中国石油大学(华东)输油管道设计与管理储运课件54

第四节热油管道的停输再启动热油管道在运行过程中，由于种种原因，不可避免地会发生停输。停输的原因可以分为两大类：事故停输和计划停输。轮不能到港装油港口：因台风等原因油不需原油炼厂：检修或事故检修管线终点划地停输时采用间歇输送，有计当油量不足，输量较小计划停输黄复线停输年黄岛油库火灾曾使东首末站火灾：如线停输年唐山地震时断裂，全秦京线地震引起管道断裂：如自然灾害天破裂，停输年东黄复线首站外管道裂：站间管道腐蚀穿孔或破电及设备故障等全线突然停电或首站停事故停输停输分类8976192不论是计划停输还是事故停输，都有一个安全停输时间的确定问题。对于计划停输，制定停输计划时要考虑最长允许停输时间多长；对于事故停输，制定抢修计划时也要考虑允许的停输时间。热油管道停输后，由于管内油温不断下降，粘度增大，管壁上的结蜡层增厚，会使管道再启动时的摩阻增大。当油温降至凝固点以下时，可能在整个管子断面上形成网络结构，必须有足以破坏凝油网络结构的高压，才能使管线恢复流动，而最高压力要受泵和管线允许强度的限制。所以为了保证管线的顺利启动，必须了解管路在各种情况下停输后的温降规律，以确定顺利再启动的允许停输时间以及停输后必须采取的措施。管道停输后的温降过程同样属于不稳定的传热过程。温降规律受多种因素的影响。目前还没有成熟的计算方法。目前采用的计算方法主要有两类。一类是根据简化后导出的近似公式计算；另一类就是利用数值方法上机求解。管线的再启动压力除了与管内存油的温度有关外，还受油品性质、管线强度等因素的影响，更没有成熟的计算方法。目前常用的计算方法偏于保守，还有待于深入研究。一、架空及水中管道停输后的温降计算㈠重油管道的停输温降计算架空和水中管道停输后，管路向外散失的热量就是管内存油和钢管降温所放出的热量。因此，其温降比埋地管线快得多，可近似按集总热容系统计算。①忽略断面上的温降梯度③不考虑油品物性随温度的变化⑤不考虑保温层的热容量简化处理：④假设环境温度T0不随时间变化②认为管道总传热系数为常数'k在dτ时间内的热平衡方程为dTCDDCDdTTDKggyy212221044'将上式积分并整理后可得：)(4584exp)(21222100DDcDcDKTTTTggyyQ式中：D、D1、D2—管道平均直径、钢管内径、外径，mK—停输后油至周围空气或水流的总传热系数,W/m2℃Cg、ρg—钢材的比热和密度T0—周围大气或水流的温度，℃Tτ—停输τh后的油温，℃TQ—开始停输时的油温，℃τ—停输时间，hCy、ρy—油的比热和密度，J/kg℃，kg/m34584=3600*4/π为将时间由秒化为小时后得到的系数水下重油保温管道的停输温降曲线该图为实测结果与计算结果的比较。由图可以看出，在高温下，二者符合得很好，当温度较低时，管中原油的传热变为纯导热，已经不满足集总热容系统的条件，二者偏差越来越大。㈡热含蜡原油管道的停输温降计算下图为实测的架空热含蜡原油管道的停输温降曲线。热含蜡原油管道的停输温降曲线根据温降曲线，其降温过程可分为三个阶段：第一阶段（TTSL）：第二阶段（TNGTTSL）：随油温和壁温的继续降低，一方面蜡不断结晶析出，使管壁处的原油首先失去流动性，而变成凝油层。随着凝油层的不断加厚，热阻增加；另一方面，油流粘度增大，自然对流放热系数变小，也使热阻增大。而蜡的结晶析出又放出潜热，因而这一阶段的油温下降最慢。管壁上的凝油层很薄，管内存油至管外大气或水的传热方式主要是对流放热，且由于该阶段油与周围的温差较大，放热强度大，温降快，且整个断面上的油温基本均匀，没有大量的蜡晶析出。该阶段的温降可采用与水下和架空重油管道的停输温降计算方法计算。该阶段的温降属于有相变和移动边界的传热问题，目前还没有成熟的方法，可根据实测的原油C-T关系用数值方法求解。第三阶段（TTNG）：管内存油全部变成凝油，油中的传热方式变为纯导热。由于第二阶段发生相态变化，中心油温变化较小，所以该阶段中心油温下降速度快于第二阶段。但由于油温较低，与环境温差较小，温降比第一阶段要缓慢的多。目前计算第二、三阶段温降较常用的方法是数值方法。利用数值方法求解的关键是建立数学模型。数学模型包括传热微分方程和初始条件与边界条件两部分。根据传热微分方程的不同，数学模型分为三类。①列出能量方程、运动方程和连续性方程联立求解可得到管内原油的温度分布和流场分布。这种数学模型与实际情况最接近，但计算的工作量很大，上机计算需要很大的内存，且需要的机时很长。②不考虑液态油的自然对流，将整个温降过程（包括第一阶段）认为是纯导热过程。传热微分方程即为一维不稳定导热方程。这种数学模型的求解简单。但与实际过程相差很大，结果与实际温降数据相差很大。计算得到的中心油温与实测中心油温的误差可达60％。③液态油中按自然对流考虑，凝油层中按导热考虑，并认为等温线为同心圆。也就是说将冷却过程简化为对流和导热方式共存的一维不稳定传热过程。根据我们的研究成果，该模型能较好地反映停输后的温降过程，计算结果与实际结果的最大误差不超过5％上述数学模型的求解一般可用有限差分法、有限单元法或有限容积法，编制出计算机程序上机求解。一般认为，当油温处于第一阶段时，再启动是没问题的，第二阶段，管断面上已部分地形成网络结构，但一般来说再启动也不会太困难；到第三阶段，由于整个断面上已全部形成网络结构，再启动会遇到困难。因此，第二阶段是再启动的关键阶段。由于架空或水中管线的冷却速度最快，因此长输管线的穿跨越段往往是限制停输的关键性段落，在设计中应注意加强这些段落的保温，并需考虑在两端设阀井，以备必须时用高压泵单独顶挤出该段凝油。二、埋地管道停输温降计算埋地热油管道周围土壤的蓄热量很大，比管内存油的热容量大几十倍甚至上百倍。故埋地管线的温降主要取决于土壤的冷却。埋地热油管的温降过程可分为二个阶段：①管内油温较快地冷却到略高于管外壁处的土壤温度②管内存油与土壤作为一个整体而缓慢冷却埋地管道停输后的温降不同于架空管道的特点：蜡晶析出放出潜热而使温降减慢的第二阶段不明显。㈠第一阶段温降计算由于该阶段时间较短，可以认为：③油品物性为常数。①管道总传热系数等于正常运行时的K值；K②自然地温T0为常数；第一阶段内油温迅速降至略高于管外壁土壤约2～3℃，可认此时外壁处土温Tb0不变。则第一阶段的停输时间可按下式计算：01001ln4TTTTKDCyyyy3~201byTT，若Tb0低于凝点，则Ty1等于凝点。㈡第二阶段温降计算1、恒热流法该方法将停输过程视为启动预热过程的反过程。可以得到：aREiahREiqTTttbtbt44442220也可以表示为FoEiFoRhEiDKTTTTtbtobt16141412200式中q为第二阶段开始时的热流量，不随时间而变化00TTDKqbtTbt0、Tbtτ分别为开始停输及停输τh后管壁处的土壤温度。如果近似取停输后的恒定散热损失q等于稳定输送时的热损失，则DhDKtt4ln22代入上式，并考虑到ht/D(3~4)时，FoEiFoRhEi1614122忽略前一项，并将后一项展开为级数)2!2/(ln5772.0)(2xxxxEi取前两项(误差可能很大)，经整理后可得2(1)240.1113thDaD000TTTTbtbt2、数值方法将管内存油和土壤的散热均看作是二维不稳定导热，分别列出其导热微分方程式和初始条件与边界条件。根据有限差分法或有限元法编制计算机程序，然后上机求解。上面讲的停输温降都是指管线某一断面上的温降，计算时，一般应取若干个断面计算，各个断面处的初始油温可按轴向温降公式计算。三、停输后再启动压力的计算启动过程中流量恢复快慢决定于再启动压力的大小、顶挤液的性质、停输时间长短及管内存油的流变性等一系列因素。为了尽快恢复正常输送，应在强度允许的压力范围内，尽可能加大排量。影响再启动压力的因素有：a.停输结束后，管内油品的温度分布b.流体的流变性c.原油、钢管的伸缩性d.原油的屈服裂解特性（触变性）由于管线停输后再启动压力的影响因素非常复杂，目前尚无成熟的计算方法。关于各种情况下再启动过程的特点，请大家阅读教材上的相关内容。