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1、1一、管道的投油一、管道的投油1、热油管道投油时的放热过程、热油管道投油时的放热过程我我们们在在讨讨论论热热油油管管道道的的温温降降时时，是是以以稳稳定定运运行行状状态态为为前前提提的的，即即认认为为油油流流在在某某一一时时间间内内通通过过各各传传热热环环节节所所传传递递的的热热量量都都等等于于同同一一时时间间内内油油流流由由于于温温度度降降低低而而放放出出的的热热量量。传传热热环环节节的的各各物物质质，只只起起到到热热量量传传递递的的作作用用，自自身身不不储储存存热热量量，温温度度没没有变化。有变化。2热油管道的投油过程中，与稳定运热油管道的投油过程中，与稳定运行状态有不同。由于热油管道的输
2、行状态有不同。由于热油管道的输送油流温度一般都要比管道周围的送油流温度一般都要比管道周围的环境温度高出许多，若输送温度下环境温度高出许多，若输送温度下的热油直接进入环境温度下的冷管，的热油直接进入环境温度下的冷管，油流与管道及管道周围环境的温差油流与管道及管道周围环境的温差较大，不具备稳定传热的条件。较大，不具备稳定传热的条件。3所以，热油管道的投油过程中是所以，热油管道的投油过程中是一个不稳定的传热过程。在这个一个不稳定的传热过程。在这个过程中，既存在油流向管道周围过程中，既存在油流向管道周围环境的放热，又存在管道及周围环境的放热，又存在管道及周围环境的蓄热。环境的蓄热。4在投油的初期，以蓄
3、热为主，首先在投油的初期，以蓄热为主，首先是热油头将热量传递给管壁，管壁是热油头将热量传递给管壁，管壁蓄热，温度升高蓄热，温度升高;随后埋地管道周随后埋地管道周围的土壤蓄热，温度逐渐升高，直围的土壤蓄热，温度逐渐升高，直到稳定传热条件的建立。其中，最到稳定传热条件的建立。其中，最先进入管道的油头始终与冷管壁接先进入管道的油头始终与冷管壁接触，热量的损失最大，温降最快，触，热量的损失最大，温降最快，有可能在油流没有到达下一加热站有可能在油流没有到达下一加热站或终点之前就降到油品的凝固点以或终点之前就降到油品的凝固点以下。下。5即即使使没没有有降降到到油油品品的的凝凝固固点点以以下下，若若油油流流
4、的的温温度度低低于于设设计计最最低低温温度度较较多多，油油品品的的粘粘度度较较大大，管管道道摩摩阻阻损损失失较较大大，需需要要的的启启动动压压力力较较高高，一一方方面面受受到到输输油油泵泵升升压压能能力力的的限限制制，另另一一方方面面受受到到管管道道与与设设备备承承压压能能力力的的限限制制，使使管管道道的的投投油过程难以进行下去。油过程难以进行下去。6故故热热油油管管道道的的冷冷管管直直接接投投油油一一般般只只用用于于短短距距离离输输油油管管道道。目目前前，长长距距离离热热油油管管道道大大都都采采用用热热水水预预热的方式启动。热的方式启动。72、埋埋地地热热油油管管道道预预热热时时间间的的计计
5、算算管道预热的目的是使管道和管道管道预热的目的是使管道和管道周围环境储存一定的热量，减少周围环境储存一定的热量，减少投油时油流的热损失，保证投油投油时油流的热损失，保证投油过程的顺利进行。架空管道预热过程的顺利进行。架空管道预热过程的蓄热，主要是管壁和管道过程的蓄热，主要是管壁和管道保温层的蓄热，热容量较小，需保温层的蓄热，热容量较小，需要的预热时间也较短。要的预热时间也较短。8埋地管道周围地壤的热容量较大，埋地管道周围地壤的热容量较大，达到稳定传热需要的时间较长。达到稳定传热需要的时间较长。实实际际上上，没没有有必必要要预预热热至至稳稳定定状状态态再再投投油油。根根据据经经验验，在在夏夏秋秋
6、季季投投产产时时，预预热热过过程程进进行行到到厚厚为为的的环环形形地地层层的的蓄蓄热热量量达达到到稳稳定定蓄蓄热热量量的的3550就就可可投投油油，此此时时管管道道的的传传热热系系数数约约为为3.24.0W/(m20C)。9由由于于不不稳稳定定传传热热影影响响因因素素的的复复杂杂性性，理理论论上上准准确确计计算算热热油油管管道道预预热热过过程程达达到到某某一一状状态态需需要要的的时时间间是是困困难难的的。目目前前，大大都都是是在在一一定定假假设设简简化化的的前前提提下下计计算算。常常用用的的有有恒恒热热流流法法、恒恒壁壁温温法法和和蓄蓄热热量量法。法。10（1）恒热流法计算预热时间）恒热流法计
7、算预热时间恒恒热热流流法法是是将将埋埋地地热热油油管管道道看看作作是是半半无无限限大大均均匀匀介介质质中中连连续续作作用用的的线线热热源源，并并假假设设预预热热过过程程中中油油流流在在单单位位时时间间内内向向环环境境放放出出的的热热量量恒恒等等于于稳稳定定运运行行状状态态时时的的放放热热量量。将将这这样样一一种种热热力力学学模模型型，利利用用源源汇汇法法理理论论处处理理，可可以以得得到到预预热热终终了了状状态态的的传传热系数与预热时间的关系式为：热系数与预热时间的关系式为：11当当 时，上式可简化为：时，上式可简化为：12式式中中 预预热热达达到到投投油油条条件件时时管管道道的的传传热热系系数
8、数，W/(m20C)，由由于于埋埋地地管管道道的的预预热热，主要是土壤温度场的蓄热，所以主要是土壤温度场的蓄热，所以 ;土壤的导温系数，土壤的导温系数，m2/h;土壤的比热容，土壤的比热容，kJ/(kg0C);土壤的密度，土壤的密度，kG/m3;达到投油条件所要的预热时间，达到投油条件所要的预热时间，h;幂积分函数幂积分函数;R 管道的计算半径，管道的计算半径，m。13利利用用上上式式计计算算达达到到投投油油条条件件所所需需的的时时间间，一一般般比比达达到到相相同同条条件件所所需需的的实实际际时时间间要要大大。引引起起计计算算误误差差的的原原因因主主要要是是实实际际预预热热过过程程中中油油流流
9、的的散散热热量量是是随随时时间间变变化化的的，并并且且都都大大于于稳稳定定运运行行状状态态时时的的散散热热量量，计计算算时时假假设设全全部部预预热热时时间间内内的的散散热热量量都都等等于于稳稳定定运运行行状状态态时时的的散散热热量量，导导致致计计算算结结果果偏偏大大。故故利利用用恒恒热热流流法法计计算算的的预预热热时时间间指指导导热热油油管管道道的的投投产产，是偏于安全的。是偏于安全的。14（2）恒壁温法计算预热时间）恒壁温法计算预热时间恒恒壁壁温温法法是是将将埋埋地地热热油油管管道道看看作作是是无无限限大大均均匀匀介介质质中中连连续续作作用用的的圆圆柱柱形形热热源源，忽忽略略地地表表散散热热
10、的的影影响响，并并假假设设在在预预热热开开始始时时，管管壁壁处处的的土土壤壤温温度度就就从从环环境境温温度度在在瞬瞬间间升升高高到到预预热热终终了了时时的的温温度度，并并在在整整个个预预热热过过程程中中保保持持不不变变。根根据据这这样样一一种种边边界界条条件件，利利用用因因次次分分析析的的方方法法，可可以以得得到到预预热热终终了了状状态态的的传热系数与预热时间的关系式为：传热系数与预热时间的关系式为：15式中式中 称为傅立叶准数，称为傅立叶准数，将其代入止上式可得：将其代入止上式可得：16利利用用上上式式计计算算达达到到投投油油条条件件所所需需的的时时间间，一一般般比比达达到到相相同同条条件件
11、所所需需的的实实际际时时间间要要小小。引引起起计计算算误误差差的的原原因因主主要要是是实实际际预预热热过过程程中中管管壁壁处处的的土土壤壤温温度度升升高高至至预预热热终终了时的温度，也需要一定的时间。了时的温度，也需要一定的时间。17（3）经验蓄热量法计算预热时间）经验蓄热量法计算预热时间经经验验蓄蓄热热量量法法计计算算预预热热时时间间的的表表达达式式为：为：式式中中 X预预热热达达到到投投油油条条件件时时，管管道道周周围围温温度度场场的的蓄蓄热热量量占占稳稳定定状状态态蓄蓄热热量量的的百百分分数数，根根据据经经验验，秋秋季季投投产产时时，此此值值取取5060，夏夏季季投投产产时时，此此值取值
12、取3540;18 预预热热过过程程中中，散散失失到到计计算算温温度度场场以以外外的的热热量量，kJ，根根据据经经验验，秋秋季季投投产产时时，此此值值取取稳稳定定蓄蓄热热量量的的50，夏夏季季投投产产时时，可忽略此项影响可忽略此项影响;加加热热站站热热力力设设备备的的热热负负荷荷，kJ/h，为为了了缩缩短短预预热热时时间间，在在预预热热时时，大大都都尽尽时使热力设备的热负荷达到最大时使热力设备的热负荷达到最大;预预热热过过程程中中加加热热设设备备的的利利用用系系数数，主主要要是是考考虑虑热热水水在在管管道道中中停停留留以以及及倒倒换换流流程时加热炉的压火，一般取此值为程时加热炉的压火，一般取此值
13、为70;19计计算算温温度度场场内内稳稳定定状状态态下下的的蓄蓄热热量量，kJ，可可由由稳稳定定状状态态下下的的工工作作参参数数计计算算。计计算算稳稳定定状状态态蓄蓄热热量量的的步骤是：步骤是：将将 的的环环层层土土壤壤分分为为46层层。由由于于靠靠近近管管壁壁处处的的土土壤壤温温度度较较高高，远远离离管管壁壁处处的的土土壤壤温温度度较较低低，在在分分层层时时，靠靠近近管管壁壁处处层层距距小小些些，远远离离管壁处层距大些，如图所示。管壁处层距大些，如图所示。20*21计算各层土壤的温度计算各层土壤的温度由由源源汇汇法法可可得得图图中中坐坐标标为为（)点点的温度为：的温度为：式式中中 是是源源汇
14、汇法法中中热热源源中心位置在中心位置在y轴上的坐标。轴上的坐标。22由由 的的表表达达式式可可知知，热热源源中中心心在在管管中心偏上的位置中心偏上的位置;稳稳定定传传热热时时单单位位管长上的散热量，管长上的散热量，W/m;稳稳定定传传热热时时油油流流的的平平均均温温度度，0C。23计计算算环环形形土土壤壤温温度度场场的的稳稳定定蓄蓄热量热量第第 层土壤的平均温度为：层土壤的平均温度为：第第 层土壤的稳定蓄热量为：层土壤的稳定蓄热量为：24则厚度为（则厚度为（）环形土壤温度场的）环形土壤温度场的稳定蓄热量为：稳定蓄热量为：式式中中 土土壤壤的的密密度度，kg/m3，其其值值大大都都在在16002
15、200kg/m3之之间间，使使用用时也可通过实测获得时也可通过实测获得;土土壤壤的的比比热热容容，kJ/(kg0C),其其值值随随含含水水的的不不同同有有较较大大的的差差别别，使使用用时时可通过实测获得，也可由下式计算：可通过实测获得，也可由下式计算：25式中式中 为干燥土壤的比热容，为干燥土壤的比热容，一般一般沙土、粘土，在常温下可取沙土、粘土，在常温下可取0.84kJ/(kg );为水的比热容，为水的比热容，kJ/(kg );为土壤的含水率，为土壤的含水率，;为第为第 土壤的体积，由几何关系土壤的体积，由几何关系可得：可得：263、投油过程中的参数分析、投油过程中的参数分析由由于于水水是是
16、一一种种价价格格较较低低，使使用用方方便便，流流动动摩摩阻阻小小，比比热热容容较较大大的的流流体体，所所以以，大大都都选选用用清清水水作作为为热热油油管管道道预预热热的的热热载载体体。根根据据水水源源的的位位置置，可可以以采采用用正正向向预预热，也可以采用反向预热。热，也可以采用反向预热。27为为了了减减少少水水的的用用量量，并并减减少少热热水水排排放放的的热热量量损损失失，对对于于长长距距离离大大直直径径输输油油管管道道，大大都都采采用用正正反反向向交交替替运运行的方式预热。行的方式预热。由由于于水水与与油油的的密密度度、比比热热容容、粘粘度度等等性性质质不不同同，在在预预热热结结束束，进进
17、行行油油与与水水的的置置换换过过程程中中，运运行行参参数数会会发发生生一一些些变变化化，并并会会产产生生一一定定的的混混油油段。段。28如如果果投投油油时时的的输输油油量量达达到到了了设设计计输输量量，则则输输水水预预热热与与输输油油时时的的热热负负荷荷基本相同，即：基本相同，即：由于由于 ，所以所以 。投投油油时时输输量量增增大大，后后面面的的油油流流推推动动前前面面的的水水流流加加速速流流动动，在在单单位位内内通通过过同同一一截截面面的的热热量量增增加加，各各截截面面的的温温度度会会有有暂暂时时的的升升高高，油油水水置置换换结结束束后，又恢复至预热终了时的值。后，又恢复至预热终了时的值。2
18、9如如果果投投油油时时的的输输油油量量达达不不到到设设计计输输量量，在在输输水水预预热热时时为为了了缩缩短短预预热热时时间间，使使热热力力设设备备满满负负荷荷运运行行，则有则有 投投油油时时热热负负荷荷减减小小，在在单单位位内内通通过过同同一一截截面面的的热热量量减减少少，各各截截面面的温度会有所下降。的温度会有所下降。30另另外外，由由于于油油与与水水的的密密度度、粘粘度度的的不不同同，在在两两者者的的置置换换过过程程中中，会会引引起起输输油油泵泵的的功功率率、扬扬程程以以及及管管道道摩摩阻阻等等水水力力参参数数的的变变化化，操操作作时时，要要根根据据具具体体情情况况进进行行调调节节，特特别别注注意意，不要使电机过载。不要使电机过载。油油水水交交替替过过程程中中油油内内混混入入的的水水分分，大大都都可可以以用用热热沉沉降降的的方方法法脱脱除除，但但要备有足够容量的沉降储罐。要备有足够容量的沉降储罐。