石油管道導(dǎo)熱油伴熱設(shè)計與計算

王艷菲，張 博，王杏佳，孫龍祥

(1.洛陽中象石化工程有限公司， 河南 洛陽 471000；2.中國石油化工股份有限公司洛陽分公司，河南 洛陽 471000)

伴熱，是一種有效的管道防凍、保溫措施，其工作原理主要是利用伴熱介質(zhì)的熱量，通過直接或間接的熱交換，將伴熱管道的熱損失進(jìn)行補(bǔ)充，以達(dá)到防凍、保溫的目的[1]。石油化工企業(yè)中，常用的伴熱介質(zhì)有：熱水、蒸汽、熱載體、電伴熱等。管內(nèi)介質(zhì)溫度在95℃以下的管道，應(yīng)選用0.3～0.6MPa的蒸汽作為熱源，在伴熱點(diǎn)集中的地方，也可選用熱水伴熱；管內(nèi)介質(zhì)溫度在95～150℃之間的管道，應(yīng)選用0.7～0.9MPa的蒸汽伴熱；管內(nèi)介質(zhì)溫度在150℃以上的管道，當(dāng)0.9MPa蒸汽不能滿足工藝要求時，可選用熱載體作為伴熱介質(zhì)。

本文主要針對東北地區(qū)冬季極端低溫下(最低可達(dá)-27.3℃)，系統(tǒng)管廊采用蒸汽伴熱時凝結(jié)水管線結(jié)冰而流通不暢的情況，擬采用導(dǎo)熱油作為熱源給系統(tǒng)管廊伴熱來解決此問題。相比于蒸汽伴熱，導(dǎo)熱油更多使用于被伴熱的介質(zhì)伴熱溫度要求較高，其它伴熱方式不易達(dá)到的情況[2]。除此之外，導(dǎo)熱油伴熱還有溫度調(diào)節(jié)靈活、使用簡單方便的特點(diǎn)[3-4]。

本論文為解決東北某煉油廠系統(tǒng)管廊伴熱問題，導(dǎo)熱油經(jīng)導(dǎo)熱油爐加熱到120℃后，經(jīng)過DN100的導(dǎo)熱油管道以0.9 m/s的速度輸送到15 m外的系統(tǒng)管廊用于伴熱。導(dǎo)熱油管道外做50 mm硅酸鹽保溫；在系統(tǒng)管廊上20根DN20的導(dǎo)熱油伴熱管線分別給20根150 m的DN250油管線伴熱，油管線外做80 mm硅酸鹽保溫；伴熱返回的導(dǎo)熱油經(jīng)過DN100的導(dǎo)熱油管線返回到165 m外的導(dǎo)熱油加熱爐進(jìn)行加熱以后循環(huán)使用，導(dǎo)熱油返回管線外做50 mm硅酸鹽保溫。為保證管線的正常伴熱不受影響，導(dǎo)熱油返回導(dǎo)熱油爐溫度要求不低于90℃。導(dǎo)熱油流程見圖1。

圖1 導(dǎo)熱油流程示意圖

Fig.1 Schematic diagram of the heat conducting oil flow

1 導(dǎo)熱油到系統(tǒng)管廊的溫度計算

其中：k-傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；

α1-導(dǎo)熱油至管內(nèi)壁的傳熱系數(shù)，由計算雷諾數(shù)確定流態(tài)，導(dǎo)熱油120℃時， γ=0.1 mm2/s，ρ=950kg/m3,Re=ud/γ=0.9×0.097/(0.1×10-6)=873000>2300，

流體位于湍流區(qū)α1-可以忽略不計，即α1=0；

α2-管外壁到大氣的傳熱系數(shù)，與當(dāng)?shù)仫L(fēng)速有關(guān)。

當(dāng)?shù)仫L(fēng)速為v=7 m/s；

D1、D2-管道的內(nèi)外徑，D1=0.097m，D2=0.114 m；

D3-管道與保溫層形成的結(jié)構(gòu)外徑，D3=0.114+0.1=0.214 m；

λ-導(dǎo)熱系數(shù)，取λ=0.0604W/(m2·℃)；

q=kπD(T2-T1)

q-熱損失，W/m；

D-計算外徑，保溫層內(nèi)外徑的平均值D=(0.214+0.114)/2=0.164 m；

T2-導(dǎo)熱油初始溫度，℃；

T1-管道所處的環(huán)境溫度，取T1=-27.3℃；

則q=kπD(T2-T1)=0.186×π×0.164×[120-(-27.3)]=14.1W/m；

根據(jù)公式qLτ=cm(t1-t2)=cρπr2L(t1-t2)

c-比熱，取c=0.53kcal/(kg·℃)=2.22kJ/(kg·℃)；

τ-時間，τ=15/0.9=16.7s；

14.1×16.7=2.22×103×950×π×(0.097/2)2×(120-t)；

進(jìn)入系統(tǒng)管廊的導(dǎo)熱油初始溫度為t=119.98℃[5]。

2 導(dǎo)熱油出系統(tǒng)管廊的溫度計算

已知石油管道外徑為273 mm，內(nèi)徑為254 mm；伴熱管外徑為27 mm，內(nèi)徑為21 mm；管線外保溫層厚度為80 mm，進(jìn)出管廊導(dǎo)熱油管線流速u1=0.9 m/s。

u1A1=u2A2

其中：u1-進(jìn)出管廊導(dǎo)熱油管線流速，m/s；

u2-導(dǎo)熱油在伴熱管內(nèi)的流速，m/s；

A1-進(jìn)出管廊導(dǎo)熱油管截面積，m2；

A2-單根導(dǎo)熱油伴熱管截面積，m2；

則導(dǎo)熱油在伴熱管內(nèi)的流速u2=0.96 m/s；

τ=165/0.96=171.9s

其中：D0-保溫層外徑，m；

Di-保溫層外徑，m；

K-熱損失附加系數(shù)，一般取1.15～1.25；

q-帶外伴熱管的管道熱損失，W/m；

λ-保溫材料制品的導(dǎo)熱系數(shù)，取λ=0.0604W/(m2·℃)；

t-主管內(nèi)介質(zhì)溫度，℃；t取85℃；

ta-環(huán)境溫度，℃；取歷年一月份月平均溫度的平均值；

v-風(fēng)速，m/s；

αi-保溫層內(nèi)加熱空間空氣向保溫層的放熱系數(shù)；一般取αi=13.95W/(m2·℃)；

qLτ=cm(t2-t3)=cρπr2L(t2-t3)

89.3×171.9=2.22×103×950×π×(0.021/2)2×(119.98-t)

伴熱管至回油管的溫度為t=98.95℃[6]。

3 導(dǎo)熱油經(jīng)回油管到加熱油爐的溫度計算

已知導(dǎo)熱油回油管公稱直徑DN100的管內(nèi)徑為D1=0.097 m，外徑為D2=0.114 m，管線外保溫層厚度為50 mm，則D3=0.114+0.1=0.214 m；

q=0.186×π×0.164×[98.95-(-27.3)]=12.1W/m

τ=165/0.9=183.3s

qLτ=cm(t3-t4)=cρπr2L(t3-t4)

12.1×183.3=2.22×103×950×π×(0.097/2)2×(98.95-t)

導(dǎo)熱油回油管至導(dǎo)熱油爐的溫度為t=98.8℃[7-8]。

通過計算可知，導(dǎo)熱油爐出口溫度120℃，流速為0.9 m/s，完成系統(tǒng)管廊伴熱后導(dǎo)熱油返回導(dǎo)熱油爐的溫度大于90℃，符合設(shè)計方案的要求。

4 結(jié)論

在環(huán)境溫度較低的地區(qū)，同時蒸汽路徑較遠(yuǎn)，提供的伴熱蒸汽容易凝結(jié)，伴熱后的凝結(jié)水管線也流動不暢，易結(jié)冰，這種情況，采用蒸汽伴熱已不能滿足使用要求，采用更高熱量的介質(zhì)--導(dǎo)熱油來伴熱是有必要的。本文根據(jù)該煉廠的實(shí)際情況，提出對系統(tǒng)管廊采用導(dǎo)熱油伴熱方案，并對方案進(jìn)行設(shè)計與計算。最終滿足伴熱要求。

綜上所述，設(shè)計好伴熱管并不簡單，需要考慮到伴熱介質(zhì)的選取，溫度的合理取值，保溫厚度的合理計算，以及伴熱管根數(shù)的合理選用。合理的設(shè)計伴熱管，可以做到節(jié)省投資、施工容易和操作方便，對裝置的長期運(yùn)行起到了有力的保障。

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