3.1热油管道的温降计算详解
油气集输管线温降计算方法
油气集输管线温降计算方法摘要：油气集输管线沿线的温降将在一定程度上受到油管向着周围地层环境散热以及沿线压降等多种因素的影响。
然而沿程压降又将由于不同的流动形态而各有区别。
通过考虑上述要素，提出了计算油气集输管线沿着温降数学模型，从集输管线稳态的能量微分方程为基础，综合考虑平均气舍以及其对传热的影响，从而得出了油气集输管线的温降解析表达式，为类似油气集输管线温降的计算提供了可供参考的经验。
关键词：油气集输管线温降计算方法从油井开采到地面的原油由于包含带有溶解盐的油层水、泥砂以及天然气等杂质。
在油气的开采管理过程当中，油气集输管线沿程的温降计算是其中重要的内容之一，与油气管线运行的安全性以及经济性有着密切的联系。
然而由于相流动问题具有复杂性，成熟的油气混合物温降的方法依旧处于研究当中，由此在实际的工程项目中，往往通过单相油流的苏霍夫温降公式进行估算，然而往往将造成很大的误差。
随着石油工业的迅速发展，油田的实际生产中需要提出一种油气集输管线沿线温降的精确计算方式，通过从能量微分方式为基础，同时与压降等经验关联式结合起来，从而得出了油气集输管线沿程温降的计算公式，同时也编制除了大型计算机程序。
通过将计算的结果与AGA数据相比较，相应的精度符合要求。
一、建立数学模型1.热力计算能量平衡方程石油工业开采过程中的油、汽、水混合物流动而言，液相包括不相溶的油以及水两种液体，由此其属于气液多相流动。
然而其流动的力学关系与气液两相流动类似，由此一般也可将其规划为气液两相流动的研究范围。
若是两相之间不存在温度滑移，同时也不计算油品的径向温度梯度，由此，气液两相混合物沿着管线的能量微分方程可表达为：上述公式中，q是与管壁方向垂直的热流量；H为混合物焓；V为混合物的平均速度；θ为管轴线与水平面的夹角；g为重力加速度。
由于H混合物焓在很大程度上依赖于其自身压力P以及温度，由此可用下列公式表示：公式中的μJ是焦耳一汤普森系数，是由于流体没单位压力变化而引起的温度变化，CPm是混合物的定压比热。
油田站间输油管道热力优化计算
王霁：油田站间输油管道热力优化计算第11卷第6期（2021-06）温度是热油管道输送过程中最重要的参数之一，温度高低直接影响油品的黏度、比热、密度等物性。
出站温度过高会导致输送过程中的散热量增加，能量损失变大；而出站温度过低，会导致安全停输时间减少，增加安全隐患。
因此选择合理的出站温度对于热油管道安全经济输送具有重要意义。
在热油管道生产运行参数优化过程中，管道温降计算的精度对于方案的合理性影响巨大。
1现状为提高输油管道温降计算的精度，许多学者进行了大量研究，徐睿妤为解决现有热力模型上存在的不足，根据热阻原理编制了具备常见模型模块和自定义模块的OHTC计算软件，提高了管道运输上热力计算的精准度[1]；庞海涛采用PIPESIM流体计算软件进行对K值影响因素的模拟，分析得出了各因素对其影响程度[2]；魏立新，周刚等提出一种更适用于现场实际工况的基于相关向量机算法（RVM）的埋地热油管道温降预测的新方法[3]；杨新明、蒋洪等在利用探针法测量土壤导热系数的基础上，结合管道设计数据，通过理论公式计算求解管道的总传热系数[4-5]；杨加栋，张晓灵等以聚氨酯弹性体保温管道作为研究对象，设计可模拟深水环境下压力和温度的管道散热测试装置，有助于分析测验材料保温性能，为工程现场提供了有力参考[6]。
针对某油田站间原油输送管道，采用最优化拟合方法建立了管道热力计算模型，并对不同输量不同月份管道的合理出站温度进行了计算。
2热力计算模型某油田站间管道全长30km，采用加热输送方式。
该管道环境温度-8~15℃，油品比热容1.94~2.69J/(kg·℃)，黏度23.5~43.8mPa·s，密度0.87kg/m3，进站温度39~49℃。
热油管道温降通常采用苏霍夫公式：TZ=T0+()T R-T0e-aLa=KπDGc（1）式中：G为油品的质量流量，kg/s；c为输油温度下油品的比热容，J/(kg·℃)；K为管道总传热系数，W/(m2∙℃)；D为管道外径，m；L为管道长度，m；TR为管道起点温度，℃；TZ为管道终点温度，℃；T0为管道周围土壤温度，℃；a为参数。
热油管道停输温降过程的模拟研究
摘 要 热油管道停输 降温过程是 输油 管道 中最常见的现象 ， 其降温规律 对确定安 全停输 时间、 掌握 再启动方案和停输检修安排 都有着十 分重要 的意义。利 用 Ｆ ＵＥ Ｔ软 件对 水下及 架空热油 管道停 Ｌ Ｎ
输温降过程进行 了数值模拟 ， 分析 了管 内不 同位置 、 同初始 温度条件 、 同管径条件 下的油 温变化 不 不 过程 ， 出了与 实际吻合较好 的温 降曲线 。通过模拟 发现 ， 得 温降过程 可分 为三个 阶段 ， 初始温度越 高
００ ．５
【 １ ） ６ ．
＊基 金项 目 ：本文受四川省重点学科建设项目（ Ｚ￣４６ 资助 Ｓ １）１） 第一 作者 简 介 张煜（９０ ）男． １８ － ． 西南石油大学在渎研究生 ． 研究方向为油气田渗流力学
石 油工 业 计 算机 应 用 总 ６期 ２１年第１ 第 ５ ００ 期
较大 ， 如大庆 、 胜利 、 中原 、 海油 田等 ［ 。此类 原油 南 １ ］ 在常温下的流动性较差 ， 目前 主要 采用加 热输送工艺
来降低原油 的粘度而达到减小摩 阻的 目的 。然而 ， 管 道停输Ｌ 后 油温 将逐 渐 降低 ， 没 有精 确 的时 间控 ２ ］ 若 制， 可能发生凝管事故 ， 造成 巨大 的经 济损失 。因此 ，
３ ８
Ｃ ｍｐ ｔｒ ｐｉ ｔ ｎ ｆＰ ｔｏｅｍ ００Ｔ ｔ ５Ｎ ． ｏ ｕｅ Ａｐ ｌ ａｉ ｓｏ ｅ ｌ ｃ ｏ ｒ ｕ ２１，ｏ ｌ ｏ１ ａ６
热油 管道停 输温 降过程 的模拟研 究
张 煜 朱红钧 陈小榆
（ 南 石油 大 学 石油 工程 学 院 四川 成 都 ６００ ） 西 １５０
（ ／ｍ ・ ） Ｗ （ Ｋ）
㈣ １
油气集输管线温降计算方法
油气集输管线温降计算方法摘要：在油管散热以及沿程压降等因素的影响下，油气集输管线会出现温降等问题，科学计算温降有利于促进石油工业的发展，因此本文利用文献资料法等方法对油气集输管线温降计算方法进行了研究与探讨。
在探究过程中先分析了相关的数学模型，例如热力计算模型、传热系数计算模型等，之后分析了计算方法以及具体案例。
在分析后发现通过能量平衡微分方程等模型以及计算程序可以增强计算结果的准确性，减少计算误差，所以需要提高对这一计算方法的重视程度。
关键词：油气集输管线；温降；计算方法前言：温降是油气集输管线经常出现的问题，在进行油气开采管理时做好温降计算工作有利于增强管线运行的安全性与经济性。
但利用传统的苏霍夫温降公式进行估算会降低计算结果的准确性，所以需要探讨新的、精准的计算方法，从而增强温降计算结果的精准性，为管理工作提供依据。
1.油气集输管线温降相关数学模型1.1热力计算模型由于液相中含有不相溶的油和水这两种液体，所以石油工业中的油、气、水混合物流动属于多液多相流动。
但从实际情况来看，其流动的力学关系类似于气液两相流动相，所以将其归纳到气液两相流动的范畴中。
在这种情况下，若假设两相之间没有温度滑梯，且不计油品径向温度阶梯，就可以将气液两相混合物沿管线的能量微分方程设置为公式（1）【1】。
（1）公式（1）当中的q指的是垂直于管壁方向的热流量、H指的是混合物焓、V指的是混合物平均速度、g为重力加速度、θ指的是管轴线与水平面夹角。
但混合物焓会受到其压力和温度的影响，所以可以利用公式（2）表示。
（2）公式（2）中的为焦耳-汤普森系数、为混合物定压比热、为混合物焓自身的温度。
从公式（1）与公式（2）可以获取公式（3）。
（3）公式（3）中的P为混合物焓自身的压力，且=-2π（4）公式（4）中的负号表示散热，k为传热系数，为环境土壤温度。
从公式（3）与公式（4）可以得到公式（5）。
（5）公式（5）中的， - - 。
(整理)管道总传热系数计算
1管道总传热系数管道总传热系数是热油管道设计和运行管理中的重要参数。
在热油管道稳态运行方案的工艺计算中，温降和压降的计算至关重要，而管道总传热系数是影响温降计算的关键因素，同时它也通过温降影响压降的计算结果。
1.1 利用管道周围埋设介质热物性计算K 值管道总传热系数K 指油流与周围介质温差为1℃时，单位时间内通过管道单位传热表面所传递的热量，它表示油流至周围介质散热的强弱。
当考虑结蜡层的热阻对管道散热的影响时，根据热量平衡方程可得如下计算表达式：1112ln 111ln 22i i ne n w i L L D D D KD D D D a a l l -+轾骣犏琪桫犏=+++犏犏犏臌å （1-1）式中：K ——总传热系数，W /(m 2·℃)；e D ——计算直径，m ；（对于保温管路取保温层内外径的平均值，对于无保温埋地管路可取沥青层外径）；n D ——管道内直径，m ；w D ——管道最外层直径，m ；1α——油流与管内壁放热系数，W/(m 2·℃)；2α——管外壁与周围介质的放热系数，W/(m 2·℃)；i λ——第i 层相应的导热系数，W/(m·℃)；i D ，1i D +——管道第i 层的内外直径，m ，其中1,2,3...i n =；L D ——结蜡后的管内径，m 。
为计算总传热系数K ，需分别计算内部放热系数1α、自管壁至管道最外径的导热热阻、管道外壁或最大外围至周围环境的放热系数2α。
（1）内部放热系数1α的确定放热强度决定于原油的物理性质及流动状态，可用1α与放热准数u N 、自然对流准数r G 和流体物理性质准数r P 间的数学关系式来表示[47]。
在层流状态（Re<2000），当Pr 500Gr <时：1 3.65y d Nu a l== （1-2） 在层流状态（Re<2000），当Pr 500Gr >时： 0.250.330.430.11Pr 0.15Re Pr Pr y y y y y b d Nu Gr a l 骣琪==鬃琪桫（1-3） 在激烈的紊流状态（Re>104），Pr<2500时： 0.250.80.441Pr 0.021Re Pr Pr y y y b d l a 骣琪=鬃琪桫 （1-4）在过渡区(2000<Re<104)（1-5）式中：u N ——放热准数，无因次；——流体物理性质准数，无因次；——自然对流准数，无因次；——雷诺数；0(Re )f K f =——系数；d ——管道内径，m ；g ——重力加速度，g ＝9.81m/s 2；υ——定性温度下的流体运动粘度，m 2/s ；C ——定性温度下的流体比热容，J/(kg·K)； v q ——流体体积流量，m 3/s ；ρ——定性温度下的流体密度，kg/m 3；β——定性温度下的流体体积膨胀系数，可查得，亦可按下式计算：（1-6）f λ——定性温度下的流体导热系数，原油的导热系数f λ约在0.1～0.16W/(m ·K)间，随温度变化的关系可用下式表示：（1-7）15f ρ——l5℃时的原油密度，kg/m 3；f t ——油(液)的平均温度，℃；b t ——管内壁平均温度，℃；204d ——20℃时原油的相对密度。
3.2热油管道的压降计算详解
二、计算热油管道摩阻方法
热油管道摩阻计算有三种方法：
(1) 平均温度计算法
(2) 分段计算法 (3) 基于粘温关系的方法
1、站间平均油温计算法 输送含蜡原油的管路多在紊流光滑区工作，此时摩阻与 粘度的0.25次方成正比，当加热站间起终点温度下的粘 度相差不超过一倍时，取起终点平均温度下的粘度，用 等温输油管的摩阻计算方法计算一个加热站间的摩阻， 误差不会太大。具体步骤是：
一、确定加热站数及其热负荷
确定了加热站的进、出口温度，即加热站的起、终点温度TR 和 TZ 后，可按最低月平均地温，及全线的近似K值估算加热 站间距 LR 。 GC TR T0 b L ln R KD TZ T0 b
加热站站数 nR 按下式计算并化整
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输油管道设计与管理
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①计算加热站间油流的平均温度 Tpj ，Tpj 1 (TR 2TZ )
3
②由粘温特性求出温度为Tpj时的油流粘度υpj。
③一个加热站间的摩阻为： Q 2 m m pj hR LR 5 m D1 2、分段平均温度计算法
当站间起终点粘度变化较大时，用站间平均温度法计算摩 阻损失误差较大。此时可将站间分成若干小段，分段计算 管路的摩阻。其方法是：
Q 2 m m dhR dl 5 m D1
由微元段的热平衡方程可得到：
①
Gc dT dl KD T T0 b
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②
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粘温关系取粘温指数方程：
T e u( T T ) T e u( T
R R R
R T0 b
管道温降计算
1管道总传热系数管道总传热系数K 指油流与周围介质温差为1℃时，单位时间内通过管道单位传热表面所传递的热量，它表示油流至周围介质散热的强弱。
当考虑结蜡层的热阻对管道散热的影响时，根据热量平衡方程可得如下计算表达式：1112ln 111ln 22i i n e n wi L L D D D KD D D D ααλλ-+⎡⎤⎛⎫ ⎪⎢⎥⎝⎭=+++⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦∑ （1-1）式中：K ——总传热系数，W/(m 2·℃)；e D ——计算直径，m ；（对于保温管路取保温层内外径的平均值，对于无保温埋地管路可取沥青层外径）；n D ——管道内直径，m ； w D ——管道最外层直径，m ；1α——油流与管内壁放热系数，W/(m 2·℃)； 2α——管外壁与周围介质的放热系数，W/(m 2·℃)； i λ——第i 层相应的导热系数，W/(m·℃)；i D ，1i D +——管道第i 层的内外直径，m ，其中1,2,3...i n =；L D ——结蜡后的管内径，m ；L λ——所结蜡导热系数。
为计算总传热系数K ，需分别计算内部放热系数1α、自管壁至管道最外径的导热热阻、管道外壁或最大外围至周围环境的放热系数2α。
（1）内部放热系数1α的确定放热强度决定于原油的物理性质及流动状态，可用1α与放热准数u N 、自然对流准数r G 和流体物理性质准数r P 间的数学关系式来表示。
在层流状态（Re<2000），当500Pr <⋅Gr 时：1 3.65y dNu αλ== （1-2） 在层流状态（Re<2000），当500Pr >⋅Gr 时：0.250.330.430.11Pr 0.15Re Pr Pr y y y y y b d Nu Gr αλ⎛⎫==⋅⋅⎪⎝⎭（1-3）在激烈的紊流状态（Re>104），Pr<2500时：0.250.80.441Pr 0.021Re Pr Pr y y y b d λα⎛⎫=⋅⋅ ⎪⎝⎭（1-4）在过渡区(2000<Re<104)25.043.001)Pr Pr (Pr bf f fdK ⋅λα＝ （1-5）式中：u N ——放热准数，无因次；λρυC =Pr ——流体物理性质准数，无因次； ()υβw f t t g d Gr -=3——自然对流准数，无因次；υπρd q vdv4Re ==——雷诺数； )(Re 0f f K =——系数；d ——管道内径，m ；g ——重力加速度，g ＝9.81m/s 2； υ——定性温度下的流体运动粘度，m 2/s ； C ——定性温度下的流体比热容，J/(kg·K)； v q ——流体体积流量，m 3/s ；ρ——定性温度下的流体密度，kg/m 3；β——定性温度下的流体体积膨胀系数，可查得，亦可按下式计算：td d -+-=2042045965634023101β （1-6）f λ——定性温度下的流体导热系数，原油的导热系数f λ约在0.1～0.16W/(m·K)间，随温度变化的关系可用下式表示：153/)1054.01(137.0f t f t ρλ-⨯-= （1-7）15f ρ——l5℃时的原油密度，kg/m 3；f t ——油(液)的平均温度，℃；b t ——管内壁平均温度，℃；204d ——20℃时原油的相对密度。
热油输送管道的工艺计算
第三章热油输送管道的工艺计算(Hot-oil Pipelines)随着世界能源需求的增长，易凝和高粘原油的产量不断地增加。
目前我国所产原油大多为这两种原油。
生产含蜡原油（waxy crude）（即易凝原油）的油田主要有：大庆油田、胜利油田、中原油田、华北油田、河南油田、长庆油田、克拉玛依油田。
生产稠油（thick oil ,heavey oil）的油田有：辽河油田、胜利的单家寺油田和孤岛油田等。
含蜡原油的特点是含蜡量高、凝固点高、低温下粘度高、高温下粘度低。
如大庆原油，凝固点为28～32℃，6，胜利原油凝固点为23～32℃，50℃运动粘度约为50℃运动粘度约为20~25×s102m/6。
稠油的特点是凝固点很低，通常低于0℃，但粘度很大，如孤岛原油凝80～90×sm/1026。
固点为－2.3～4.9℃，50℃运动粘度约为490×s102m/凝固点（Freezing point）：是指在规定条件下（热力和剪切条件）所测得的油样不流动的最高温度。
我国常把它作为评价原油流动性的指标之一。
西方国家常用的是倾点（Pour point）,它与凝固点有所不同。
倾点是指在规定条件下测得的油样刚开始流动的最低温度。
由于测量方法的不同，因而两者在数值上亦有差别。
对于同一种原油，倾点一般比凝固点低2～3℃。
原油的高含蜡、高凝固点和高粘度给储运工作带来以下几个方面的问题：1.由于原油的凝固点比较高，一般在环境温度下就失去流动性或流动性很差，因而不能直接常温输送。
2.在环境温度下，含蜡原油既使能够流动其表观粘度（Apparent Viscosity）也很高。
对于稠油，虽然在环境温度下并不凝固，但其粘度很大。
因此无论是高含蜡原油还是稠油，常温输送时摩阻损失都很大，是很不经济的。
3.高凝高粘原油给储运系统的运行管理也带来了某些特殊问题，主要有：①储罐和管道系统的结蜡问题②管道停输后的再启动问题。
对于易凝高粘问题，不能直接采用前面讲到的等温输送方法，必须在输入管道前采用降凝降粘措施。
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目前我国所产原油大多为易凝和高粘原油。这两种原油的凝 点高，常温下的粘度大，有些油品还含有较高的石蜡、胶质 等，俗称“三高”油品——高凝点、高含蜡、高粘度。 含蜡原油的特点是含蜡量高、凝固点高、低温下粘度高、 高温下粘度低。如大庆原油，凝固点为28~32℃，50℃运动 粘度约为20~25×10-6m2/s，胜利含蜡原油的凝固点为23~32℃， 50℃运动粘度约为80~90×10-6m2/s。 稠油的特点是凝固点低，通常低于0℃，但粘度很大，如 孤岛原油凝固点为-2.3~4.9℃，50℃运动粘度约为2000×106m2/s。除此之外，还有粘度超过20000×10-6m2/s，甚至于高 达1000000×10-6m2/s的超稠油。
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设有一条热油管道 ，管道计算外径为 D ，周围介质温度为 T0 , 总传热系数为 K , 输量为 G ，油品的比热为C ，出站油 温为TR，输至距离 L时的温度TL 。 在距加热站为L处取一微元段dL，设此处断面油温为T，油 流经过dL段的温度变化为dT，故在L+dL断面上油温为T+dT， 稳定传热时，dL段上的热平衡方程为： KπD (T-T0)dL=－GCdT
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易凝高粘原油的输送方式
常温输送 采用物理、化学等方法（加降凝减阻剂、热处理、稀释、 与表面活性物质水溶液混输、液环输送、热分解等）使油 品性质改变，降粘、降凝，以实现不加热输送。 加热输送 即将油品加热后输入管路，提高油品温度以降低其粘度， 减少摩阻损失，借消耗热能来节约动能。 可以分为加热站加热和伴随加热（蒸汽伴热、电伴热， 主要用于油田内部集输管道和短管道），加热输送是目前 最常用的方法。
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第一节 热油管道的温降计算
一、加热输送的特点
什么是热油管道？
所谓热油输送管道是指那些在输送过程中沿线油 温高于地温的输油管道。对于含蜡原油管道，一般来 说，其沿线的油温不仅高于地温而且还高于原油的凝 点。
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在热油沿管道向前流动过程中，由于油温高于管道周 围的环境温度，在径向温差的作用下，油流所携带的热能 将不断地向管外散失，因而使油流在前进过程中不断地降 温，引起轴向温降。轴向温降的存在，使油流的粘度在前 进过程中不断升高，单位管长的摩阻逐渐增大，当油温降 至凝点附近时，单位管长的摩阻将急剧升高。
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二、热油管道沿程温降计算
1、轴向温降公式的推导 基本假设 ： ①稳定工况。包括热力 、水力条件稳定，即各站的进
出站温度不随时间而变化，输量也不随时间而变化。
②油流至周围介质的总传热系数K沿线为常数。 ③沿线地温T0和油品的比热C为常数
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故在设计管道时，必须考虑：需将油流加热到多高的温 度才能输入管道？当油温降到什么温度时需要建一个加热 站？像等温管那样，热油管也设有泵站，沿线的加热站和 泵站补充油流的热损失和压力损失。
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与等温管相比，热油管道的特点是： ① 沿程的能量损失包括热能损失和压能损失两部分。 ② 热能损失和压能损失互相联系，且热能损失起主导作用。 设计热油管道时，要先进行热力计算，然后进行水力计算。 这是因为摩阻损失的大小取决于油品的粘度，而油品的粘 度则取决于输送温度的高低。 ③ 沿程油温不同，油流粘度不同，沿程水力坡降不是常数， i≠const。一个加热站间，距加热站越远，油温越低，粘 度越大 ，水力坡降越大。
利用与推导苏霍夫轴向温降基本公式相同的方法： 管线向周围介质的散热量=油流温降放热+摩擦热
即：KπD(T-T0)dL=-GCdT+GgidL
整理得:
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KD Ggi T T0 dL dT GC KD
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令:
a
KD Ggi gi ,b GC KD Ca
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则上式变为: a(T-T0-b)dL= -dT
即: 或:
L
0
dT adL TR T T b 0
TL
TR T0 b ln aL TL T0 b
TL (T0 b) TR T0 be aL
上式即为考虑摩擦热时的轴向温降计算公式。又叫列宾宗温 降公式。
dT KD dL T T0 GC
TR L
T dL
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输油管道设
dT KD L TR T T0 GC 0 dL
TL
TR T0 KD ln L aL TL T0 GC
a
KD GC
TL T0 (TR T0 )e aL
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原油的高含蜡、高凝固点和高粘度给储运工作带来以下几个方 面的问题： 1、由于原油的凝固点比较高，一般在环境温度下就失去流动 性或流动性很差，因而不能直接常温输送。
2、在环境温度下，含蜡原油即使能够流动，其表观粘度 (Apparent Viscosity)也很高。对于稠油，虽然在环境温度 下并不凝固，但其粘度很大，实际上已经失去流动性。因 此无论是高含蜡原油还是稠油，常温输送时摩阻损失都很 大，很不经济。 3、易凝高粘原油给储运系统的运行管理也带来了某些特殊问 题，主要有： ①储罐和管道系统的结蜡问题 ； ②管道停输后的再启动问题。
上式称为轴向温降基本公式，也就是著名的苏霍夫公式。 根据加热站间距LR，可求得下一站的进站油温为：
TZ T0 TR T0 e aLR
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考虑摩擦升温时的轴向温降计算
油流沿管道向前流动过程中,由于摩擦阻力而使压力不断下 降。这部分压力能最终转化为摩擦热而加热油流。上面讨 论的温降基本公式，未考虑摩擦热的影响，故只能用于流 速低、温降大、摩擦热影响较小的情况。