炼厂内保温管道温度场模拟研究

施 雯，王 琪，童汉清，邹家荣

（1. 广东石油化工学院， 广东 茂名 525000； 2. 中国海洋石油有限公司深圳分公司， 广东 深圳 518000）

炼厂内保温管道温度场模拟研究

施 雯1，王 琪1，童汉清1，邹家荣2

（1. 广东石油化工学院， 广东 茂名 525000； 2. 中国海洋石油有限公司深圳分公司， 广东 深圳 518000）

由于重油粘度大，在运输过程中需要加热，通常需要在管道外加保温层。为了有效减少能源损失，降低生产成本，就必须研究管道的保温材料和保温层厚度。通过分析管道的几何特性，建立了管道保温层温度场的数学模型,运用有限元分析软件ANSYS求解该数学模型，得到保温管道的温度分布。以广东茂名石化炼油厂内某一保温管道为例，基于温度场模拟结果，计算出保温经济厚度。这些问题的求解为减少能量损耗、优化保温管道设计等问题奠定了理论基础。

管道；保温层；经济厚度；温度场；ANSYS软件

在炼厂的生产过程中，由于生产工艺、操作工的技能以及生产设备的需要，一般需要较高的温度和压力，才能进行相关反应。为了提高热经济性, 减少热损失, 延长化工管道寿命，同时保持管道正常工作，石化厂内架空管道需要加保温层。利用有限元软件对化工管道保温问题进行数值模拟, 可以得出直观的数值模拟情况, 进而计算得到适合管道的最佳保温层厚度，降低生产成本，有助于指导工程实践。

1 问题的描述

以广东茂名石化炼油厂内常减压装置到原料油缓冲罐之间的管道为研究对象，对其温度场进行模拟分析。该管道总长度约为3 000 m，架空高度为3 m，年运行时间为8 000 h。管道公称直径为400 mm，管材为铬镍钢（18Cr/8Ni），壁厚分级为Sch20。管内流体为渣油，温度约为250 ℃。现有外层保温材料为岩棉，厚度为150 mm。钢管导热系数为16.6 W/(m·℃)，渣油导热系数为0.118 W/(m·℃)。年平均环境温度为26.5 ℃，年平均风速为5 m/s。

2 化工管道有限元分析

有限元法是把求解区域看作由许多小的在节点处相互连接的子域所组成，其模型给出基本方程的子域近似解。由于子域可以被分割成各种形状和大小不同的尺寸，所以它能很好地适应复杂的几何形状、复杂的材料特性和复杂的边界条件，是一种非常受欢迎的、应用极广的数值计算方法。ANSYS有限元分析软件主要包括前处理模块，加载求解和后处理模块三个部分[1,2]。

2.1 建立模型

利用 ANSYS软件前处理程序，根据化工保温管道的几何和物理特点，经过单元类型选择、材料参数确定、几何建模和单元生成等步骤，建立有限元分析模型，并对模型进行网格划分，结果如图 1所示。

图1 管道模型与网格划分Fig.1 Pipeline model and meshing

2.2 条件加载与计算结果

（1）设定管道模型的均匀温度为环境温度，在管道内部加载稳态边界条件，得到温度场模拟结果。

图2 管道保温层三维扩展温度分布云图Fig.2 Dimensional extended temperature contours of insulation

图3 管道保温层沿径向温度分布曲线图Fig.3 Radial temperature profile of insulation

图2、图3反映了化工管道及保温层温度变化。管道内部温度分布基本均匀，管道内壁温度与管内介质温度相同。这是由于钢管导热系数较大，所以温度层之间热量交换较强。在保温层的最内层，其温度最接近介质温度，整个保温层从内到外温度逐渐降低，温度与保温层厚度成线性变化，保温层温差较大。由于保温层材料导热系数较小，温度层之间的热量交换较弱，内外热交换不迅速，导致出现内部温度比表面温度高的现象，减少了表面热辐射，达到为管道保温的目的。

（2）设定不同的保温层厚度，可以得到不同的保温管道温度场分布。

图4为管道采用不同厚度的保温层和对应的保温层外表面温度。随着保温层厚度δb的增大，外表面温度tm越来越小。在0＜δb＜ 100 mm的范围内， tm急剧减小，但仍维持在高于50 ℃的范围内。对于化工保温管道，一般要求安全允许的最高表面温度为50 ℃[3]，显然对于处于现工况的该管道保温层厚度不应小于100 mm。当δb＞100 mm时，tm减小幅度变小，曲线趋于平缓，此时才有明显的保温效果。但如果仍继续增大保温层厚度，温度虽然有所减小，但是成本也会大幅度增加。

图4 保温层不同厚度与外表面温度关系图Fig.4 Diagram for different thickness of the insulation layer and the outer surface temperature

3 保温层经济性分析

在给定管径和保温材料的条件下，对不同的保温层厚度，比较管道年散热损失费用和保温工程投资的年分摊费用的总和（年总工作费用），得到年总工作费用最低时对应的保温层厚度，即“经济厚度”[4,5]。对于这条公称直径为400 mm，以岩棉材料作为保温层的管道，可以通过模拟不同保温层厚度下管道温度场情况，进而计算单位管长的热力费用和保温投资费用，通过比较得到经济厚度。计算公式参照文献［6］。

从图5中可以看到，保温层投资抵偿费ST随着保温层厚度δb的增大而增大，管道的热能消耗费SR随着保温层厚度δb的增大而减小。总费用S曲线为ST和SR叠加的结果，其最低点表示最低的年总费用与对应的最优保温层厚度，即经济厚度。所以该保温管道的经济厚度为140 mm，单位管长的最低年总费用为 747.1元。而管道现有的保温层厚度为 150 mm，当原保温层由于老化需要更新时，可采用140 mm的经济厚度，总费用可节省3.9万元/a。对于不同的保温材料，可以得到不同的ST、SR和S曲线，比较这一组曲线，则能得到最优的保温材料与经济厚度。

图5 保温层厚度和所需费用关系变化曲线图Fig.5 Diagram for insulation thickness and the cost

4 结 论

利用有限元分析软件，对炼厂内的保温管道温度场进行了模拟。温度场分布云图直观地反映出保温管道温度的变化情况，模拟结果是管道保温层选择的重要计算依据。通过保温层经济性分析，可以得到给定保温材料管道的保温层经济厚度。对于不同的保温材料，也可以得到适合现有管道的最优保温材料与经济厚度。所以，在进行保温管道设计或更换管道保温层时，对其温度场进行系统地模拟分析是十分必要的。

［1］王泽鹏，张秀辉，胡仁喜，等. ANSYS12.0热力学有限元分析从入门到精通[M]．北京：机械工业出版社，2010：112-129.

［2］张朝辉，李树奎. ANSYS11.0有限元分析理论与工程应用[M]．北京：电子工业出版社，2008：220-245.

［3］中国国家标准化管理委员会．GB-8175-2008．设备及管道绝热设计导则[S]．北京：中国标准出版社，2008．

［4］刘晓燕，刘扬，郭敬红，等．埋地原油集输管道保温层厚度优化设计[J]．油气储运，2005，24(2)：20-22．

［5］李小玲，吴玉国，李迎旭，等．埋地管道保温层经济厚度数值计算方法[J]．当代化工，2008，37(4)：412-414．

［6］郭光臣，董文兰，张志廉．油库设计与管理[M]．东营：中国石油大学出版社, 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

广东省石化装备故障诊断重点实验室开放基金资助项目，项目号：512021；广东省产学研资助项目，项目号：2012B091100073。

2014-04-01

施雯（1983-），女，辽宁本溪人，讲师，硕士研究生，2009年毕业于辽宁石油化工大学油气储运工程专业，研究方向：现在广东石油化工学院油气储运专业从事科研与教学工作。E-mail：shiwen7117315@163.com。