稠油管道总传热系数计算及流态的区分

李茂 西安石油大学石油工程学院长庆油田采油三厂

稠油管道总传热系数计算及流态的区分

刘晓娟1李茂1谢银伍21西安石油大学石油工程学院2长庆油田采油三厂

考虑到摩擦热，对西北某埋地敷设的纯油输送管道实际运行情况测量时，应选用符合力学条件的公式进行计算以间接得到总传热系数K值。采用实时黏度数据，对流态的偏差进行分析以区分其流态。采用实际管输稠油黏度进行计算时，当管输稠油处于紊流区、过渡区、紊流区+过渡区、以及层流区+过渡区时，平均偏差均小于5%；但在层流区，平均偏差为19.6%。这主要是由于低流量时摩阻较小，压力测量结果小的误差也会使相对偏差显著增大，此外，层流时摩阻对黏度的敏感性显著大于紊流。

稠油管道;总传热系数；计算方法；流态区分；沿程摩阻；偏差

某稠油外输管道采用旁接罐加热输送工艺输油。该输油管道采用埋地敷设，保温层为40mm厚的聚氨酯泡沫，管道顶部埋设深度为1.2m。该管线稠油的50℃黏度约在400～500mPa·s，20℃密度约为950kg/m3。基于该管线近年的管道运行参数，探讨管线的总传热系数K值的计算方法及流态的区分方法，对于该管线不同黏度稠油输送工艺的优化研究具有重要的作用与意义。

1 总传热系数K值的计算

该管道是西北某埋地敷设的纯油输送管道。其稠油密度950kg/m3（20℃），黏度446mPa·s（50℃），稠油的比热容2100J/(kg·℃)。考虑到摩擦热，对管道实际运行情况测量时，应选用符合力学条件的公式进行计算以间接得到总传热系数K值。可选用列宾宗温降公式（见式1）迭代计算，得到该管线沿线各站间不同月份管道总传热系数K值。

式中a=KπDGc，b=giGKπD；G为油品的质量流量（kg/s）；c为输油平均温度下油品的比热容（J/(kg·℃)）；D为管道外直径（m）；L为距加热站的距离（m）；K为管道总传热系数（W/(m2·℃)）；TR为管道起点油温（℃）；TL为距起点L处油温（℃）；T0为周围介质温度，埋地管道取管中心埋深处自然地温（℃）；i为油流水力坡降；g为重力加速度（m/s2）。

沿程摩阻计算公式（达西公式）为

式中λ为水力摩阻系数，层流时λ=64/Re，紊流光滑区λ=0.3164/Re0.25；L为站间管道长度（m）；d为管道内直径（m）；v为油品在管道内的平均流速（m/s）；g为重力加速度（m/s2）；

管道的压力平衡公式为

式中Hs为管道起点的进站压头（m液柱）；Hci为第i泵站提供的压头（m液柱）；Hf为管道总水力摩阻（m液柱）；Hpi为第i站站内压头损失（m液柱）；Hz为克服地形高程差的压头损失（m液柱）；Hi为管道终点剩余压头（m液柱）。

为了准确分析全管道的K值，将管道以中间加热站为节点划分为4个地段，同时考虑不同季节地温与K值的关系，以进行对应统计。该管线各站间地温相差较小，1#中间站至末站1的地温比其他3个站间的地温略低。由该管线各站间总传热系数值可知，由于该管线是保温管道，总体来看总传热系数变化较小，但各站间总传热系数有一定差别。2#中间站至末站2之间的总传热系数最大，为0.7738W/(m2·℃)；而1#中间站至末站1的总传热系数最小，为0.5011W/(m2·℃)。2#中间站至末站2站间穿越了3条河流，每年7、8、9月份多雨季节时河流有水，通常水深为1～2m，这是造成2#中间站至末站2总传热系数较大的主要原因。

2 管线流态的区分方法

采用实时黏度数据，对流态的偏差进行分析以区分其流态。以取样测定的12个外输稠油的黏温关系数据为依据，选择取样时间下对应的稠油在输送时间段内的运行参数共142个数据，按照流态分别进行压力计算结果偏差分析。

（1）紊流区。在此流态区域的数据点27组，均分布于首站至末站1的管段内。由于紊流状态下，摩阻与Re0.25成正比，故黏度对沿程摩阻计算结果的影响相对较小。

（2）紊流+过渡区。流体流态由层流到紊流转变的雷诺数一般在2000～3000之间。在过渡区内，流态不稳定，尚无成熟的摩阻计算式，工程上一般都按紊流光滑区计算。站间管输稠油处于此流态区间的数据点共14组，均分布在首站至末站1的管段内。实时测定黏度与平均黏度相对差值为8.8%，最高相对差值为12.5%。实时测定黏度计算的沿程摩阻偏差与平均黏度计算的沿程摩阻偏差相当。

（3）过渡区。站间管输稠油处于此流态区间的数据共有11组，处于首站至末站1之间。实时测定黏度与平均黏度的相对差值为9.9%，最高相对偏差为12.5%。

（4）过渡+层流区。站间管输稠油处于此区间的数据点有46组，实时测定黏度与平均黏度的相对差值为8.7%，最高相差19.5%。

（5）层流区。站间管输稠油处于此区间的数据点共44组，均处于末站1至末站2之间。实时测定黏度与平均黏度的相对差值为12.9%，最高相对差值为23.8%。沿程摩阻的计算偏差见表1。由表1可知，当管输稠油处于层流流态时，沿程摩阻的计算偏差相对较大。进一步分析发现，在此区间内有20组数据，其稠油雷诺数小于630，流量小于170m3/h，在此流量下站间摩阻仅为35m，压力的微小波动都会对计算偏差造成很大影响。

表1 管线稠油流态为层流时计算的沿程摩阻偏差

3 结语

（1）输油管线沿线各站间不同月份管道总传热系数K值的计算方法，对于稠油管道水力与热力计算程序的编制来说是必不可少的。

（2）在层流中，沿程摩阻与黏度成正比；而在紊流摩阻计算式中，沿程摩阻与黏度的1/4次方成正比。因此，当黏度相差10%时，若稠油处于层流，则沿程摩阻也会相差10%；若稠油处于紊流时，沿程摩阻仅相差1.8%。分析认为，采用实际管输稠油黏度进行计算时，当管输稠油处于紊流区（Re＞3000）、过渡区（2000＜Re＜3000）、紊流区+过渡区（Re＞2000）以及层流区+过渡区（Re＜3000）时，平均偏差均小于5%；但在层流区，平均偏差为19.6%。这主要是由于低流量时摩阻较小，压力测量结果小的误差也会使相对偏差显著增大，此外，层流时摩阻对黏度的敏感性显著大于紊流。

（栏目主持 杨军）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.10.029