5.2热油管道的投产

2020/3/13输油管道设计与管理1一、热油管道的试运投产试运是管道由施工建设转入生产运行的关键阶段。管道的设计是否符合实际，施工质量是否符合要求等问题都将在投产过程中集中地暴露出来。而且长输管道的投产还与油品的运输、电讯系统等方面密切相关，因此投产前要做好各项准备工作。1、全线组成统一的投产指挥机构，确保各项工作能逐级落实。2、配备好各岗位的工作人员，建立一支反应灵活的维修抢险队伍。4、制定投产方案。3、制定各种生产管理制度，配备好投产所需的各种设备工具。第二节热油管道的投产2020/3/13输油管道设计与管理2投产程序一般包括：①各站单体及整体冷热水试运。单体试运包括：⑴油罐试水⑵加热炉和锅炉的烘炉及试烧⑶电机和主泵试运站内整体试运分冷水试运和热水试运，采用站内循环流程②冲洗清扫站间管路。③预热管路：一般采用热水预热。长距离管道一般采用正反输交替预热，短管道一般采用单向预热。2020/3/13输油管道设计与管理3④通油投产，管线预热达到要求并全面检查合格后便可投油。为了顺利地进行以上投产程序，需要进行一系列的计算。其中最重要的是管道预热多长时间后方可正式投油，即预热时间计算。这是本节课讨论的主要问题。2020/3/13输油管道设计与管理4二、埋地热油管道启动过程的特点①径向传热：投产初期是不稳定传热过程。开始时钢管和土壤温度为原始土壤温度，热油或热水输入后，钢管及土壤从油流或热水中吸取大量热量，开始时，由于油壁温差很大，传热量很大，散出的热量首先加热钢管、防腐层，然后是土壤，使附近的一层土壤温度升高，而此时由于管路及其附近土壤与外界土壤的温差很小，所以往远处土壤及大气的散热量很小,也就是说，首先在管路周围的土壤中蓄热。随着时间的延长，管路附近的土壤温度不断升高，与油流的温差逐渐缩小，油流的热损失逐渐减小，而被加热的土层半径逐渐增大，土壤蓄热量逐渐上升。当各部分土壤向外传递的热量相等时，土壤的蓄热过程也就结束了,在管路周围的土壤中也就建立了稳定的温度场。2020/3/13输油管道设计与管理5上述过程可简单地表示为:τ↑Ttu↑热影响区↑蓄热量↑△T↓散热量↓→稳定。2020/3/13输油管道设计与管理6②轴向情况从管线轴向分析，沿油流流动方向，各处的散热情况是不同的。起点断面，维持出站油温不变运行时，油温基本不变，传热过程如上所述，散热量随时间的延长而减小。其后的各个断面，由于沿程温降，油温较低，油壁温差较小，土壤蓄热量上升速度减慢，稳定的时间要长。在中间某段落，油流开始到达时，油温比TR低得多，散热量较少，随着启动时间的延长，油温逐渐上升，散热量可能经历先逐渐增大，然后又逐渐减小的过程。在终点断面处，开始投产时，热油或热水到达时可能已接近地温，要经过一段时间油温才逐渐上升且升温速度缓慢，此处散热量可能是逐渐升高的，最后达到稳定。2020/3/13输油管道设计与管理7由以上分析可见，在启动过程中，沿线各断面上，土壤温度场都是随时间而变化的，且各处的变化情况不同。启动过程的热力工况属于三维不稳定传热过程，即总的来说，启动过程的传热量要大于正常输油时的传热量，因为在向外散热的同时，还要加热土壤，故启动过程中油流的温降比正常输油时大得多。tzyxfT,,,2020/3/13输油管道设计与管理8三、热油管道的启动方法1、冷管直接启动将热油直接输入温度等于管线埋深处自然地温的冷管道，靠油流降温放热来加热周围土壤。这样，最先进入管道的油流在输送过程中一直与冷管壁接触，散热量大，当管道较长时，油温很快降至接近自然地温，远低于凝固点。通常把这一段称为冷油头。冷油头散失的热量主要用于加热钢管及部分防腐层。冷油头中，有相当长的一段油流温度接近或低于凝固点，油头在管内凝结，使输送时的摩阻急剧升高，以至于会超出泵和管道强度的允许范围。因此只有当管道距离短，投油时地温高，并能保证大排量输送情况下，才能采用冷管直接启动。对于长输管道，当地温接近凝固点时，也可采用冷管直接启动。2020/3/13输油管道设计与管理92、加稀释剂或降粘剂启动例如湛茂线，1980年10月1日投产，启动前管内存有原油(凝固点-17℃)，投产时气温30℃，管道埋深处地温29℃，采用直接启动方法，将凝点为33℃的大庆原油加热到40℃后直接输入冷管道。只开首站输油泵，最高出站压力为3.6MPa，末站油温在投油15天内为29～30℃。该管线之所以能采用冷管直接启动，是因为地温较高，接近凝固点，在流动条件下原油根本不会凝结。在原油中加入化学添加剂或稀油，降凝降粘后直接输入冷管道，这种方法要受降粘剂或稀油的限制。2020/3/13输油管道设计与管理103、预热启动目前，对于大多数输送易凝原油的长输管道，均采用此方法启动。即在输送原油前先在管道中输送热水，往土壤中蓄入部分热量，建立一定的温度场后再输油。预热的方法可以是单向预热(即一直从首站往末站输送热水)，也可以是正反输交替预热。对于较长的管道，为了节约水和燃料，并避免排放大量热水污染环境，常采用正反输交替预热。热水预热启动虽然安全可靠，但要耗用大量的水、燃料和动力，且排出的热水温度高，且往往含油，易造成环境污染(包括热污染和油污染)。如73年铁秦线投产(φ720，454.3km)，预热28天，用水47万方，74年庆铁复线(φ720，523km)，预热18天，用水40万方，75年秦京线(φ529，342km)，预热14天，用水13.8万方。2020/3/13输油管道设计与管理11随着投产经验的不断增加，我国管线启动时的预热时间和用水量都在不断减少。近年来，有些管线启动时采用的方法是：在首站备足充满一个加热站间管道容积所需的水量，在投油前先往管道中输送热水，等热水达到第二站时首站开始投油。这样就使预热时间和用水量大大减少，一般输入热水后20个小时左右即可投油。利用这种方法，91年成功地启动了东临管线，92年成功地启动了中洛复线。2020/3/13输油管道设计与管理12四、热油管道的预热过程计算计算目的：①了解土壤温度场随预热时间的变化情况；②确定到达投油条件所需的预热时间。热水预热前，需要准备水源、燃料和热水排放地点。特别是燃料，不能象正常输油情况下那样直接取用管中原油。要临时用汽车油槽车将燃料拉到各个加热站，预热过程中需耗用多少燃料、水、电等都要事先计划、安排，而这些都要求知道预热时间，了解沿线的土壤温度场情况。预热过程的传热特点：a.出站口截面，散热量由大到小b.中间截面，散热量由↑到↓c.进站口截面，散热量缓慢上升2020/3/13输油管道设计与管理13冷管道的热水预热过程就是周围土壤温度场的建立过程，也就是周围土壤的蓄热过程，也是土壤热阻不断增大、管道热损失不断减少的过程。如果按TR、TZ及Q由轴向温降公式推算管路的总传热系数K，将表现为K值的不断下降。显然按稳定传热公式计算的K值，不能反映不稳定传热过程中油管的散热特性。但在还未建立正确的算法前，工程上仍沿用上述K值来分析启动过程，在输量和起点温度恒定的情况下，上述K值能大体上反映预热效果。为了与稳定传热过程有所区别，用K’表示不稳定传热过程的总传热系数。当钢管壁和防腐层的蓄热接近稳定后，K’值主要取决于土壤的不稳定传热过程。如果用α2’表示不稳定导热过程土壤的放热系数，则K’≈α2’。工程上常用α2’值与正常输油工况下的α2值比较来判断预热过程是否达到稳定。当α2’下降到与α2接近时即可投油。所以我们先来讨论α2’与预热时间的关系。2020/3/13输油管道设计与管理14㈠α2’与预热时间的关系计算α2’与预热时间的关系有两种方法：恒热流法和恒壁温法。1、恒热流法这种方法把埋地热油管道的启动过程看作是埋在半无限大均匀介质中连续作用的线热源的不稳定导热过程。即认为土壤是各向同性的，管道传向各个方向的热流强度相等，且不随时间变化。忽略轴向传热，只考虑某一横断面，为二维不稳定传热，其导热微分方程为：2222yTxTaT2020/3/13输油管道设计与管理15AqTyxTtL4,,0ahyxEiahyxEiAtt442222假设预热过程中管道单位时间单位管长上的散热量等于qL，并等于正常输送情况下的散热量，按源汇法可得到预热过程中地下埋管周围土壤温度场的变化规律为：2020/3/13输油管道设计与管理16式中：a－土壤导温系数,m2/s,λt－土壤导热系数,w/m℃tttCa/ht－管中心埋深,mT0—土壤的原始温度，℃τ—预热时间，sqL—稳定工况的管道散热量，w/m2020/3/13输油管道设计与管理17若将管壁处的坐标(xbi,ybi)代入，取管半径为R，则有：222Rhyxtbibi22222244ttbitbibitbibihRhyhyxhyx代入温度分布公式得：aREiahREiqTTttLbi44442220将代入上式，得到的表达式0'2TTDqbiL'2(管外壁圆方程）2020/3/13输油管道设计与管理18aREiahREiRtt4442222'2当时，224thR2/DhtaREi42ahREit4422可简化为：aREiRt422'22020/3/13输油管道设计与管理19一般认为，当K’≈α2’=2.8-3.5W/m2℃时，预热过程达到稳定，从而可由上式求得所需的预热时间τ。但根据此式计算的预热时间偏长，主要原因如下：1、实际预热过程的散热量不是常数，是随时间变化的。一般比正常运行时的qL要大得多。2、取管外壁温度等于该点的土壤温度也是有误差的。实际上管壁与土壤之间有间隙，存在接触热阻。3、推导中忽略了地表散热和土壤自然温度场的影响。4、公式未反映出断面位置的影响。实际上，由于沿线水温不同，沿线各断面的土壤温度场变化亦不同。加热站出口处水温高，达到同样的温度分布所需的时间比站间末端短得多，而公式中却未包含这个因素，显然是不合实际的。2020/3/13输油管道设计与管理202．恒壁温法这种方法作了如下假设：①把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。②忽略地面散热的影响。③热源开始作用前，管壁及周围土壤温度为T0，一开始加热，管壁温度立即跃升到等于稳定状态下的温度，且保持不变，故名“恒壁温法”根据上述假设，列出二维导热微分方程，通过计算机求解，并将结果用因次分析法整理得到：)/953.0(362.033.00'FNut2020/3/13输油管道设计与管理21ttDNu/'2'20/tFaD式中：33.066.0263.21362.0'ttaDD33.01266.0362.0'953.01tttDDa①上式未体现埋深ht的影响，推导实际上是按ht/D→∞考虑的。实际上，ht/D越小，需要的预热时间越长。因此只有当ht/D较大(如ht/D4)时，上述假设才是合理的。由此可见，该式计算的预热时间偏短。分析上式可以发现：2020/3/13输油管道设计与管理22②该式同样未体现土壤自然温度及断面位置的影响。实际的预热过程既不是恒热流的也不是恒壁温的。若达到同样的α2’，恒热流法计算的时间较长，偏于保守，恒壁温法偏短，偏于不安全。例：一条管道φ720，埋深ht=1.6m，若要达到α2’=3.5W/m2℃，则：按恒热流法计算所需预热时间＝305h≈13天按恒壁温法计算所需预热时间＝99h≈4天2020/3/13输油管道设计与管理23这是从我国长输管道投产实践中总结出来的一种近似计算方法。根据我国多次长输热油管道的投产实践证明是可行的。这种方法认为当预热过程的实际蓄热量与稳定工况