管道總傳熱系數(shù)計(jì)算

1、1 管道總傳熱系數(shù)管道總傳熱系數(shù)就是熱油管道設(shè)計(jì)與運(yùn)行管理中得重要參數(shù)。 在熱油管道穩(wěn)態(tài)運(yùn)行方案得工藝計(jì)算中， 溫降與壓降得計(jì)算至關(guān)重要， 而管道總傳熱系數(shù)就是影響溫降計(jì)算得關(guān)鍵因素，同時(shí)它也通過溫降影響壓降得計(jì)算結(jié)果。1、1 利用管道周圍埋設(shè)介質(zhì)熱物性計(jì)算K 值管道總傳熱系數(shù) K 指油流與周圍介質(zhì)溫差為 1時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)通過管道單位傳熱表面所傳遞得熱量， 它表示油流至周圍介質(zhì)散熱得強(qiáng)弱。 當(dāng)考慮結(jié)蠟層得熱阻對(duì)管道散熱得影響時(shí)，根據(jù)熱量平衡方程可得如下計(jì)算表達(dá)式：攜鳳嘆鎢銬琺盤。輊驏- 1犏Di +111ln 琪Di1Dn犏+?桫+（1-1 ）KDe = 犏+a2 Dw2l ilnDLa1 D

2、n2l L犏犏臌式中： K 總傳熱系數(shù)， W/( m2·) ；De 計(jì)算直徑， m；（對(duì)于保溫管路取保溫層內(nèi)外徑得平均值，對(duì)于無保溫埋地管路可取瀝青層外徑）；Dn 管道內(nèi)直徑， m；D w 管道最外層直徑，m；1 油流與管內(nèi)壁放熱系數(shù)，W/(m 2· )；2 管外壁與周圍介質(zhì)得放熱系數(shù)，W/(m 2· )；i 第 i 層相應(yīng)得導(dǎo)熱系數(shù)， W/(m· )；Di ， D i+1 管道第 i 層得內(nèi)外直徑， m，其中 i = 1,2,3. n ；D L 結(jié)蠟后得管內(nèi)徑，m。為計(jì)算總傳熱系數(shù) K ，需分別計(jì)算內(nèi)部放熱系數(shù)導(dǎo)熱熱阻、管道外壁或最大外圍至周圍環(huán)境得放

3、熱系數(shù)1 、自管壁至管道最外徑得2 。 執(zhí)據(jù)獪邐斬禍許。（ 1）內(nèi)部放熱系數(shù)1 得確定放熱強(qiáng)度決定于原油得物理性質(zhì)及流動(dòng)狀態(tài)，可用1 與放熱準(zhǔn)數(shù)N u 、自然 47對(duì)流準(zhǔn)數(shù) Gr 與流體物理性質(zhì)準(zhǔn)數(shù)Pr 間得數(shù)學(xué)關(guān)系式來表示。陘圣虯錈鷙碭鵪。a dNuy =1= 3.65在層流狀態(tài)（ Re<2000），當(dāng) Gr gPr >500時(shí)：a1d驏0.250.330.430.1琪PryNu y = 0.15Re y鬃PryGr y琪l桫Prb在激烈得紊流狀態(tài)（ Re>104），Pr<2500 時(shí)：l驏0.250.80.44琪a1Pry= 0.021Rey鬃Pry琪dPrb桫在過

4、渡區(qū) ( 2000<Re<104)式中： N u 放熱準(zhǔn)數(shù)，無因次；流體物理性質(zhì)準(zhǔn)數(shù)，無因次；自然對(duì)流準(zhǔn)數(shù)，無因次；雷諾數(shù)；K 0 = f (Re f ) 系數(shù)；d 管道內(nèi)徑， m；g 重力加速度，g 9、81m/s2；2定性溫度下得流體運(yùn)動(dòng)粘度，m /s；（1-2 ）（1-3 ）（1-4 ）（1-5 ）qv 流體體積流量， m3/s；定性溫度下得流體密度，kg/m3；（1-6 ）f 定性溫度下得流體導(dǎo)熱系數(shù)，原油得導(dǎo)熱系數(shù)f約在 0、 1 0、16 W/(m·K)間，隨溫度變化得關(guān)系可用下式表示：冊(cè)鄴婭鈰膽厴愷。（1-7 ）15f l5時(shí)得原油密度， kg/m3；t f

5、 油 ( 液) 得平均溫度，；tb 管內(nèi)壁平均溫度，；d420 20時(shí)原油得相對(duì)密度。注：上面各式中，參數(shù)角標(biāo)f 表示以管內(nèi)油 ( 液 ) 得平均溫度 t f 為定性溫度；角標(biāo) b 表示以管壁溫度為定性溫度。（ 2）各處管壁導(dǎo)熱得熱阻這部分熱阻包括鋼管、防腐層與保溫層得熱阻。鋼管得導(dǎo)熱系數(shù)g 約為 45W/(m· ) ，其熱阻可忽略不計(jì)；煤焦油瓷漆防腐層導(dǎo)熱系數(shù)f 約為 1 、 1W/(m·) ，黃夾克保溫材料得導(dǎo)熱系數(shù)b 約為 0、 04 W/(m· )。鎰慟騅黽溆壺評(píng)。對(duì)于壁厚g 、外包f 厚煤焦油瓷漆防腐層得非保溫?zé)嵊凸艿?，鋼管及防腐層?duì)總傳熱系數(shù)得影響很小

6、。 如忽略內(nèi)外徑得差值， 則總傳熱系數(shù)可近似按下式計(jì)算：顥遙鶼撈顆颯銠。K = 11（1-8 ）di1a1+ ? l i+a2其中：對(duì)于保溫管道，保溫層得熱阻起決定影響。故對(duì)于壁厚 g 、外包 b 厚保溫材料得保溫?zé)嵊凸艿溃狠eln( Di +1/ Di )ln (D n + 2db + 2d g ) / ( D n + 2d g )?臌（1-9 ）2l i2l b( 3) 外部放熱系數(shù)2 得確定在原油長(zhǎng)輸管道內(nèi)， 液體得流動(dòng)狀態(tài)絕大部分就是紊流狀態(tài)，出現(xiàn)層流狀態(tài)極少。因此，在熱力計(jì)算中，確定 K 值將主要使用公式 (1-1)。在公式 (1-1) 中關(guān)鍵得參數(shù)就是與管道周圍許多因素有關(guān)得2 ，對(duì)

7、于埋地敷設(shè)管道： 誘舊傖諢搗薊擁。當(dāng)管道得埋設(shè)深度 ( 管中心至地表面 ) 小于 2m 時(shí)，采用下面得公式計(jì)算：（ 1-10 ）（ 1-11 ）（ 1-12 ）（ 1-13 ）式中：s 土壤得導(dǎo)熱系數(shù)， W/(m· )；D e 與土壤接觸得管道外直徑，m；ta 土壤至地表空氣間得放熱系數(shù)，W/(m 2·)；h0 管道埋深 ( 管中心至地表面 ) ， m。該放熱系數(shù)包括對(duì)流放熱系數(shù)tac 與輻射放熱系數(shù)taR 兩部分。 tac 與taR 分別用下式確定：（ 1-14 ）（ 1-15 ）式中： va 地表面得平均風(fēng)速，m/s；土壤表面折算黑度；C R 輻射系數(shù)，可取5、 7 W

8、/(m2·h4)；ts 土壤表面溫度，取當(dāng)?shù)匾荒曛性缕骄米畹偷孛鏈囟?，；ta 空氣溫度，取當(dāng)?shù)匾荒曛性缕骄米畹涂諝鉁囟?，。?dāng)管道理設(shè)深度大于2m 時(shí)，可采用下面得公式計(jì)算2 ：（ 1-16 ）式中符號(hào)得意義同前。從上述得公式中可以瞧出，確定出土壤導(dǎo)熱系數(shù)就是計(jì)算埋地管道 2 得關(guān)鍵。土壤得導(dǎo)熱系數(shù)與組成土壤固體物質(zhì)得導(dǎo)熱系數(shù)、 土壤中固體物質(zhì)顆粒大小得分布、土壤含水率、土壤狀態(tài)等許多因素有關(guān)。用理論計(jì)算很難得到準(zhǔn)確值，因此推薦采用理論計(jì)算與參考類似管道實(shí)測(cè)值相結(jié)合得方法。輳藥趨駐鶴鱺紲。（ 4）結(jié)蠟層厚度計(jì)算在計(jì)入原油蠟結(jié)晶析出得潛熱后，長(zhǎng)為 dx 得微元管道上，熱油管道得熱量平

9、衡關(guān)系式（ 1-1 ）可簡(jiǎn)化為 48：輊驏- 1KD= 犏b +b lnDn（ 1-19 ）e犏01琪DL臌桫1ln( Di +1 )+?di1其中：b0 =a1d2l i+a2 Dw（ 1-20 ）b1 = 1（ 1-21 ）2l L如取溫降為 1時(shí)， 從單位質(zhì)量得原油中析出并沉積到管表面得凝油質(zhì)量為bi ，則在 d時(shí)間內(nèi)在軸向溫降為 dT 得 dx 段上沉積得量為：態(tài)謝壩塹覿堯驊。T驏? ebidGL琪dTdt= G 琪?桫T因而使內(nèi)徑縮小了 d DL，則：輊驏dG= p D 犏dD L2rTdxLL 犏琪( )臌桫將式（ 1-23 ）代入式（ 1-22 ）得：G? ebidTp D Ld

10、(DL)r (T ) ? Tdt=dx2dTp K T)Dn T - T0)= -輊(dx驏犏? e yG琪?T犏C (T)+ k 琪臌桫（ 1-22 ）（1-23 ）（ 1-24 ）（ 1-25 ）將式（ 1-25 ）代入式（ 1-24 ）得：輊驏2? ebiT TD L 犏b0Dnd(D L)= -0dt（1-26 ）+ b1 ln 琪D驏犏Lr (T) ? T臌桫+?C T琪 e yk 琪? T( )桫積分后可得：2輊Dnb12輊Dnb1DL0 犏+ b1 ln-D Lt犏+ b1 ln2犏b0D L 02-犏b0DLt-臌2臌2輊（ 1-27 ）犏2犏TT0=? ebit犏驏犏rC T

11、?(T) 犏? T+ k 琪 e y犏()琪?臌桫 T對(duì)于距泵站出口 x 米處得管路而言，其清管后得運(yùn)行時(shí)間可由下式計(jì)算：t =t L 0 +L - xV其中，Dn? 4Dn DLt - 3DL2t - Dn2，則1。ln DLt2DL2td Lt = 2 (D n - DLt )聯(lián)解式（ 1-24 ）與式（ 1-27 ），可求出線路上熱泵站出口x m處，經(jīng)清管后運(yùn)行小時(shí)得結(jié)蠟層內(nèi)徑D L ，從而求解出結(jié)蠟厚度。嚙嬰癘騭貢緲構(gòu)。式中： e y ， ebi 分別為油溫得函數(shù)，其規(guī)律可通過試驗(yàn)求得；DL 結(jié)蠟后得管道內(nèi)徑，m；L 結(jié)蠟層得導(dǎo)熱系數(shù)，W/( m ·)；L 0從下一站收到清管

12、器開始計(jì)算得時(shí)間，s；DL運(yùn)行小時(shí)后得結(jié)蠟層內(nèi)徑，m；L運(yùn)行小時(shí)后得結(jié)蠟厚度，m；L 為站間距離， m；V 管內(nèi)流速， m/s；k 蠟得結(jié)晶潛熱， kJ/kg。1、2 總傳熱系數(shù)得反算法熱油管道穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，根據(jù)各已知得運(yùn)行參數(shù)，利用蘇霍夫公式反算出埋地管道總傳熱系數(shù)， 根據(jù)油氣集輸設(shè)計(jì)規(guī)范得規(guī)定，當(dāng)管道長(zhǎng)度 L30 km且管徑 D300mm時(shí)，輸油管道得熱力計(jì)算應(yīng)考慮管道水力摩擦生熱得影響，即按列賓宗公式進(jìn)行熱力計(jì)算： 輯韌鏢綱饅樂躕。ln T1 - T0 - b = K p DwL（1-28 ）T2 - T0 - bGc擔(dān)躦飪說摯曉測(cè)。（ 1-29 ）式中： T0 管外環(huán)境溫度， ( 取管道

13、中心埋深處地溫） ；T1 管道起點(diǎn)油溫，；T2 終點(diǎn)油品溫度，；L 管道長(zhǎng)度， m；D w 管道外徑， m；K 管道至周圍介質(zhì)得總傳熱系數(shù)，W/(m 2·) ；E 熱功當(dāng)量， E =102（kg·m）/kJ；G 原油質(zhì)量流量， kg/h； 輕鍤偽羋驂輪璉。c 原油比熱容， kJ/(kg ·) ；鳧獫臠聯(lián)瀟薺著。b 由于油流在管道內(nèi)摩擦功轉(zhuǎn)化為熱量；i 管道水力坡降值， m/m。為了更好地反映熱油管道在一段時(shí)間內(nèi)得實(shí)際傳熱狀況，可采用最小二乘法來推算總傳熱系數(shù)K。設(shè)在某一運(yùn)行期內(nèi)，某站間管段得n 組運(yùn)行參數(shù)記錄值為G i ， G1i ， G2i ， i1 n ，根據(jù)

14、最小二乘法原理可構(gòu)造一個(gè)關(guān)于變量K 得無約束優(yōu)化問題。因?yàn)樽钚《朔艹浞掷霉艿赖脤?shí)際運(yùn)行參數(shù)，在一定程度上可以消除各種隨機(jī)因素得影響，反算出得K 值比較真實(shí)可靠。采用最小二乘法擬合 K 值得基本原理就是：求得一個(gè)合適得K 值，使得按此K 值計(jì)算得進(jìn)站溫度與相應(yīng)得實(shí)際記錄值得偏差平方與最小。薈謖徠潑絹遺廈。1、2、1 總傳熱系數(shù)因素分析及結(jié)蠟對(duì)管道溫降與摩阻得影響總傳熱系數(shù)影響因數(shù)分析：從管道總傳熱系數(shù)得定義來瞧 , 影響總傳熱系數(shù)得根本因素就是管道結(jié)構(gòu)、管道埋深與管道周圍土壤得性質(zhì) ; 從總傳熱系數(shù)得確定方法 - 運(yùn)行參數(shù)反算法來瞧 , 管道運(yùn)行得穩(wěn)定性與運(yùn)行參數(shù)得測(cè)定精度就是影響總傳熱系

15、數(shù)測(cè)試結(jié)果得主要因素。 渦堅(jiān)潰詡實(shí)萇繢。1 管道埋深得影響 : 根據(jù)埋地總傳熱系數(shù)計(jì)算公式 , 管道埋深越深 , 管道得散熱熱阻越大 , 總傳熱系數(shù)越小。2 土壤性質(zhì)得影響 : 土壤物性參數(shù)中對(duì)總傳熱系數(shù)影響最大得就是土壤導(dǎo)熱系數(shù)，土壤導(dǎo)熱系數(shù)系數(shù)越大 , 管道總傳熱系數(shù)就越大。而土壤得導(dǎo)熱系數(shù)主要受土壤含水量得影響 , 土壤含水量越高 , 土壤得導(dǎo)熱系數(shù)越大 , 管線得總傳熱系數(shù)也就越大。 執(zhí)讖檔穎鏇鴰職。3 管道運(yùn)行工況穩(wěn)定性得影響: 由于軸向溫降公式得前提就是穩(wěn)定運(yùn)行工況,因而管道運(yùn)行工況得穩(wěn)定性對(duì)總傳熱系數(shù)測(cè)試結(jié)果有重大得影響, 運(yùn)行工況不穩(wěn)定可能會(huì)導(dǎo)致極不合理得總傳熱系數(shù)測(cè)試結(jié)果。

16、因此 , 在反算總傳熱系數(shù)時(shí) , 應(yīng)當(dāng)選取管線穩(wěn)定運(yùn)行期間得運(yùn)行參數(shù)。 蕘搗閉魘鐠燁戰(zhàn)。4 站間溫降得影響 : 站間溫降越小 , 抵抗運(yùn)行參數(shù)波動(dòng)與測(cè)量誤差得能力越差 , 總傳熱系數(shù)計(jì)算結(jié)果得誤差就越大。 澀誑蠶澆彥儷幬。運(yùn)行參數(shù)測(cè)量精度得影響: 由計(jì)算公式可知 , 影響總傳熱系數(shù)計(jì)算結(jié)果得運(yùn)行參數(shù)包括輸量、進(jìn)出站壓力與進(jìn)出站溫度 , 其中影響最大、測(cè)量精度最難保證得就是進(jìn)出站溫度。目前大多數(shù)油田得輸油管道仍然采用套管中插玻璃溫度計(jì)得方法測(cè)量進(jìn)出站溫度 , 由于套管熱阻、溫度計(jì)本身誤差與讀數(shù)誤差等原因 , 測(cè)量結(jié)果很難反映管道中得實(shí)際油溫 , 誤差常在 1以上 , 當(dāng)站間溫降較小時(shí) , 會(huì)給總

17、傳熱系數(shù)測(cè)試結(jié)果帶來巨大誤差。 銫艙燙誕攬勱繆。5 地溫參數(shù)測(cè)量精度得影響: 輸油管道中心埋深處得自然地溫就是影響總傳熱系數(shù)測(cè)試結(jié)果得重要因素。為了保證測(cè)量精度 , 必須選擇合適得測(cè)溫地點(diǎn)與測(cè)溫儀表。在某些管道上 , 目前測(cè)量地溫得方法仍然就是套管中懸掛玻璃地溫計(jì)得方法 , 由于地溫計(jì)不直接與土壤接觸 , 且讀數(shù)時(shí)常常需要將地溫計(jì)向上提升一段距離 , 測(cè)量結(jié)果與實(shí)際地溫有時(shí)偏差相當(dāng)大 , 建議采用與土壤直接接觸得測(cè)量方法 ( 如在地下預(yù)埋測(cè)溫探頭方法或探針法) 。無條件時(shí) , 可采用氣象臺(tái)得地溫測(cè)量結(jié)果。飄躓賀漿嶺獸順。(1) 管內(nèi)壁結(jié)蠟對(duì)管道溫降與摩阻得影響 暉壇錒贍羋鶼驥。管壁結(jié)蠟對(duì)軸向溫降得影響 : 管內(nèi)壁結(jié)蠟后 , 由于結(jié)蠟層得導(dǎo)熱系數(shù)較小 , 一般為 0、15 W/(m2·), 其作用相當(dāng)于增加了一層熱阻。 由于結(jié)蠟層熱阻得存在, 使總傳熱系數(shù)值減小 , 溫度分布曲線變平 , 管線得散熱量減小。當(dāng)出站油溫與輸量不變時(shí) , 下游站得進(jìn)站油溫將提高。 諳倀績(jī)?nèi)O諶嬪銖。管壁結(jié)蠟對(duì)摩阻得影響 : 管壁結(jié)蠟對(duì)摩阻得影響表現(xiàn)為兩個(gè)方面：一方面由于內(nèi)壁結(jié)蠟 , 使流通面積減小 , 內(nèi)徑由