煉廠內(nèi)保溫管道溫度場(chǎng)模擬研究

施 雯，王 琪，童漢清，鄒家榮

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

煉廠內(nèi)保溫管道溫度場(chǎng)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(xué)院， 廣東 茂名 525000； 2. 中國(guó)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(yùn)輸過(guò)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(chǎn)成本，就必須研究管道的保溫材料和保溫層厚度。通過(guò)分析管道的幾何特性，建立了管道保溫層溫度場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型,運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS求解該數(shù)學(xué)模型，得到保溫管道的溫度分布。以廣東茂名石化煉油廠內(nèi)某一保溫管道為例，基于溫度場(chǎng)模擬結(jié)果，計(jì)算出保溫經(jīng)濟(jì)厚度。這些問(wèn)題的求解為減少能量損耗、優(yōu)化保溫管道設(shè)計(jì)等問(wèn)題奠定了理論基礎(chǔ)。

管道；保溫層；經(jīng)濟(jì)厚度；溫度場(chǎng)；ANSYS軟件

在煉廠的生產(chǎn)過(guò)程中，由于生產(chǎn)工藝、操作工的技能以及生產(chǎn)設(shè)備的需要，一般需要較高的溫度和壓力，才能進(jìn)行相關(guān)反應(yīng)。為了提高熱經(jīng)濟(jì)性, 減少熱損失, 延長(zhǎng)化工管道壽命，同時(shí)保持管道正常工作，石化廠內(nèi)架空管道需要加保溫層。利用有限元軟件對(duì)化工管道保溫問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值模擬, 可以得出直觀的數(shù)值模擬情況, 進(jìn)而計(jì)算得到適合管道的最佳保溫層厚度，降低生產(chǎn)成本，有助于指導(dǎo)工程實(shí)踐。

1 問(wèn)題的描述

以廣東茂名石化煉油廠內(nèi)常減壓裝置到原料油緩沖罐之間的管道為研究對(duì)象，對(duì)其溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬分析。該管道總長(zhǎng)度約為3 000 m，架空高度為3 m，年運(yùn)行時(shí)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(jí)為Sch20。管內(nèi)流體為渣油，溫度約為250 ℃?，F(xiàn)有外層保溫材料為巖棉，厚度為150 mm。鋼管導(dǎo)熱系數(shù)為16.6 W/(m·℃)，渣油導(dǎo)熱系數(shù)為0.118 W/(m·℃)。年平均環(huán)境溫度為26.5 ℃，年平均風(fēng)速為5 m/s。

2 化工管道有限元分析

有限元法是把求解區(qū)域看作由許多小的在節(jié)點(diǎn)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(yīng)復(fù)雜的幾何形狀、復(fù)雜的材料特性和復(fù)雜的邊界條件，是一種非常受歡迎的、應(yīng)用極廣的數(shù)值計(jì)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(gè)部分[1,2]。

2.1 建立模型

利用 ANSYS軟件前處理程序，根據(jù)化工保溫管道的幾何和物理特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)單元類型選擇、材料參數(shù)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(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，結(jié)果如圖 1所示。

圖1 管道模型與網(wǎng)格劃分Fig.1 Pipeline model and meshing

2.2 條件加載與計(jì)算結(jié)果

（1）設(shè)定管道模型的均勻溫度為環(huán)境溫度，在管道內(nèi)部加載穩(wěn)態(tài)邊界條件，得到溫度場(chǎng)模擬結(jié)果。

圖2 管道保溫層三維擴(kuò)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(nèi)部溫度分布基本均勻，管道內(nèi)壁溫度與管內(nèi)介質(zhì)溫度相同。這是由于鋼管導(dǎo)熱系數(shù)較大，所以溫度層之間熱量交換較強(qiáng)。在保溫層的最內(nèi)層，其溫度最接近介質(zhì)溫度，整個(gè)保溫層從內(nèi)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(dǎo)熱系數(shù)較小，溫度層之間的熱量交換較弱，內(nèi)外熱交換不迅速，導(dǎo)致出現(xiàn)內(nèi)部溫度比表面溫度高的現(xiàn)象，減少了表面熱輻射，達(dá)到為管道保溫的目的。

（2）設(shè)定不同的保溫層厚度，可以得到不同的保溫管道溫度場(chǎng)分布。

圖4為管道采用不同厚度的保溫層和對(duì)應(yīng)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(lái)越小。在0＜δb＜ 100 mm的范圍內(nèi)， tm急劇減小，但仍維持在高于50 ℃的范圍內(nèi)。對(duì)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(duì)于處于現(xiàn)工況的該管道保溫層厚度不應(yīng)小于100 mm。當(dāng)δb＞100 mm時(shí)，tm減小幅度變小，曲線趨于平緩，此時(shí)才有明顯的保溫效果。但如果仍繼續(xù)增大保溫層厚度，溫度雖然有所減小，但是成本也會(huì)大幅度增加。

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

3 保溫層經(jīng)濟(jì)性分析

在給定管徑和保溫材料的條件下，對(duì)不同的保溫層厚度，比較管道年散熱損失費(fèi)用和保溫工程投資的年分?jǐn)傎M(fèi)用的總和（年總工作費(fèi)用），得到年總工作費(fèi)用最低時(shí)對(duì)應(yīng)的保溫層厚度，即“經(jīng)濟(jì)厚度”[4,5]。對(duì)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(guò)模擬不同保溫層厚度下管道溫度場(chǎng)情況，進(jìn)而計(jì)算單位管長(zhǎng)的熱力費(fèi)用和保溫投資費(fèi)用，通過(guò)比較得到經(jīng)濟(jì)厚度。計(jì)算公式參照文獻(xiàn)［6］。

從圖5中可以看到，保溫層投資抵償費(fèi)ST隨著保溫層厚度δb的增大而增大，管道的熱能消耗費(fèi)SR隨著保溫層厚度δb的增大而減小?？傎M(fèi)用S曲線為ST和SR疊加的結(jié)果，其最低點(diǎn)表示最低的年總費(fèi)用與對(duì)應(yīng)的最優(yōu)保溫層厚度，即經(jīng)濟(jì)厚度。所以該保溫管道的經(jīng)濟(jì)厚度為140 mm，單位管長(zhǎng)的最低年總費(fèi)用為 747.1元。而管道現(xiàn)有的保溫層厚度為 150 mm，當(dāng)原保溫層由于老化需要更新時(shí)，可采用140 mm的經(jīng)濟(jì)厚度，總費(fèi)用可節(jié)省3.9萬(wàn)元/a。對(duì)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(yōu)的保溫材料與經(jīng)濟(jì)厚度。

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

4 結(jié) 論

利用有限元分析軟件，對(duì)煉廠內(nèi)的保溫管道溫度場(chǎng)進(jìn)行了模擬。溫度場(chǎng)分布云圖直觀地反映出保溫管道溫度的變化情況，模擬結(jié)果是管道保溫層選擇的重要計(jì)算依據(jù)。通過(guò)保溫層經(jīng)濟(jì)性分析，可以得到給定保溫材料管道的保溫層經(jīng)濟(jì)厚度。對(duì)于不同的保溫材料，也可以得到適合現(xiàn)有管道的最優(yōu)保溫材料與經(jīng)濟(jì)厚度。所以，在進(jìn)行保溫管道設(shè)計(jì)或更換管道保溫層時(shí)，對(duì)其溫度場(chǎng)進(jìn)行系統(tǒng)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(xué)有限元分析從入門到精通[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010：112-129.

［2］張朝輝，李樹(shù)奎. ANSYS11.0有限元分析理論與工程應(yīng)用[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2008：220-245.

［3］中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)．GB-8175-2008．設(shè)備及管道絕熱設(shè)計(jì)導(dǎo)則[S]．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008．

［4］劉曉燕，劉揚(yáng)，郭敬紅，等．埋地原油集輸管道保溫層厚度優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]．油氣儲(chǔ)運(yùn)，2005，24(2)：20-22．

［5］李小玲，吳玉國(guó)，李迎旭，等．埋地管道保溫層經(jīng)濟(jì)厚度數(shù)值計(jì)算方法[J]．當(dāng)代化工，2008，37(4)：412-414．

［6］郭光臣，董文蘭，張志廉．油庫(kù)設(shè)計(jì)與管理[M]．東營(yíng)：中國(guó)石油大學(xué)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金資助項(xiàng)目，項(xiàng)目號(hào)：512021；廣東省產(chǎn)學(xué)研資助項(xiàng)目，項(xiàng)目號(hào)：2012B091100073。

2014-04-01

施雯（1983-），女，遼寧本溪人，講師，碩士研究生，2009年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)，研究方向：現(xiàn)在廣東石油化工學(xué)院油氣儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)從事科研與教學(xué)工作。E-mail：shiwen7117315@163.com。