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输油管道 第四节 加热输油管道的投产

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输油管道 第四 加热 投产
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1• 第四节 加热输油管道的投产• 加热输油管道投产前除需要与等温输油管道一样进行管道试压 、泵站试运之外 , 还要进行加热炉的炉管试压 、 炉膛升温以及管线预热等准备工作 。 其中 , 炉管试压 、 炉膛升温等环节的工作在《 储运设备 》 相关内容中已介绍 。2• 一 、 管道的投油• 1、 热油管道投油时的放热过程• 我们在讨论热油管道的温降时 , 是以稳定运行状态为前提的 , 即认为油流在某一时间内通过各传热环节所传递的热量都等于同一时间内油流由于温度降低而放出的热量 。 传热环节的各物质 , 只起到热量传递的作用 , 自身不储存热量 , 温度没有变化 。3•热油管道的投油过程中,与稳定运行状态有不同。由于热油管道的输送油流温度一般都要比管道周围的环境温度高出许多,若输送温度下的热油直接进入环境温度下的冷管,油流与管道及管道周围环境的温差较大,不具备稳定传热的条件。4•所以,热油管道的投油过程中是一个不稳定的传热过程。在这个过程中,既存在油流向管道周围环境的放热,又存在管道及周围环境的蓄热。5•在投油的初期,以蓄热为主,首先是热油头将热量传递给管壁,管壁蓄热,温度升高 ;随后埋地管道周围的土壤蓄热,温度逐渐升高,直到稳定传热条件的建立。其中,最先进入管道的油头始终与冷管壁接触,热量的损失最大,温降最快,有可能在油流没有到达下一加热站或终点之前就降到油品的凝固点以下。6• 即使没有降到油品的凝固点以下 ,若油流的温度低于设计最低温度较多 , 油品的粘度较大 , 管道摩阻损失较大 , 需要的启动压力较高 , 一方面受到输油泵升压能力的限制 , 另一方面受到管道与设备承压能力的限制 , 使管道的投油过程难以进行下去 。7• 故热油管道的冷管直接投油一般只用于短距离输油管道 。 目前 ,长距离热油管道大都采用热水预热的方式启动 。8• 2、 埋地热油管道预热时间的计算•管道预热的目的是使管道和管道周围环境储存一定的热量,减少投油时油流的热损失,保证投油过程的顺利进行。架空管道预热过程的蓄热,主要是管壁和管道保温层的蓄热,热容量较小,需要的预热时间也较短。9•埋地管道周围地壤的热容量较大,达到稳定传热需要的时间较长。• 实际上 , 没有必要预热至稳定状态再投油 。 根据经验 , 在夏秋季投产时 , 预热过程进行到厚为的环形地层的蓄热量达到稳定蓄热量的 35% ~ 50% 就可投油 , 此时管 道 的 传 热 系 数 约 为 C)。10• 由于不稳定传热影响因素的复杂性 , 理论上准确计算热油管道预热过程达到某一状态需要的时间是困难的 。 目前 , 大都是在一定假设简化的前提下计算 。 常用的有恒热流法 、 恒壁温法和蓄热量法 。11• ( 1) 恒热流法计算预热时间• 恒热流法是将埋地热油管道看作是半无限大均匀介质中连续作用的线热源 , 并假设预热过程中油流在单位时间内向环境放出的热量恒等于稳定运行状态时的放热量 。 将这样一种热力学模型 , 利用源汇法理论处理 , 可以得到预热终了状态的传热系数与预热时间的关系式为:12• 当 时,上式可简化为:)]4()44([4222224([42213• 式中 — 预热达到投油条件时管道的传热系数 , W/(C), 由于埋地管道的预热 ,主要是土壤温度场的蓄热 , 所以 ;• — 土壤的导温系数 , , m2/h;•• — 土壤的比热容 , C);• — 土壤的密度 , kG/ — 达到投油条件所要的预热时间 , h;• — 幂积分函数 ;• R — 管道的计算半径 , m。K 2利用上式计算达到投油条件所需的时间 , 一般比达到相同条件所需的实际时间要大 。 引起计算误差的原因主要是实际预热过程中油流的散热量是随时间变化的 , 并且都大于稳定运行状态时的散热量 , 计算时假设全部预热时间内的散热量都等于稳定运行状态时的散热量 , 导致计算结果偏大 。 故利用恒热流法计算的预热时间指导热油管道的投产 ,是偏于安全的 。15• ( 2) 恒壁温法计算预热时间• 恒壁温法是将埋地热油管道看作是无限大均匀介质中连续作用的圆柱形热源 , 忽略地表散热的影响 , 并假设在预热开始时 , 管壁处的土壤温度就从环境温度在瞬间升高到预热终了时的温度 , 并在整个预热过程中保持不变 。根据这样一种边界条件 , 利用因次分析的方法 , 可以得到预热终了状态的传热系数与预热时间的关系式为:16• 式中 称为傅立叶准数,将其代入止上式可得:•)t 2t)3 6 5 17• 利用上式计算达到投油条件所需的时间 , 一般比达到相同条件所需的实际时间要小 。 引起计算误差的原因主要是实际预热过程中管壁处的土壤温度升高至预热终了时的温度 , 也需要一定的时间 。18• ( 3) 经验蓄热量法计算预热时间• 经验蓄热量法计算预热时间的表达式为:• 式中 X— 预热达到投油条件时 , 管道周围温度场的蓄热量占稳定状态蓄热量的百分数 , 根据经验 , 秋季投产时 ,此值取 50% ~ 60% , 夏季投产时 , 此值取 35% ~ 40% ; 19• — 预热过程中 , 散失到计算温度场以外的热量 , 根据经验 , 秋季投产时 ,此值取稳定蓄热量的 50% , 夏季投产时 ,可忽略此项影响 ;• — 加热站热力设备的热负荷 , kJ/h,为了缩短预热时间 , 在预热时 , 大都尽时使热力设备的热负荷达到最大 ;• — 预热过程中加热设备的利用系数 , 主要是考虑热水在管道中停留以及倒换流程时加热炉的压火 , 一般取此值为 70% ;x R20• — 计算温度场内稳定状态下的蓄热量 , 可由稳定状态下的工作参数计算 。 计算稳定状态蓄热量的步骤是:• ① 将 的环层土壤分为 4~ 6层 。由于靠近管壁处的土壤温度较高 ,远离管壁处的土壤温度较低 , 在分层时 , 靠近管壁处层距小些 ,远离管壁处层距大些 , 如图所示 。R 1• *• 1② 计算各层土壤的温度• 由源汇法可得图中坐标为 ( )点的温度为:• 式中 是 源汇法中热源中心位置在 202200)()(220 23• 由 的表达式可知 , 热源中心在管中心偏上的位置 ;• 稳定传热时单位管长上的散热量 , W/m;• —— 稳定传热时油流的平均温度 ,0C。0y)( 0y  ③ 计算环形土壤温度场的稳定蓄热量• 第 层土壤的平均温度为:第 层土壤的稳定蓄热量为: 0 25则厚度为( )环形土壤温度场的稳定蓄热量为:• 式中 — 土壤的密度 , kg/其值大都在 1600~ 2200kg/ 使用时也可通过实测获得 ;• — 土壤的比热容 , C),其值随含水的不同有较大的差别 , 使用时可通过实测获得 , 也可由下式计算: Qt式中 为干燥土壤的比热容, 一般沙土、粘土, );• 为水的比热容, );• 为土壤的含水率,% ;• 为第 土壤的体积,由几何关系可得:1C iV 3、投油过程中的参数分析• 由于水是一种价格较低 , 使用方便 , 流动摩阻小 , 比热容较大的流体 , 所以 ,大都选用清水作为热油管道预热的热载体 。 根据水源的位置 , 可以采用正向预热 , 也可以采用反向预热 。(4221  28• 为了减少水的用量 , 并减少热水排放的热量损失 , 对于长距离大直径输油管道 , 大都采用正反向交替运行的方式预热 。• 由于水与油的密度 、 比热容 、 粘度等性质不同 , 在预热结束 , 进行油与水的置换过程中 , 运行参数会发生一些变化 , 并会产生一定的混油段 。29• 如果投油时的输油量达到了设计输量 , 则输水预热与输油时的热负荷基本相同 , 即:由于 , 所以 。投油时输量增大 , 后面的油流推动前面的水流加速流动 , 在单位内通过同一截面的热量增加 , 各截面的温度会有暂时的升高 , 油水置换结束后 , 又恢复至预热终了时的值 。 C  2 Q 230• 如果投油时的输油量达不到设计输量 , 在输水预热时为了缩短预热时间 , 使热力设备满负荷运行 ,则有投油时热负荷减小 , 在单位内通过同一截面的热量减少 , 各截面的温度会有所下降 。 31• 另外 , 由于油与水的密度 、 粘度的不同 , 在两者的置换过程中 , 会引起输油泵的功率 、 扬程以及管道摩阻等水力参数的变化 , 操作时 , 要根据具体情况进行调节 , 特别注意 ,不要使电机过载 。• 油水交替过程中油内混入的水分 ,大都可以用热沉降的方法脱除 , 但要备有足够容量的沉降储罐 。
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