架空熱油管道保溫層厚度計算

于麗麗，王為民，張純靜，杜義朋，常艷兵

（遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001）

架空熱油管道保溫層厚度計算

于麗麗，王為民，張純靜，杜義朋，常艷兵

（遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001）

建立了管道保溫計算的數學模型，通過具體實例，用計算機編程得出大量數據，通過origin8.0軟件繪出保溫層厚度分別與保溫效率、管道總傳熱系數、保溫層表面溫度和沿程溫降的關系圖，不僅直觀地體現了保溫層厚度對管道傳熱的影響以及變化趨勢，還可以從圖中查出任意厚度下的保溫情況，為求解熱油管道保溫層厚度提供一種新方法。

熱油管道；保溫層；保溫效率

當輸送凝點高于環境溫度的易凝高粘油品時，工程上最常用的方法是加熱降粘輸送，為了減少熱油管道的熱損失，維持油溫在凝點以上，對管路適當保溫是相當必要的。目前工程上所用的經濟保溫厚度的計算存在不足，只考慮了滿足經濟上的條件，但不一定滿足溫降條件，也不能反應保溫效率，本文通過曲線圖直觀地分析保溫效率與保溫層厚度的關系，可以根據不同輸送要求從圖中選擇合理的保溫層厚度，如果經濟厚度在此范圍內，就以經濟厚度為標準。

1 數學模型的建立

1.1 保溫效率

1.2 管道傳熱系數的求解

管道架空總傳熱系數的影響因素有很多，如管內外溫差，管徑，架空高度，保溫層的厚度、導熱系數、接口縫隙大小、含濕率等，其中保溫層厚度是最主要的影響因素。這里只考慮理論計算的影響，紊流情況下內部放熱系數通常大于100 W /(m2?℃) ，是層流內的數十倍，層流時a1必須計入；鋼管壁的導熱系數是保

h=(q-qb)q= (kwD-kbDb) (kwD)（1）式中：q、D、kw—無保溫層單位管長的散熱量，W/m；管外徑，m；總傳熱系數， W /(m2?℃);

qb、Db、kb有保溫層單位管長的散熱量，W/m；管外徑，m；及其總傳熱系數 W /(m2?℃)。溫層的導熱系數近1 000倍，熱阻較小，可以忽略不計；凝油與結蠟層的導熱系數比較小，它們對熱阻的影響較大，管道結蠟有利于保溫；外部放熱包括對流和輻射，主要與環境溫度、風速有關，保溫層外有保護層，保護層應由不同材料保溫層而定。

表1 架空熱油管路總傳熱系數參數求解表Table 1 Analytical formulas of parameters of the total heat transfer coefficient of overhead hot oil pipeline

公式（2）適用于穩定傳熱條件，沿程管道的傳熱系數是隨時間和管長變化的，工程上通常采用反算法計算同類地區已正常運行的熱油管道的k值，在設計計算時，通常參照穩定條件下的k值，再適當加大作為新設計管道的總傳熱系數。

1.3 最經濟保溫層厚度

綜合考慮保溫投資費用和每年管路的熱能消耗費用，使總費用最小，公式[3]如下：

2 約束條件

2.1 保溫層表面溫度

工程上，管內輸送流體溫度很高時，為了減少熱損失和保證工作人員安全，限定保溫層表面厚度一般不應超過50 ℃[4]，根據管道各層散熱量守恒得出如式（4）。

式中：tm指保溫層表面溫度,℃。

2.2 沿程溫降

沿程溫降不能低于油品最低輸送溫度要求，溫降公式[1]如式（5）。

3 計算機編程求解及繪圖

利用數學模型設計程序代碼，基本設計方法如下，程序1：(1) 輸入基本參數及基本函數，先設保溫層厚度為 0 mm；(2)求解各項熱阻；(3)求解總傳熱系數；(4)校核鋼管壁溫；(5)輸出總傳熱系數，保溫效率，保溫層壁面溫度，經濟保溫厚度；(6)保溫層厚度增加 1 mm，回到第(2)步，當保溫效率達到95%時停止循環。程序 2：輸入基本參數和基本函數，計算水力坡降[5]，用程序 1計算總傳熱系數的結果帶入公式（5）中，使用循環語句計算每增加1 km管路不同保溫效率的溫降，輸出數據。對上述數據保留三位小數，用origin8.0繪出曲線。

4 計算及分析

算例：某條管道輸送某種原油，管徑為 D720×15，輸量2×107t/a，50 ℃油品運動粘度80 m2/s，20 ℃密度870 k g/m3，起點油溫65 ℃，油品凝點為30 ℃，比熱容為2 k J/(kg? ℃ ) ，70 km管長，環境溫度為12 ℃，風速取3 m/s，無凝油和結蠟，瀝青涂層厚度6 mm，瀝青導熱系數取0.15 W /(m ?℃ ) ，鋼管導熱系數48 W /(m ?℃ ) ，管道年運行時間8 000 h，計息年數10 a，保溫層材料（聚氨酯硬質泡沫塑料導熱系數 取0.026 W /(m ?℃ ) ）單價1 600 元 /m3，熱能價格29元/1 06kJ，設沿程水力坡降（經編程計算得i=0.004 37）、總傳熱系數為定值。計算經濟保溫層厚度及其對應的傳熱系數、保溫效率和沿程溫降。

圖 1反應的是聚氨酯硬質泡沫塑料的傳熱系數、保溫效率、保溫層便面溫度分別與保溫層厚度的關系，曲線嚴格按每1 mm取計算一次的所得的數據繪制而來，為了保證精度，計算數據保留了三位有效數字。圖中管道總傳熱系數（A）可取到 2位小數，保溫效率（B）和保溫層表面溫度（C）讀取到1位小數。圖2分析了聚氨酯硬質泡沫塑料不同保溫效率下管道的沿程溫降，效率越高，溫降越小，由于曲線密集，沒有列出所有保溫效率的曲線，可以采用差值求出，保留1位小數。

圖1聚氨酯硬質泡沫塑料的溫效圖Fig. 1 Insulating efficiency of polyurethane rigid foam

圖2 聚氨酯硬質泡沫塑料沿程溫降與保溫效率的關系Fig.2 Relationship between temperature decrease along the pipeline and insulating efficiency of polyurethane rigid foam

當保溫效率達到 80%時所對應的保溫層厚度24 mm，傳熱系數為1.81 W /(m2?℃) ，保溫層表面溫度為19.5 ℃。終點油溫56.1 ℃，亦滿足輸送要求。經濟保溫層厚度在保證運輸的條件下，考慮了保溫層費用和熱能費用的關系，但這種方法只考慮了經濟費用，不一定都滿足溫降要求，為了解決這一問題，保溫效率圖還應該參照溫降曲線圖。圖2中，無保溫層的管道溫降很快，70 km的管程終點溫度（查圖得29.2 ℃）低于油品凝點，管路必須保溫，保溫材料的保溫效果顯而易見。對于具體問題可以在滿足輸送要求的基礎上適當選擇保溫效率，從而確定保溫層的厚度，然后考慮經濟厚度，本算例推薦使用經濟保溫層厚度。

圖3比較了幾種材料的保溫效率：聚氨酯硬質泡沫塑料取0.026 W/(m ?℃ )；玻璃棉氈取0.041 W /(m? ℃ ) ；礦渣棉氈取 0.060 W /(m ?℃ )；石棉硅藻土取 0.081 W /(m? ℃ ) ；水泥泡沫混凝土l5取 0.100 W/(m? ℃ ) 。 保 溫 層 導 熱 系 數 減 少0.02 W /(m ?℃ ) ，60 mm經濟厚度下保溫效率提高約4%，隨著保溫層厚度的增加，保溫效率隨之增加，保溫效率在80%左右，增加趨勢明顯減緩，不同的材料應選擇相應的最佳保溫效率，如果效率過低即使達到了保溫效果，也沒有充分發揮出材料的性能，效率過高，會浪費保溫材料。

圖3 幾種材料的保溫層厚度與保溫效率的關系Fig.3 Relationship between insulating layer thickness and insulating efficiency for some kinds of material

［1］楊筱蘅.輸油管道設計與管理[M].東營：中國石油大學出版社,2006：33-97.

［2］楊世銘，陶文栓.傳熱學[M].北京：高等教育出版社，1998：424.

［3］郭光臣，董文蘭，張志廉.油庫設計與管理[M]. 東營：中國石油大學出版社, 1994：214-220.

［4］國家標準局.GB-8175-2008 設備及管道絕熱設計導則[S]. 2008-6.

［5］馬貴陽.工程流體力學[M].北京：石油工業出版社，2009：140-145.

Calculation of Thermal Insulating Layer Thickness of Overhead Hot Oil Pipelines

YU Li-li,WANG Wei-min,ZHANG Chun-jing,DU Yi-peng,CHANG Yan-bing
（Academy of Petrol and Natural Gas Engineering,Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China）

The mathematical model of thermal insulating calculation of pipelines was established. Through a certain example, large amounts of data were achieved by the computer programming. It was drawn that the relational graph of insulating layer thickness respectively with the insulation efficiency, the total heat transfer coefficient of the pipeline,surface temperature of thermal insulation layer by origin8.0 software, and the relational graph between different insulation efficiency and temperature decrease along the pipeline was also drawn. These graphs not only can show effect of insulating layer thickness on heat transfer coefficient of the pipeline as well as change trend, but also can trace heat preservation condition under different insulating layer thicknesses, which may provide a new method to calculate the insulation layer thickness of hot oil pipelines.

Hot oil pipeline；Thermal insulating layer；Insulating efficiency

TQ 015

A

1671-0460（2012）01-0103-03

2011-00-00

于麗麗（1987-），女，黑龍江綏化人，在讀研究生，2010年畢業于東北石油大學油氣儲運專業，研究方向：油氣儲運。E-mail：yulili95@163.com。