李少華，劉寶玉，戚積功，劉 璐，李 強(qiáng)

（1.遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001；2.錦州石化公司計(jì)量處，遼寧 錦州 121001）

架空高溫輸油管道保溫層厚度設(shè)計(jì)

李少華1，劉寶玉1，戚積功1，劉 璐1，李 強(qiáng)2

（1.遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001；2.錦州石化公司計(jì)量處，遼寧 錦州 121001）

主要介紹了煉油廠架空高溫輸油管道保溫層理論計(jì)算方法，分別對(duì)不同外壁溫度及管徑進(jìn)行計(jì)算分析，并給出了計(jì)算應(yīng)用實(shí)例。其結(jié)果可為架空高溫輸油管道保溫層經(jīng)濟(jì)厚度計(jì)算方法的改進(jìn)及其優(yōu)化提供了依據(jù)。

保溫層；溫度場(chǎng)；經(jīng)濟(jì)厚度

煉油廠常壓、減壓的管道中輸送各種原料、半成品及成品油料。由于油品的溫度比較高，在輸送的時(shí)候有較大能量的損失。對(duì)此類管道做伴熱和保溫處理是減少能量損失最有效的辦法之一。因此對(duì)這類管線的保溫層厚度做經(jīng)濟(jì)性分析就變的非常必要[1]。

對(duì)架空高溫管道實(shí)施保溫的措施一般包括兩個(gè)方面：一方面是選擇良好的保溫材料，采用合理的保溫結(jié)構(gòu)。除此之外，保溫的效果還取決于保溫層的厚度。因此另一方面我們應(yīng)該合理增大保溫層的厚度，以減少管道油品輸送時(shí)的散熱損失，從而降低能源消耗和運(yùn)行產(chǎn)生的費(fèi)用[2]。但是增加保溫厚度的同時(shí)，一次性保溫投資也相應(yīng)的增加了。因此必然有一個(gè)最佳保溫層厚度，使得保溫后的年散熱損失費(fèi)用與保溫工程投資的年分?jǐn)傎M(fèi)用之和為最小，此時(shí)才能獲得最佳的經(jīng)濟(jì)效果，滿足此條件的保溫層厚度稱為“經(jīng)濟(jì)厚度”。為了節(jié)約投資，有必要對(duì)架空高溫油品輸送管道進(jìn)行保溫層“經(jīng)濟(jì)厚度”設(shè)計(jì)。

1 保溫層厚度設(shè)計(jì)原則

保溫層厚度的設(shè)計(jì)原則是：根據(jù)目的性和約束條件的不同采用不同的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。為限定保溫層外表面溫度，采用表面溫度法進(jìn)行計(jì)算分析；為限定保溫層表面散熱熱流流量，采用最大允許散熱損失進(jìn)行計(jì)算分析[3]；為減少輸油管道散熱損失并獲得最佳經(jīng)濟(jì)效果，采用經(jīng)濟(jì)厚度法計(jì)算。除此之外，安全因素在設(shè)計(jì)中也不可忽視，應(yīng)嚴(yán)格按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB4272-84的規(guī)定執(zhí)行。架空高溫輸油管道保溫層結(jié)構(gòu)的厚度設(shè)計(jì)應(yīng)以“經(jīng)濟(jì)厚度”為首選，其散熱損失不得超過表1的數(shù)值。

表1 工況運(yùn)行下高溫管道最大熱損失Table 1 The most heat loss of high temperature pipeline under working conditions

2 數(shù)學(xué)模型

架空高溫輸油管道的保溫層主要是以減少管道內(nèi)油品在輸送過程中的熱損失為目的的，并保證高溫油品在管道出口處的溫度值。獲得滿意的保溫效果的關(guān)鍵問題在于保溫結(jié)構(gòu)的確定以及保溫層厚度的計(jì)算。根據(jù)國(guó)內(nèi)外管道保溫技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，在確定了架空高溫輸油管道的保溫結(jié)構(gòu)以后，確定合理的保溫層厚度就成了保證安全生產(chǎn)和節(jié)約能源的關(guān)鍵因素[4]。

根據(jù)傳熱學(xué)的基本原理，保溫層的計(jì)算方法可以分為允許散熱損失計(jì)算法、經(jīng)濟(jì)厚度計(jì)算法和控制外表面溫度計(jì)算法。按照相關(guān)規(guī)定：供熱管道外表面溫度高于 50 ℃時(shí)必須對(duì)管道進(jìn)行保溫處理，可將其理解為供熱管道的外表面溫度必須低于 50℃.因此在計(jì)算保溫層厚度時(shí)必須將保溫層的外表面溫度控制在 50 ℃以下。在滿足此條件的前提下再考慮是否滿足允許最大熱損失，以及是否滿足熱力輸送管網(wǎng)的輸送效率大于90%的要求，如果不滿足，應(yīng)繼續(xù)增大保溫層的厚度。

在架空高溫輸油管道保溫層厚度的計(jì)算過程中，最關(guān)鍵問題是由于煉廠90%的管道都暴露在空氣中，尤其是大管徑架空熱油管道，管道四周的空氣溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于管道內(nèi)介質(zhì)溫度。因此，在確定保溫層厚度的計(jì)算和分析過程中，采用控制外表面溫度的計(jì)算方法是最佳的。管道的保溫材料一般為耐高溫絕熱材料，在不考慮其它情況所產(chǎn)生的熱阻時(shí)，保溫層厚度可按下式計(jì)算：

式中：λ——保溫層厚度，m；

din——保溫層外徑，m；

dout——管道外徑，m；

δ1——空氣的導(dǎo)熱率，W/(m·K)；

tin——保溫層外界控制溫度，℃；

ts——管道周邊空氣溫度，℃；

δ2——在運(yùn)行過程中材料的導(dǎo)熱率，W/(m·K)。

熱損失的計(jì)算：

空氣熱阻計(jì)算式為

式中：Ra——空氣的熱阻，W/(m·K)。

保溫層熱阻計(jì)算式為：

空氣中的架空熱油管道管道單位長(zhǎng)度熱損失的計(jì)算式為：

3 應(yīng)用實(shí)例

根據(jù)上述公式計(jì)算架空熱油管道保溫層厚度，并以東北地區(qū)某煉廠由加熱爐到常減壓裝置的管道為例進(jìn)行分析計(jì)算，其保溫層由于老化需要更新，因此對(duì)保溫層厚度需重新計(jì)算。該段架空高溫輸油管道的長(zhǎng)度為8 m，架空高度為5 m，管道直徑為0.2 m，輸油量為10 t/h。該管道內(nèi)流體溫度約為380 ℃，管道內(nèi)側(cè)傳熱系數(shù)為100 W/(m2·K)，外側(cè)傳熱系數(shù)為8.5 W/(m2·K)，保溫層材料導(dǎo)熱率為0.02 W/(m·K)，保溫層外壁溫度取tin=30 ℃。通過公式（1）、（5）計(jì)算得到的結(jié)果分別為：λ=0.0528 m，Δq=177.2 W/m2。當(dāng)前，由于保溫材料的快速發(fā)展，保溫材料導(dǎo)熱率越來越小。其計(jì)算厚度比原厚度要小0.02 m，但熱損失同樣比原厚度要少50 W/m2。計(jì)算結(jié)果不但滿足工程的要求，而且在滿足其經(jīng)濟(jì)厚度。

該架空熱油管道保溫層外壁可以取不同的溫度，其保溫層厚度是變化的。圖1為保溫層外表面溫度固定值時(shí)，架空熱油管道熱損失與保溫層厚度的關(guān)系。

圖1 管道熱損失與保溫層厚度的關(guān)系Fig.1 The relationship between the heat loss of overhead high temperatures oil pipeline and insulating layer thickness

從圖1中可以清楚地看到，當(dāng)架空高溫輸油管道輸送油品時(shí)，保溫層厚度越小熱量損失就越大。隨著保溫層厚度的增加，其熱流損失是急速下降的。從圖1可知，保溫層厚度＞0.14 m的時(shí)候，熱流損失不再隨著厚度的增加而加速下降了，而是趨于平緩。此時(shí)隨著保溫層厚度的增加，熱流損失雖然變小，但隨著保溫厚度的增加其工程成本是急劇遞增的，不符合經(jīng)濟(jì)厚度的要求。

管道內(nèi)的流體溫度不同的時(shí)候，其保溫層的厚度也是不相同的。在外界條件相同的情況下，管道內(nèi)流體溫度越低，其保溫層的厚度就越薄。同樣不同管徑的管道在外界條件相同的情況下，厚度的最優(yōu)值也是不同的[5]。不同的外界條件及不同管徑更是千差萬別的，因此選取保溫層厚度的時(shí)候，要具體問題具體分析。只有這樣才能達(dá)到最優(yōu)化的結(jié)果。

4 結(jié) 論

在架空輸油管道保溫層厚度計(jì)算中，一般都是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或是參考手冊(cè)確定其厚度。不同的條件下，保溫層厚度的選擇也是不同的。而能夠滿足保溫后的年散熱損失費(fèi)用與保溫工程投資的年分?jǐn)傎M(fèi)用之和最小的經(jīng)濟(jì)厚度，才是架空高溫輸油管道保溫層最優(yōu)化計(jì)算的目標(biāo)。隨著各國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，在以后的保溫層設(shè)計(jì)過程中，對(duì)保溫層厚度進(jìn)行最優(yōu)化處理將成為首要考慮的問題。

[1] 劉曉燕，劉揚(yáng)，郭敬紅，陳豐民．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．

[2] 謝昇，吳吁生，張國(guó)釗．低壓蒸汽管道保溫層經(jīng)濟(jì)厚度計(jì)算[J].山西化工，2007，27(6)：67-68．

[3] 彭述強(qiáng)，孫杰．應(yīng)用牛頓法計(jì)算埋地管道保溫層經(jīng)濟(jì)厚度[J].遼寧化工，2008，37(10)：712-713．

[4] 楊良仲，張連剛，曹寶軍，徐善忠.大管徑熱水直埋供熱管道保溫層厚度的計(jì)算[J].煤氣與熱力，2007，27（2）：70-72.

[5] 李小玲，吳玉國(guó)，李迎旭，田西寧，劉圭群，李?。竦毓艿辣貙咏?jīng)濟(jì)厚度數(shù)值計(jì)算方法[J].當(dāng)代化工，2008，37(4)：412-414．

Design Calculation of Insulating Layer Thickness of Overhead High Temperature Oil Pipeline

LI Shao-hua1, LIU Bao-yu1, QI Ji-gong1, LIU Lu1, LI Qiang2
(1. College of Petroleum Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China；2. The Metrology Division of Jinzhou Shihua company, Liaoning Jinzhou 121001，China）

The theoretical calculation method of insulating layer thickness of overhead high temperature oil pipeline was introduced. Meanwhile the thickness for different outside temperatures and different pipeline diameters was analyzed and calculated, and the practical example was provided，which can offer a basis for improvement and optimization of the economical insulating layer thickness.

insulating layer; temperature field; economical thickness

TQ 055.8+9

A

1671-0460（2011）01-0097-03

CNKI:21-1457/TQ.20101116.0943.003 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2010-11-16 09:43

http://www.cnki.net/kcms/detail/21.1457.tq.20101116.0943.003.html

2010-07-16

李少華（1983-），男，碩士研究生，山東聊城人，遼寧石油化工大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)在讀，研究方向：主要從事原油順序輸送溫度場(chǎng)的研究工作。E-mail：lishaohua2008@126.com。

劉寶玉（1960-），女，遼寧大連人，副教授，1982年畢業(yè)于東北電力學(xué)院，研究方向：換熱設(shè)備及能量綜合利用技術(shù)。E-mail：dong781-1@163.com，電話：0413-6861820。