煉廠內保溫管道溫度場模擬研究

施 雯，王 琪，童漢清，鄒家榮

（1. 廣東石油化工學院， 廣東 茂名 525000； 2. 中國海洋石油有限公司深圳分公司， 廣東 深圳 518000）

煉廠內保溫管道溫度場模擬研究

施 雯1，王 琪1，童漢清1，鄒家榮2

（1. 廣東石油化工學院， 廣東 茂名 525000； 2. 中國海洋石油有限公司深圳分公司， 廣東 深圳 518000）

由于重油粘度大，在運輸過程中需要加熱，通常需要在管道外加保溫層。為了有效減少能源損失，降低生產成本，就必須研究管道的保溫材料和保溫層厚度。通過分析管道的幾何特性，建立了管道保溫層溫度場的數學模型,運用有限元分析軟件ANSYS求解該數學模型，得到保溫管道的溫度分布。以廣東茂名石化煉油廠內某一保溫管道為例，基于溫度場模擬結果，計算出保溫經濟厚度。這些問題的求解為減少能量損耗、優化保溫管道設計等問題奠定了理論基礎。

管道；保溫層；經濟厚度；溫度場；ANSYS軟件

在煉廠的生產過程中，由于生產工藝、操作工的技能以及生產設備的需要，一般需要較高的溫度和壓力，才能進行相關反應。為了提高熱經濟性, 減少熱損失, 延長化工管道壽命，同時保持管道正常工作，石化廠內架空管道需要加保溫層。利用有限元軟件對化工管道保溫問題進行數值模擬, 可以得出直觀的數值模擬情況, 進而計算得到適合管道的最佳保溫層厚度，降低生產成本，有助于指導工程實踐。

1 問題的描述

以廣東茂名石化煉油廠內常減壓裝置到原料油緩沖罐之間的管道為研究對象，對其溫度場進行模擬分析。該管道總長度約為3 000 m，架空高度為3 m，年運行時間為8 000 h。管道公稱直徑為400 mm，管材為鉻鎳鋼（18Cr/8Ni），壁厚分級為Sch20。管內流體為渣油，溫度約為250 ℃。現有外層保溫材料為巖棉，厚度為150 mm。鋼管導熱系數為16.6 W/(m·℃)，渣油導熱系數為0.118 W/(m·℃)。年平均環境溫度為26.5 ℃，年平均風速為5 m/s。

2 化工管道有限元分析

有限元法是把求解區域看作由許多小的在節點處相互連接的子域所組成，其模型給出基本方程的子域近似解。由于子域可以被分割成各種形狀和大小不同的尺寸，所以它能很好地適應復雜的幾何形狀、復雜的材料特性和復雜的邊界條件，是一種非常受歡迎的、應用極廣的數值計算方法。ANSYS有限元分析軟件主要包括前處理模塊，加載求解和后處理模塊三個部分[1,2]。

2.1 建立模型

利用 ANSYS軟件前處理程序，根據化工保溫管道的幾何和物理特點，經過單元類型選擇、材料參數確定、幾何建模和單元生成等步驟，建立有限元分析模型，并對模型進行網格劃分，結果如圖 1所示。

圖1 管道模型與網格劃分Fig.1 Pipeline model and meshing

2.2 條件加載與計算結果

（1）設定管道模型的均勻溫度為環境溫度，在管道內部加載穩態邊界條件，得到溫度場模擬結果。

圖2 管道保溫層三維擴展溫度分布云圖Fig.2 Dimensional extended temperature contours of insulation

圖3 管道保溫層沿徑向溫度分布曲線圖Fig.3 Radial temperature profile of insulation

圖2、圖3反映了化工管道及保溫層溫度變化。管道內部溫度分布基本均勻，管道內壁溫度與管內介質溫度相同。這是由于鋼管導熱系數較大，所以溫度層之間熱量交換較強。在保溫層的最內層，其溫度最接近介質溫度，整個保溫層從內到外溫度逐漸降低，溫度與保溫層厚度成線性變化，保溫層溫差較大。由于保溫層材料導熱系數較小，溫度層之間的熱量交換較弱，內外熱交換不迅速，導致出現內部溫度比表面溫度高的現象，減少了表面熱輻射，達到為管道保溫的目的。

（2）設定不同的保溫層厚度，可以得到不同的保溫管道溫度場分布。

圖4為管道采用不同厚度的保溫層和對應的保溫層外表面溫度。隨著保溫層厚度δb的增大，外表面溫度tm越來越小。在0＜δb＜ 100 mm的范圍內， tm急劇減小，但仍維持在高于50 ℃的范圍內。對于化工保溫管道，一般要求安全允許的最高表面溫度為50 ℃[3]，顯然對于處于現工況的該管道保溫層厚度不應小于100 mm。當δb＞100 mm時，tm減小幅度變小，曲線趨于平緩，此時才有明顯的保溫效果。但如果仍繼續增大保溫層厚度，溫度雖然有所減小，但是成本也會大幅度增加。

圖4 保溫層不同厚度與外表面溫度關系圖Fig.4 Diagram for different thickness of the insulation layer and the outer surface temperature

3 保溫層經濟性分析

在給定管徑和保溫材料的條件下，對不同的保溫層厚度，比較管道年散熱損失費用和保溫工程投資的年分攤費用的總和（年總工作費用），得到年總工作費用最低時對應的保溫層厚度，即“經濟厚度”[4,5]。對于這條公稱直徑為400 mm，以巖棉材料作為保溫層的管道，可以通過模擬不同保溫層厚度下管道溫度場情況，進而計算單位管長的熱力費用和保溫投資費用，通過比較得到經濟厚度。計算公式參照文獻［6］。

從圖5中可以看到，保溫層投資抵償費ST隨著保溫層厚度δb的增大而增大，管道的熱能消耗費SR隨著保溫層厚度δb的增大而減小。總費用S曲線為ST和SR疊加的結果，其最低點表示最低的年總費用與對應的最優保溫層厚度，即經濟厚度。所以該保溫管道的經濟厚度為140 mm，單位管長的最低年總費用為 747.1元。而管道現有的保溫層厚度為 150 mm，當原保溫層由于老化需要更新時，可采用140 mm的經濟厚度，總費用可節省3.9萬元/a。對于不同的保溫材料，可以得到不同的ST、SR和S曲線，比較這一組曲線，則能得到最優的保溫材料與經濟厚度。

圖5 保溫層厚度和所需費用關系變化曲線圖Fig.5 Diagram for insulation thickness and the cost

4 結 論

利用有限元分析軟件，對煉廠內的保溫管道溫度場進行了模擬。溫度場分布云圖直觀地反映出保溫管道溫度的變化情況，模擬結果是管道保溫層選擇的重要計算依據。通過保溫層經濟性分析，可以得到給定保溫材料管道的保溫層經濟厚度。對于不同的保溫材料，也可以得到適合現有管道的最優保溫材料與經濟厚度。所以，在進行保溫管道設計或更換管道保溫層時，對其溫度場進行系統地模擬分析是十分必要的。

［1］王澤鵬，張秀輝，胡仁喜，等. ANSYS12.0熱力學有限元分析從入門到精通[M]．北京：機械工業出版社，2010：112-129.

［2］張朝輝，李樹奎. ANSYS11.0有限元分析理論與工程應用[M]．北京：電子工業出版社，2008：220-245.

［3］中國國家標準化管理委員會．GB-8175-2008．設備及管道絕熱設計導則[S]．北京：中國標準出版社，2008．

［4］劉曉燕，劉揚，郭敬紅，等．埋地原油集輸管道保溫層厚度優化設計[J]．油氣儲運，2005，24(2)：20-22．

［5］李小玲，吳玉國，李迎旭，等．埋地管道保溫層經濟厚度數值計算方法[J]．當代化工，2008，37(4)：412-414．

［6］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．

Simulation Study on Temperature Field of Thermal Insulation Pipelines in the Refinery

SHI Wen1，WANG Qi1，TONG Han-qing1，ZOU Jia-rong2
（1. Guangdong University of Petrochemical Technology, Guangdong Maoming 525000，China；2. China National Offshore Oil Co., Ltd. Shenzhen Branch, Guangdong Shenzhen 518000，China）

Heating is required in the transport process because of high viscosity of heavy oil, so the pipelines of heavy oil need external insulation layer. In order to reduce energy loss and production costs effectively, it is necessary to study the pipe insulation material and insulation thickness. In this paper, by analyzing geometric properties of the pipeline, the mathematical model of temperature field for the thermal insulation pipeline was established. Then finite element analysis software ANSYS was used to solve the mathematical model to obtain the temperature distribution. Taken a thermal insulation pipeline in Maoming petrochemical refinery as an example, based on simulation results of temperature field, the economic insulation thickness was calculated. Solving those problems could lay the theoretical foundation of reducing energy consumption and optimizing pipeline design.

Pipeline; Insulation layer; Economic thickness; Temperature field; ANSYS software

TQ 018

A

1671-0460（2014）11-2265-03

廣東省石化裝備故障診斷重點實驗室開放基金資助項目，項目號：512021；廣東省產學研資助項目，項目號：2012B091100073。

2014-04-01

施雯（1983-），女，遼寧本溪人，講師，碩士研究生，2009年畢業于遼寧石油化工大學油氣儲運工程專業，研究方向：現在廣東石油化工學院油氣儲運專業從事科研與教學工作。E-mail：shiwen7117315@163.com。