油管蒸汽伴熱建模及模擬分析

1、油管蒸汽伴熱建模及模擬分析責(zé)任編輯:我心依舊 點(diǎn)擊次數(shù):29            更新時(shí)間:2007-10-12 15:51:56祝芳1，吳項(xiàng)祥1，李素芬1，肖禮軍2，楊維龍2    摘  要：根據(jù)傳熱理論對油管蒸汽伴熱管道建立數(shù)學(xué)模型，利用Microsoft Visual Basic 6.0開發(fā)計(jì)算軟件，對油管蒸汽伴熱參數(shù)和蒸汽耗量進(jìn)行預(yù)瀏和計(jì)耳，實(shí)現(xiàn)量化管理，為節(jié)約能源提供科學(xué)有效的手段和工具。    關(guān)鍵詞：油管；蒸汽

2、伴熱；蒸汽流童；升溫時(shí)間    中圖分類號：TE832.3+42；TB115  文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A  文章編號：1004一7948(2005)11一0017一04    1概述    伴熱作為一種有效的管道保溫及防凍方案一直被廣泛應(yīng)用，其工作原理是通過伴熱媒體散發(fā)一定的熱量，通過直接或間接的熱交換補(bǔ)充被伴熱管道的熱損失，達(dá)到升溫、保溫或防凍的正常工作要求。蒸汽伴熱始終是一種主要的保溫方式，通過蒸汽伴熱管道可以補(bǔ)充被保溫管道的熱損失。    油管蒸汽伴熱消耗大量

3、的蒸汽熱能，實(shí)際運(yùn)行中經(jīng)常由于缺乏可靠的數(shù)據(jù)和能源計(jì)量手段及缺乏具體的節(jié)能技術(shù)與措施，使油管蒸汽伴熱能耗較大。受原油種類繁多，物性各異，冬夏兩季氣候變化顯著，輸油管道的伴熱及保溫狀況不同等因素的影響，易出現(xiàn)以下問題：各進(jìn)汽點(diǎn)的壓力、流量不明；某些重要的操作參數(shù)無法獲得，為滿足要求往往根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行操作，因此造成能源浪費(fèi)。    為了對油管蒸汽伴熱參數(shù)和蒸汽耗量進(jìn)行有效的預(yù)測和計(jì)算，對能量損失進(jìn)行分析診斷，故開發(fā)研制油管蒸汽伴熱計(jì)算軟件，以實(shí)現(xiàn)油管蒸汽伴熱能耗量化管理和預(yù)測，為減少損失、節(jié)約能源提供科學(xué)有效的手段和工具。    2計(jì)算模型

4、    石油化工、港口輸運(yùn)企業(yè)中的管道，常用伴熱的方法維持生產(chǎn)操作及停輸期間管內(nèi)介質(zhì)的溫度。常用的伴熱形式有單管外伴熱和雙管外伴熱兩種，采用蒸汽為伴熱介質(zhì)，使用圓形保溫結(jié)構(gòu)，無傳熱膠泥，保溫層材料為巖棉，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。    2.1蒸汽耗量計(jì)算    蒸汽伴熱保溫，采用飽和蒸汽為伴熱介質(zhì)。根據(jù)不同的工藝要求，分為保溫和升溫兩種工況。    (1)保溫耗熱量    圓形保溫殼相當(dāng)于一圓管內(nèi)殼，在保溫層內(nèi)壁與工藝管道的外壁之間有一加熱空間，這樣

5、主管通過保溫層散失到四周大氣中的熱量，在伴熱計(jì)算中可以略去不計(jì)。伴熱管道的熱損失為        此時(shí)，q1=q1    (2)升溫耗熱量    管道內(nèi)原油升溫時(shí)所需的熱量包括兩部分：管道向外界的熱損失q1和原油升溫所需要的熱量q1。升溫?zé)崃繛?#160;   q1=1/4Cpd2 lt    此時(shí)，q1q1q1    (3)蒸汽耗量    伴熱管的蒸汽耗量g1：&#

6、160;       2.2油品升溫時(shí)間計(jì)算    伴熱管內(nèi)蒸汽通過氣體空間和管壁向油管內(nèi)油品傳熱，由于伴熱管和油管之間是線接觸，故二者之間通過導(dǎo)熱傳遞的熱量可以忽略不計(jì)。自氣體空間經(jīng)單位長度的接觸面至油品的熱量為    qb= KbFb(tet)    (1)氣體空間溫度的計(jì)算    加熱空間的溫度te是根據(jù)蒸汽伴熱管的熱平衡求出的，即蒸汽伴熱管的供熱等于輸送介質(zhì)得到的熱量與加熱空間散失于大氣的熱量之和，可計(jì)算如下 

7、;       (2)少傳熱系數(shù)的計(jì)算    加熱空間至油品的傳熱包括加熱空間與油管管壁、油管內(nèi)壁與管內(nèi)油品之間的對流換熱，由于鋼管熱阻相對于前二者來說較小，故可忽略其對總傳熱系數(shù)的影響。其傳熱系數(shù)Kb計(jì)算如下：        (3)升溫時(shí)間    若油品處于凝固點(diǎn)以上，則不需考慮石蠟含量的影響，其升溫時(shí)間1為    1q1/qb    若在油品的升溫過程中，有凝固石

8、蠟的融化過程，則整個(gè)的升溫時(shí)間還需在上式的基礎(chǔ)上加上油品的融化時(shí)間2        總升溫時(shí)間  =l2    2.3各供汽點(diǎn)的壓力計(jì)算    伴熱蒸汽在管內(nèi)流動，受蒸汽和管壁的摩擦以及彎頭、閥門的影響，存在沿程損失和局部阻力損失，各供汽點(diǎn)的壓力逐漸降低（管段供汽點(diǎn)的劃分見圖2，劃分依據(jù)為伴熱管段的長度），蒸汽流速下降，蒸汽品質(zhì)下降，伴熱時(shí)間增加。    由于管段中的實(shí)際阻力損失不可預(yù)知，故采用試算法。假設(shè)主干線的壓降均勻分布，得到管段

9、的末端壓力Pm；根據(jù)主干線平均比摩阻和管段中蒸汽平均密度計(jì)算該管段的實(shí)際比摩阻R和蒸汽實(shí)際流速v；按照管徑計(jì)算局部阻力當(dāng)量長度la,sh,i，求得管段總計(jì)算長度lzh,i；實(shí)際比摩阻與管段總計(jì)算長度之積即為管段總阻力損失，求出管段實(shí)際的末端壓力與蒸汽的平均密度，與假定值對照，如果在誤差允許的范圍內(nèi)，即可進(jìn)行串聯(lián)的下一管段的計(jì)算，否則，修正假設(shè)值，重復(fù)計(jì)算直到達(dá)到工程要求為止。    3軟件結(jié)構(gòu)及功能    根據(jù)油管蒸汽伴熱計(jì)算原理和模型，綜合考慮油管伴熱實(shí)際情況，使用Microsoft Visual Basic 6.0開發(fā)油管蒸汽伴熱

10、計(jì)算軟件，經(jīng)過反復(fù)調(diào)試、修正，得到操作簡便、結(jié)果準(zhǔn)確的計(jì)算軟件。    3.1軟件結(jié)構(gòu)    軟件由計(jì)算參數(shù)輸入模塊、結(jié)果顯示模塊以及溫升曲線模塊組成，流程圖如下：    3.2軟件功能    為了能有效預(yù)測油管保溫及升溫情況，確定蒸汽主管的供汽方案，及時(shí)調(diào)整蒸汽流量和壓力，該軟件主要著重于以下幾個(gè)方面：    (1)已知壓力求升溫時(shí)間和蒸汽流量；    (2)已知升溫時(shí)間求蒸汽流量和壓力；  &

11、#160; (3)油品的保溫計(jì)算；    (4)繪制壓力時(shí)間流量圖和時(shí)間壓力流量圖。    4結(jié)果分析    利用該軟件計(jì)算，分析影響油品升溫時(shí)間、伴熱蒸汽流量以及管道熱損失的因素。    4.1油品升溫時(shí)間    圖4反映了影響油品升溫時(shí)間的五大因素：始端壓力、石蠟含量、升溫溫差、環(huán)境溫度和油品粘度。油品的升溫時(shí)間隨著始端壓力的升高而減少，且減少的幅度越來越小，曲線也漸趨平滑。在實(shí)際操作中，即可按照二者之間的關(guān)系根據(jù)要求的升溫時(shí)間來調(diào)整伴熱蒸汽

12、參數(shù)以達(dá)到要求。    當(dāng)油管內(nèi)原油處于凝固點(diǎn)以下時(shí)，在進(jìn)行油品升溫過程中，必須考慮到原油中石蠟的影響，計(jì)算其融化時(shí)間，并計(jì)入升溫時(shí)間內(nèi)。油品的升溫時(shí)間與石蠟含量呈線性關(guān)系，當(dāng)原油處于固態(tài)時(shí)，石蠟含量對其升溫時(shí)間的影響較大，石蠟含量越高，用于融化凝固石蠟的時(shí)間在整個(gè)升溫過程中所占的比重就越大。石蠟含量只是在油管內(nèi)原油凝固之后才對其產(chǎn)生影響，因此，盡量降低原油的石蠟含量，是降低凝固后升溫時(shí)間的有效方法。    油品升溫時(shí)間與升溫溫差近似呈線性關(guān)系，隨著溫差的增加而增大，隨著環(huán)境溫度的升高線性降低。    原

13、油品質(zhì)的不同也會造成升溫時(shí)間的不同，各類原油的成分相差很多，尤其是粘度的影響在各成分的影響中占據(jù)主要地位。雖然粘度對升溫時(shí)間的影響并不是簡單的函數(shù)關(guān)系，但具有明顯的發(fā)展趨勢，隨著油品粘度的增大而提高。    4.2蒸汽流量    圖5反映了影響蒸汽流量的四大因素：始端壓力、石蠟含量、升溫溫差和環(huán)境溫度。    伴熱蒸汽流量與始端壓力、石蠟含量以及環(huán)境溫度均呈線性關(guān)系，隨著始端壓力及石蠟含量的增大而增加，隨著環(huán)境溫度的升高而減少。在蒸汽流量以及壓力增長的共同作用下油品的升溫時(shí)間得到了大幅降低。為了融化凝固的

14、石蠟，在提高升溫時(shí)間的同時(shí)還必須加大蒸汽流量。就能量消耗方面而言，油品的石蠟含量越低越好。蒸汽流量隨著升溫溫差的增大而增加，當(dāng)溫差較低（低于10時(shí)）時(shí)增加較快，之后二者近似線性增加。    4.3管道熱損失    圖6反映了影響管道熱損失的兩大因素即升溫溫差和環(huán)境溫度。蒸汽主管的管道熱損失主要取決于升溫溫差和環(huán)境溫度，隨著升溫溫差線性增長，環(huán)境溫度線性減少。    5結(jié)論    (1)軟件計(jì)算功能完備，環(huán)境溫度、初始油溫、油品加熱溫差、油品性質(zhì)、蒸汽壓力和流量、管徑及長度、保

15、溫結(jié)構(gòu)、加熱工藝、加熱時(shí)間等參數(shù)都可以作為變量，方便快捷，可靠性較好。    (2)當(dāng)其它條件不變時(shí)，升溫時(shí)間隨始端壓力的升高而降低，壓力較低時(shí)下降快，然后變化平穩(wěn)；升溫時(shí)間隨環(huán)境溫度升高而線性降低；溫差加大，升溫時(shí)間增加，兩者近似呈線性關(guān)系；升溫時(shí)間隨石蠟含量的增加而線性增加。    (3)蒸汽流量與始端壓力、石蠟含量以及環(huán)境溫度均呈線性關(guān)系。隨著始端壓力及石蠟含量的增大而增加，隨著環(huán)境溫度的升高而減少。升溫溫差增大，蒸汽流量增大，當(dāng)溫差低于10時(shí)，變化較快，高于10近似呈線性變化。    (4)散熱損失與溫差、環(huán)境溫度呈線性關(guān)系。環(huán)境溫度升高，散熱損失減少升溫溫差大散熱根失大。 參考文獻(xiàn)1郭光臣，董文蘭，張志廉油庫設(shè)計(jì)與管理M北京：石油大學(xué)出版社，19912蘇B. M阿加普金，C. H鮑里索夫，B. J克里沃舍因管道計(jì)算手冊M北京：石油工業(yè)出