專利名稱：一種油氣管道減阻保溫方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及油氣儲運(yùn)節(jié)能降耗技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及采用減阻技術(shù)對湍流工況下的 油氣管道進(jìn)行減阻保溫的方法，適用于冬季海底油氣輸送管道以及陸地寒冷地區(qū)油氣輸送 管道的保溫。
背景技術(shù)：
溫度較高的流體在管內(nèi)流動過程中不斷向低溫環(huán)境散失熱量，流體溫度逐漸降 低。通常，對于石油生產(chǎn)與輸運(yùn)管道，油氣輸送的終點(diǎn)溫度應(yīng)高于油品的凝固點(diǎn)溫度3 5°C，或者高于油品中蠟質(zhì)的凝固點(diǎn)3 5°C，以防止油品或蠟質(zhì)凝固而導(dǎo)致管道堵塞。而輸 油的初始溫度應(yīng)不高于油品的餾點(diǎn)溫度，以免引起油品的蒸發(fā)損耗。這兩種溫度條件決定 了輸油溫度的范圍及其所必需的保溫措施與熱力能耗，以保證油氣管道在低溫環(huán)境中的正 常運(yùn)行。管道中的流體與環(huán)境間的總傳熱系數(shù)對于油氣管道的溫降至關(guān)重要，降低總傳熱 系數(shù)會使流體向環(huán)境的散熱損失減少，單位管道長度的溫降也因此減小，此時(shí)要保證油氣 輸送的終點(diǎn)溫度高于凝固點(diǎn)溫度3 5°C，所需要的熱力費(fèi)用就會相應(yīng)減少，起到節(jié)約能源 與資金的效果。采用保溫材料來增加導(dǎo)熱的熱阻從而降低總傳熱系數(shù)，這是常用的管道保 溫原理。管內(nèi)流體介質(zhì)與管壁間的對流換熱系數(shù)是總傳熱系數(shù)的組成部分，降低管內(nèi)流體 介質(zhì)與管壁間的對流換熱系數(shù)，同樣有助于總傳熱系數(shù)的降低，具有保溫作用。減阻可抑制湍流摩擦，依據(jù)雷諾相似理論可得到推論減阻將會抑制流體與管壁 間的對流換熱系數(shù)。油氣生產(chǎn)與輸運(yùn)管道通常在湍流工況下運(yùn)行，減阻會抑制對流換熱，這 是換熱器管道所不希望出現(xiàn)的，卻正是油氣輸運(yùn)管道所需要的。減阻保溫對于冬季海底管 道的油氣輸送，以及陸地寒冷地區(qū)的油氣管道輸送都具有雙重意義其一是可以降低油氣 在管內(nèi)的流動阻力，其二是有利于對管內(nèi)流體的保溫。通常，對管道進(jìn)行減阻不會考慮對管 道的保溫，對管道的保溫也不會考慮流動減阻。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對冬季海底油氣輸送管道以及陸地寒冷地區(qū)油氣輸送管道，依據(jù)減阻技 術(shù)在湍流工況下可以有效抑制流體與管壁的對流換熱這一基本原理，將減阻與保溫兩個(gè)技 術(shù)問題相結(jié)合，提出一種采用減阻技術(shù)對湍流輸送狀態(tài)的油氣管道進(jìn)行保溫的方法，通過 減阻技術(shù)提升對管內(nèi)流體的保溫效果，達(dá)到降低熱力能耗的目的。為達(dá)到以上目的，本發(fā)明是采取如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的—種油氣管道減阻保溫方法，其特征在于，包括下述步驟(1)采用層流換熱比較法測定對流換熱系數(shù)。具體方法為采用一個(gè)套管式換 熱裝置，分內(nèi)管與套管，內(nèi)管的鋼材型號與油氣管道的鋼材型號相同，內(nèi)管中的流體為 油氣管道中的液相，作為高溫放熱側(cè)，流速與實(shí)際管道中的液相流速相同，流動狀態(tài)為 湍流；套管中的流體為冷卻液，流動狀態(tài)保持為層流，套管外絕熱；對于固定的套管幾何結(jié)構(gòu)，當(dāng)其中冷卻液的流動為充分發(fā)展的層流時(shí)，其對流換熱系數(shù)為一固定值，由于 管道鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)也為定值，總傳熱系數(shù)K根據(jù)傳熱學(xué)熱平衡法獲得，由傳熱學(xué)公式
K = -^^r
l + _4Lini +丄肌十軸隨巾白側(cè)構(gòu)隨幢、_藤捕織h"財(cái)= Iii 2λ Ci1 ho
λ為管道鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)，h。為套管中的冷卻液與內(nèi)管的外壁之間的對流換熱系數(shù)，d。為 內(nèi)管的外徑，屯為內(nèi)管的內(nèi)徑；(2)加劑濃度為Oppm時(shí)的液相對流換熱系數(shù)測定按照步驟(1)，測得加劑濃度為 Oppm時(shí)內(nèi)管中的流體與內(nèi)管的內(nèi)壁之間的對流換熱系數(shù)比的值為hg;(3)選用減阻保溫劑針對油氣管道中的液相，選用可溶于其中的聚合物減阻劑 作為減阻保溫劑；(4)測定多個(gè)加劑濃度下的對流換熱系數(shù)將聚合物減阻劑以多個(gè)不同的濃度加 入到管道中，對每個(gè)加劑濃度，都按步驟(1)，測定內(nèi)管中的流體與內(nèi)管內(nèi)壁之間的對流換 熱系數(shù)hi的值為hi.;(5)計(jì)算減阻保溫效果以內(nèi)管對流換熱系數(shù)的相對變化率HTR作為基本參數(shù)，
h -h_
表示減阻保溫效果，計(jì)算式為=HTR = “0 ^drXIOO0Zo，其中ι表示加劑濃度為
h.-o
Oppm時(shí)的內(nèi)管對流換熱系數(shù)，hi,表示每個(gè)加劑濃度下的內(nèi)管流體與內(nèi)管內(nèi)壁之間對流換 熱系數(shù)的值；(6)確定減阻保溫劑的使用濃度繪制內(nèi)管對流換熱系數(shù)的相對變化率HTR與多 個(gè)加劑濃度的關(guān)系曲線，在該曲線上選取一個(gè)加劑濃度作為減阻保溫劑的使用濃度；(7)進(jìn)行減阻保溫將所選定的減阻保溫劑以使用濃度添加到油氣管道的液相之 中，實(shí)現(xiàn)減阻保溫。本發(fā)明方法的優(yōu)點(diǎn)是將減阻與保溫兩個(gè)技術(shù)問題相結(jié)合，提出一種油氣管道減 阻保溫的方法，作為油氣管道的一種保溫技術(shù)，對于冬季海底管道的油氣輸送，以及陸地寒 冷地區(qū)的油氣輸送，通過減阻對管內(nèi)流體進(jìn)行保溫，既可實(shí)現(xiàn)減阻節(jié)能，又可實(shí)現(xiàn)保溫節(jié) 能。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。圖1為本發(fā)明層流換熱比較法所涉及的套管換熱裝置結(jié)構(gòu)圖。圖中1、熱電阻；2、 冷卻液；3、管中流體；4、絕熱層；5、內(nèi)管；6、套管；7、冷卻流體入口 ；8、冷卻流體出口。圖2內(nèi)管對流換熱系數(shù)的相對變化率HTR與多個(gè)加劑濃度的關(guān)系曲線。圖3減阻保溫劑以300ppm濃度添加到液相流速為1. 05m/s的油氣管道中在不同 氣速時(shí)的減阻保溫效果。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
本實(shí)施例中，油氣輸送管道為一段API-X52管線管，內(nèi)徑40mm，外徑48mm。該段管 道水平布置，管道內(nèi)的液相為油水混合物，流速為lm/s，含油率為25%，含水率75%，管道 內(nèi)的流體溫度為40°C，氣體流速1. 6m/s 5. Om/s的范圍內(nèi)變化。油氣管道減阻保溫方法，包括下述步驟(1)減阻保溫劑使內(nèi)管的湍流換熱特性向?qū)恿鲹Q熱特性轉(zhuǎn)變，采用層流換熱比較 法測定不同加劑濃度時(shí)的對流換熱系數(shù)采用如圖1所示的套管式換熱裝置測量對流換 熱系數(shù)，套管式換熱裝置的內(nèi)管5為API-X52管線管，內(nèi)管內(nèi)徑Cli = 40mm,內(nèi)管外徑d。= 48mm。內(nèi)管中的流體3為含油率為25%、含水率75%的混合液體，作為高溫放熱側(cè)，流動狀 態(tài)為湍流；套管6中的冷卻液2為水，套管內(nèi)徑D = 60mm，水在其中的流速為0. lm/s，流動 狀態(tài)為層流，套管中冷卻液體進(jìn)口 7的溫度為21°C，出口 8的溫度為27°C，溫度由熱電阻1 測量，套管外絕熱(絕熱層4)。所用API-X52管道鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)為45. 3ff/m,總傳熱系數(shù)K由熱平衡法測定，由
K = -^^r
傳熱學(xué)公式 1 + i ln 4 + 1可計(jì)算出內(nèi)管5中的流體與內(nèi)管的內(nèi)壁間的對流換
Iii 2λ Ci1 ho
熱系數(shù)hi;公式中，λ為管道鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)，h。為套管6中的冷卻液2與內(nèi)管的外壁之間 的對流換熱系數(shù)。(2)加劑濃度為Oppm時(shí)的液相對流換熱系數(shù)測定加劑濃度為Oppm時(shí)，按照步驟 (1)，經(jīng)測定，h。大小為450W/ (m2 -0C),總傳熱系數(shù)K為282. 3ff/ (m2 · °C )，由傳熱學(xué)公式計(jì) 算得到內(nèi)管5中的流體3與內(nèi)管內(nèi)壁間的對流換熱系數(shù)的值hg為890W/(m2 · °C )。(3)選用減阻保溫劑油氣管道中的液相為含油率為25%、含水率75%的混合液 體，含水率大，選用主要成分為聚丙烯酰胺的減阻劑作為減阻保溫劑。(4)測定多個(gè)加劑濃度下的液相對流換熱系數(shù)將聚合物減阻劑以濃度200ppm、 300ppm、400ppm分別加入到管道中，重復(fù)步驟(1)，經(jīng)測定，冷卻液2與內(nèi)管5的外壁之間 的對流換熱系數(shù)h。對這幾種濃度都保持為450W/(m2 -0C),總傳熱系數(shù)K則受加劑濃度 的影響，加劑濃度為200ppm時(shí)K為167. 2ff/ (m2 · °C )，加劑濃度為300ppm時(shí)K為129. 2W/ (m2 ·。C )，加劑濃度為400ppm時(shí)K為121. 3ff/(m2 · °C )。由傳熱學(xué)公式計(jì)算得到，加劑濃 度為200ppm時(shí)液相對流換熱系數(shù)的值比，為280. 4ff/(m2 · °C )，加劑濃度為300ppm時(shí)液 相對流換熱系數(shù)的值hi,為187. 8ff/ (m2 · °C )，加劑濃度為400ppm時(shí)液相對流換熱系數(shù)的 值 hi-^為 171.7W/(m2 · °C )。(5)計(jì)算減阻保溫效果以內(nèi)管對流換熱系數(shù)的相對變化率HTR作為減阻保溫率，
h -h_
表示減阻保溫效果，計(jì)算式為HTR = "V '"DRxlOO%，
h.-o其中hg表示加劑濃度為Oppm時(shí)的內(nèi)管對流換熱系數(shù)，比，表示加劑濃度大于 Oppm時(shí)的內(nèi)管對流換熱系數(shù)。(6)確定減阻保溫劑的使用濃度繪制內(nèi)管對流換熱系數(shù)的相對變化率HTR與多 個(gè)加劑濃度的關(guān)系曲線見圖2。依據(jù)該曲線，加劑濃度為300ppm時(shí)的減阻保溫率比200ppm 時(shí)的減阻保溫率增大約10%，與400ppm時(shí)減阻保溫率則接近，可選取300ppm加劑濃度作為減阻保溫劑的使用濃度。 (7)進(jìn)行減阻保溫將所選定的減阻保溫劑以300ppm濃度添加到液相流速為 1. 05m/s的油氣管道中，實(shí)現(xiàn)減阻保溫，在不同氣速時(shí)，由熱平衡法測定的保溫效果見圖3。 由圖3可以知，氣體流速在1. 6m/s 5. Om/s范圍內(nèi)，對于不同的氣體流速，減阻保溫率都 高達(dá)約80%，這表明使用減阻保溫劑后，油氣管道內(nèi)的流體與管壁間的對流換熱系數(shù)降低 了約80 %，具有明顯的保溫效果。
權(quán)利要求
一種油氣管道減阻保溫方法，其特征在于，包括下述步驟(1)采用一個(gè)套管式換熱裝置，分內(nèi)管與套管，內(nèi)管的鋼材型號與油氣管道的鋼材型號相同，內(nèi)管中的流體為油氣管道中的液相，作為高溫放熱側(cè)，流速與實(shí)際管道中的液相流速相同，流動狀態(tài)為湍流；套管中的流體為冷卻液，流動狀態(tài)保持為層流，套管外絕熱；對于固定的套管幾何結(jié)構(gòu)，當(dāng)其中冷卻液的流動為充分發(fā)展的層流時(shí)，其對流換熱系數(shù)為一固定值，由于管道鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)也為定值，總傳熱系數(shù)K根據(jù)傳熱學(xué)熱平衡法獲得，由傳熱學(xué)公式可計(jì)算出內(nèi)管中的流體與內(nèi)管內(nèi)壁間的對流換熱系數(shù)hi，式中λ為管道鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)，ho為套管中的冷卻液與內(nèi)管的外壁之間的對流換熱系數(shù)，do為內(nèi)管的外徑，di為內(nèi)管的內(nèi)徑；(2)加劑濃度為0ppm時(shí)的液相對流換熱系數(shù)測定按照步驟(1)的公式計(jì)算加劑濃度為0ppm時(shí)內(nèi)管中的流體與內(nèi)管的內(nèi)壁之間的對流換熱系數(shù)hi的值為hi 0；(3)選用減阻保溫劑針對油氣管道中的液相，選用可溶于其中的聚合物減阻劑作為減阻保溫劑；(4)測定多個(gè)加劑濃度下的對流換熱系數(shù)將減阻保溫劑以多個(gè)不同的濃度加入到管道中，對每個(gè)加劑濃度，都按步驟(1)，測定內(nèi)管中的流體與內(nèi)管內(nèi)壁之間的對流換熱系數(shù)hi的值為hi DR；(5)計(jì)算減阻保溫效果以內(nèi)管對流換熱系數(shù)的相對變化率HTR作為基本參數(shù)，表示減阻保溫效果，計(jì)算式為其中hi 0表示加劑濃度為0ppm時(shí)的內(nèi)管對流換熱系數(shù)，hi DR表示每個(gè)加劑濃度下的內(nèi)管流體與內(nèi)管內(nèi)壁之間對流換熱系數(shù)的值；(6)確定減阻保溫劑的使用濃度繪制內(nèi)管對流換熱系數(shù)的相對變化率HTR與多個(gè)加劑濃度的關(guān)系曲線，在該曲線上選取一個(gè)加劑濃度作為減阻保溫劑的使用濃度；(7)進(jìn)行減阻保溫將所選定的減阻保溫劑以使用濃度添加到油氣管道的液相之中，實(shí)現(xiàn)減阻保溫。FDA0000024611410000011.tif,FDA0000024611410000012.tif
全文摘要
本發(fā)明公開了一種油氣管道減阻保溫方法，用于冬季海底油氣輸送管道以及陸地寒冷地區(qū)油氣輸送管道的保溫。該方法針對油氣管道中的液相，選用可溶于其中的聚合物減阻劑作為減阻保溫劑，以某一使用濃度加注其中，實(shí)現(xiàn)減阻保溫。減阻保溫劑使管道的湍流換熱特性向?qū)恿鲹Q熱特性轉(zhuǎn)變，本發(fā)明采用層流換熱比較法測定液相對流換熱系數(shù)，測定裝置為一包含內(nèi)管與套管的套管式換熱裝置，內(nèi)管中的流動為湍流、套管中的流動為層流。本發(fā)明通過繪制對流換熱系數(shù)的相對變化率與多個(gè)加劑濃度的關(guān)系曲線來確定減阻保溫劑的使用濃度。
文檔編號F16L59/00GK101922595SQ20101025615
公開日2010年12月22日 申請日期2010年8月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月18日
發(fā)明者劉磊 申請人:西安交通大學(xué)