4 單層管加配重海底管道結(jié)構(gòu)

對(duì)于埋地1.5米深的單層保溫管道，通過(guò)該管道的傳熱過(guò)程主要包括：

1) 管內(nèi)流體與管內(nèi)壁的對(duì)流換熱

油流至管壁的放熱系數(shù)α1的計(jì)算公式[3]：

式中：Nu——放熱系數(shù)，即努歇爾準(zhǔn)數(shù)，無(wú)量綱。

d ——管道內(nèi)徑，m；

在層流時(shí)，對(duì)于Re＜2200，0.48＜Pr＜16700，且Re*Pr*d/L≥10時(shí)，有：

2) 中間層的導(dǎo)熱

3) 與周圍環(huán)境的換熱

防腐層外壁與海泥的放熱系數(shù) 的計(jì)算公式[3]：

當(dāng)ht/ Dw＞2時(shí)，有：

式中：λt——土壤的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；

ht——管道中心的埋深，m；

Dw——與土壤接觸的管道外圍直徑，m;

所以，總傳熱系數(shù)的計(jì)算公式為[3]：

3.3 公式計(jì)算結(jié)果

Tab.5 公式計(jì)算結(jié)果與總傳熱系數(shù)PIPEFLO反算值對(duì)比

從表5可以看出絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差均較大，原因可能是投產(chǎn)1周系統(tǒng)不穩(wěn)定，導(dǎo)致記錄結(jié)果存在較大偏差，除此以外其它數(shù)據(jù)擬合的很好，絕對(duì)誤差0.042～0.089W/m2k和相對(duì)誤差9.1～17.5%。

Tab.6 5月21日各層熱阻計(jì)算結(jié)果表

從表6可以看出保溫層熱阻、管內(nèi)流體對(duì)管壁放熱熱阻、空氣夾層熱阻和管外壁對(duì)周圍環(huán)境的放熱熱阻之和占總熱阻98.90%，所以粗略計(jì)算時(shí)可以只考慮此4項(xiàng)熱阻。

4 結(jié)論

1) 從計(jì)算數(shù)據(jù)和反算數(shù)據(jù)可以看出，系統(tǒng)穩(wěn)定后總傳熱系數(shù)絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差趨于穩(wěn)定，公式計(jì)算結(jié)果更為激進(jìn)，采用公式計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮保溫層失效和施工質(zhì)量不理想情況。

2) 剛投產(chǎn)一周時(shí)，由于系統(tǒng)不穩(wěn)定，溫度場(chǎng)未完全建立，計(jì)算結(jié)果偏差較大，初期投產(chǎn)或停輸再啟動(dòng)時(shí)需考慮此項(xiàng)因素，采取有效措施防止凝管事故。兩周以后數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果比較穩(wěn)定，反算結(jié)果可用性強(qiáng)。

3) 考慮適當(dāng)裕量，采用公式計(jì)算總傳熱系數(shù)可以滿足前期制定方案需求。

4) 粗略計(jì)算時(shí)，可以只考慮保溫層熱阻、管內(nèi)流體對(duì)管壁放熱熱阻、空氣夾層熱阻和管外壁對(duì)周圍環(huán)境的放熱熱阻。