管道總傳熱系數(shù)計算

1、1 管道總傳熱系數(shù)管道總傳熱系數(shù)就是熱油管道設計與運行管理中得重要參數(shù)。 在熱油管道穩(wěn)態(tài)運行方案得工藝計算中， 溫降與壓降得計算至關(guān)重要， 而管道總傳熱系數(shù)就是影響溫降計算得關(guān)鍵因素，同時它也通過溫降影響壓降得計算結(jié)果。1、1 利用管道周圍埋設介質(zhì)熱物性計算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，單位時間內(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)散熱得強弱。 當考慮結(jié)蠟層得熱阻對管道散熱得影響時，根據(jù)熱量平衡方程可得如下計算表達式：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 計算直徑， m；（對于保溫管路取保溫層內(nèi)外徑得平均值，對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 層相應得導熱系數(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。為計算總傳熱系數(shù) K ，需分別計算內(nèi)部放熱系數(shù)導熱熱阻、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 得確定放熱強度決定于原油得物理性質(zhì)及流動狀態(tài)，可用1 與放熱準數(shù)N u 、自然 47對流準數(shù) Gr 與流體物理性質(zhì)準數(shù)Pr 間得數(shù)學關(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 Gr gPr >500時：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：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 放熱準數(shù)，無因次；流體物理性質(zhì)準數(shù)，無因次；自然對流準數(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動粘度，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熱系數(shù)，原油得導熱系數(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：冊鄴婭鈰膽厴愷。（1-7 ）15f l5時得原油密度， kg/m3；t f

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

6、。 如忽略內(nèi)外徑得差值， 則總傳熱系數(shù)可近似按下式計算：顥遙鶼撈顆颯銠。K = 11（1-8 ）di1a1+ ? l i+a2其中：對于保溫管道，保溫層得熱阻起決定影響。故對于壁厚 g 、外包 b 厚保溫材料得保溫熱油管道：輊ln( 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 得確定在原油長輸管道內(nèi)， 液體得流動狀態(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

7、于埋地敷設管道： 誘舊傖諢搗薊擁。當管道得埋設深度 ( 管中心至地表面 ) 小于 2m 時，采用下面得公式計算：（ 1-10 ）（ 1-11 ）（ 1-12 ）（ 1-13 ）式中：s 土壤得導熱系數(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?shù)匾荒曛性缕骄米畹偷孛鏈囟?，；ta 空氣溫度，取當?shù)匾荒曛性缕骄米畹涂諝鉁囟?，。當管道理設深度大于2m 時，可采用下面得公式計算2 ：（ 1-16 ）式中符號得意義同前。從上述得公式中可以瞧出，確定出土壤導熱系數(shù)就是計算埋地管道 2 得關(guān)鍵。土壤得導熱系數(shù)與組成土壤固體物質(zhì)得導熱系數(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)。用理論計算很難得到準確值，因此推薦采用理論計算與參考類似管道實測值相結(jié)合得方法。輳藥趨駐鶴鱺紲。（ 4）結(jié)蠟層厚度計算在計入原油蠟結(jié)晶析出得潛熱后，長為 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， 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對于距泵站出口 x 米處得管路而言，其清管后得運行時間可由下式計算：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)清管后運行小時得結(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)律可通過試驗求得；DL 結(jié)蠟后得管道內(nèi)徑，m；L 結(jié)蠟層得導熱系數(shù)，W/( m ·)；L 0從下一站收到清管

12、器開始計算得時間，s；DL運行小時后得結(jié)蠟層內(nèi)徑，m；L運行小時后得結(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)運行時，根據(jù)各已知得運行參數(shù)，利用蘇霍夫公式反算出埋地管道總傳熱系數(shù)， 根據(jù)油氣集輸設計規(guī)范得規(guī)定，當管道長度 L30 km且管徑 D300mm時，輸油管道得熱力計算應考慮管道水力摩擦生熱得影響，即按列賓宗公式進行熱力計算： 輯韌鏢綱饅樂躕。ln T1 - T0 - b = K p DwL（1-28 ）T2 - T0 - bGc擔躦飪說摯曉測。（ 1-29 ）式中： T0 管外環(huán)境溫度， ( 取管道

13、中心埋深處地溫） ；T1 管道起點油溫，；T2 終點油品溫度，；L 管道長度， 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間內(nèi)得實際傳熱狀況，可采用最小二乘法來推算總傳熱系數(shù)K。設在某一運行期內(nèi)，某站間管段得n 組運行參數(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)造一個關(guān)于變量K 得無約束優(yōu)化問題。因為最小二乘法能充分利用管道得實際運行參數(shù)，在一定程度上可以消除各種隨機因素得影響，反算出得K 值比較真實可靠。采用最小二乘法擬合 K 值得基本原理就是：求得一個合適得K 值，使得按此K 值計算得進站溫度與相應得實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 - 運行參數(shù)反算法來瞧 , 管道運行得穩(wěn)定性與運行參數(shù)得測定精度就是影響總傳熱系

15、數(shù)測試結(jié)果得主要因素。 渦堅潰詡實萇繢。1 管道埋深得影響 : 根據(jù)埋地總傳熱系數(shù)計算公式 , 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)中對總傳熱系數(shù)影響最大得就是土壤導熱系數(shù)，土壤導熱系數(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)定運行工況,因而管道運行工況得穩(wěn)定性對總傳熱系數(shù)測試結(jié)果有重大得影響, 運行工況不穩(wěn)定可能會導致極不合理得總傳熱系數(shù)測試結(jié)果。

16、因此 , 在反算總傳熱系數(shù)時 , 應當選取管線穩(wěn)定運行期間得運行參數(shù)。 蕘搗閉魘鐠燁戰(zhàn)。4 站間溫降得影響 : 站間溫降越小 , 抵抗運行參數(shù)波動與測量誤差得能力越差 , 總傳熱系數(shù)計算結(jié)果得誤差就越大。 澀誑蠶澆彥儷幬。運行參數(shù)測量精度得影響: 由計算公式可知 , 影響總傳熱系數(shù)計算結(jié)果得運行參數(shù)包括輸量、進出站壓力與進出站溫度 , 其中影響最大、測量精度最難保證得就是進出站溫度。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得方法測量進出站溫度 , 由于套管熱阻、溫度計本身誤差與讀數(shù)誤差等原因 , 測量結(jié)果很難反映管道中得實際油溫 , 誤差常在 1以上 , 當站間溫降較小時 , 會給總

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