高凝油管道最优结蜡层厚度优化论文
管道在设计输量下运行是较为经济的。但由于某些不可避免或人为因素使输量下降, 偏离设计输量, 使管道效率下降。对高凝热油管道来说, 在输送过程中, 随着沿程温度的降低, 不可避免的会出现结蜡, 这样就会对管道输送产生两方面的影响。特别是在低输量条件下, 结蜡层的存在对管道的散热有显著的影响, 大大减少其散热损失。另一方面又因管径的减小而使摩阻增大。因此, 在低输量运行时寻求一个最优的结蜡层厚度, 使运输油品的费用最少就显得很有必要。
1 管道水力及热力学分析
一般情况下, 在热油管道油温高于析蜡点的区域, 管壁无结蜡现象;在析蜡点到析蜡高峰点之间, 结蜡厚度逐渐增加;在析蜡高峰点之后, 析蜡厚度逐渐拉平。对易凝高粘原油其流态一般为层流, 所以取平均结蜡厚度。
1.1 结蜡层厚度对沿程摩阻的影响
从起点到结蜡点的长度：
式中:Tn-高凝原油的析蜡点∘C;L0-从起点到结蜡点的长度m;G-质量流量, kg/s;C-油的热容, J/ (kg·K) ;T0-管道埋深处地温, ℃;TR——相邻两加热站间管路的终点温度, ℃;K-管道的总传热系数, w/ (m·K) ;D-管道的外径, m。
结蜡厚度为Δd时的沿程摩阻 (设两站间高程差为零) :
无结蜡层时的沿程摩阻:
式中:
β, m-各流态区的参数;ν0, νL, ν-分别为考虑结蜡时不结蜡段和结蜡段以及不考虑结蜡时的热油粘度, m2/s;D-管道内径, m;L-站间距, m;Q-体积流量, m3s。
在流态及流量不变的条件下, 结蜡厚度为Δd时管道的沿程摩阻与无结蜡层管道的沿程摩阻H的比值为:
1.2 结蜡层对管道散热的影响
不考虑析蜡潜热和无结蜡层时, 在dx微元管路上的热平衡关系[1]:
式中:d——管道外径, m。
由式 (1-5) 积分可得:
式中:TZ——相邻两加热站间管路的起点温度, ℃。
当有一定厚度的结蜡层时, 出站温度为:
式中:KL-有结蜡层时管道的总传热系数, w/ (m·K) ;
在进站温度相同时, 管道有、无结蜡层时的出站温度降低值△T:
当进站温度等参数给定时, 可由式 (5) 、 (6) 采用弦截法[2]求解TZ, TZ'。
平均输油温度[3]:
1.3热油密度[4]
式中:ρ20-20℃时油品的密度, kg/m3;ε-温度系数。
1.4热油的比热容[5]
式中:d415—15℃时油品的相对密度。
1.5 热油的导热系数
1.6热油的粘度
式中:νf-t℃时油品的粘度, m2s;u-油品的粘温指数, 1/℃。
1.7 热油的质量流量
2 最优结蜡厚度的目标函数及求解
对于一个固定的站间距, 在输量、流态及进站温度相同的情况下, 输送每吨·公里油品时有结蜡层比无结蜡层所节约的燃料油量ΔM和多消耗的动力电量ΔN为:
式中:BH-燃料油热值, k J/kg;ηR-加热炉效率;LR-加热站间距, km;N-无结蜡层时的动力消耗。
H-加热站间管路所需的压头, m;ηpe-泵机组效率。
数学模型:
式中:ey-燃料油价格, 元/吨;ed-电力价格, 元/度。
求解过程见图1.
3 结语
3.1 当输量低于设计值时, 一定厚度范围内的结蜡层可节省一定的能耗费用。
3.2 对应一定输量, 存在着一个经济结蜡厚度, 即在此结蜡厚度下, 可使能耗费用最省。
3.3 在一定输量范围内, 随着输量下降的幅度越大, 其经济结蜡厚度亦随之增加, 所节省的能耗费用亦越多。
点击下载文档文档为doc格式