1管道总传热系数
管道总传热系数是热道设计和运行管理中的重要参数。在热道稳态 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 1C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
KD1 1
e
I
(1-1 )
iDn
2DW
2 L DL
道散热的影响时，根据热量平衡方程可得如下计算表达式：
式中：K ――总传热系数，W/( m2 C)；
De ――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)； Dn ――管道内直径，m； DW ------- 管道最外层直径，m;
1
――油流与管内壁放热系数， W/(m2 C)； 2 ----
管外壁与周围介质的放热系数， W/(m2 C)；
i
――第i层相应的导热系数，W/(m・C )；
Di，Di 1 ――管道第i层的内外直径，m其中i 1,2,3...n ；
DL 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 1、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 2 o (1)内部放热系数1的确定
放热强度决定于原油的物理性质及流动状态，可用
1
与放热准数Nu、自然
对流准数Gr和流体物理性质准数Pr间的数学关系式来表示
在层流状态(Re<2000,当Gr Pr 500时:
I
Nuy —d 3.65
l
(1-2)
在层流状态(Re<2000,当Gr Pr 500时：
0.25
Prb
― id c0.33 f 0.43 — Nu y 一 0.15Re y Pry Gry
在激烈的紊流状态(Re>1(4), Pr<2500时:
0.25
0.8
0.021
0.1
(1-3)
0.44
d
Rey Pry
Pry Prb
在过渡区(2OOOvRev1(0)
1
= K0 —
d
p「b
式中：Nu——放热准数，无因次;
C
Pr —— ——流体物理性质准数，无因次;
d3g tf Gr t
Re vd
自然对流准数，无因次;
乎—雷诺数;
K。 f(Ref)――系数；
d ---- 管道内径，m；
g ---- 重力加速度，g = 9.81m/s；
2
----- 定性温度下的流体运动粘度， m2/s；
C ――定性温度下的流体比热容，J/(kg K)； qv ――流体体积流量，m/s；
3
----- 定性温度下的流体密度，kg/m3 ；
――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
20 20
(1-6)
5965d4 t
f
2310 6340d4
f
0.1 〜0.16
――定性温度下的流体导热系数，原油的导热系数
W/(mK)间，随温度变化的关系可用下式表示:
f
约在
(1-7)
0.137(1 0.54 10 3tt)/ 15
15 f
tf ――油(液)的平均温度，C； tb ――管内壁平均温度，C；
15 C时的原油密度，kg/m3；
d20 —— 20 C时原油的相对密度。
注：上面各式中，参数角标f表示以管内油(液)的平均温度tf为定性温度; 角标b表示以管壁温度为定性温度。 (2) 各处管壁导热的热阻
这部分热阻包括钢管、防腐层和保温层的热阻。钢管的导热系数
W/(m - C )，其热阻可忽略不计；煤焦油瓷漆防腐层导热系数 W/(m「C)，
约为45
f约为1.1
g
黄夹克保温材料的导热系数
对于壁厚g、外包f厚煤焦
约为0.04 W/(m「C)。
如忽略内外径的差值，则总传热系数可近似按下式
b
油瓷漆防腐层的非保温热道，钢管及防腐 层对总传热系数的影响很小。 计算：
(1-8)
g f
对于保温管道，保温层的热阻起决定影响 故对于壁厚 其中:
g
、外包b厚保温
材料的保温热道:
In(Dj J DJ In (Dn 2 b 2 g)/(Dn 2 g)
2 i
(3) 外部放热系数2的确定
在原油长输管道内，液体的流动状态绝大部分是紊流状态，出现层流状态极 少。因此，在热力计算中，确定K值将主要使用公式(1-1)。在公式(1-1)中关键 的参数是与管道周围许多因素有关的 2，对于埋地敷设管道：
当管道的埋设深度(管中心至地表面)小于2m时，采用下面的公式计算：
2 sBi
ta
(1-9)
2 b
(1-10)
C
D
Bi
e
1
(1-11)
0 i
B
ht (De 2)2
0
2
1]
(1-12) (1-13)
唱‘©I
式中: 土壤的导热系数，W/(m - C )；
与土壤接触的管道外直径，m;
0
2
1] )
De ――(1-13
ta
――土壤至地表空气间的放热系数， w/(m2 :C)；
ho --- 管道埋深(管中心至地表面)，m 该放热系数包括对流放热系数 别用下式确定:
C R [( ts 273)4 ts (ta 273)4]
[()ta 100 (100
11.6
7.0. Va
tac
和辐射放热系数taR两部分。tac和taR分
(1-14)
taR
(1-15)
tac
式中：Va 地表面的平均风速， m/s；
――土壤表面折算黑度； CR ――辐射系数，可取 5.7 W/(m2 h4);
ts ――土壤表面温度，取当地一年中月平均的最低地面温度，C； ta ――空气温度，取当地一年中月平均的最低空气温度，C。 当管道理设深度大于2m时，可采用下面的公式计算
2
:
(1-16)
De In[0
De
2h
式中符号的意义同前。
从上述的公式中可以看出，确定出土壤导热系数是计算埋地管道
2
的关键。
土壤的导热系数与组成土壤固体物质的导热系数、土壤中固体物质颗粒大小的分 布、土壤含水率、土壤状态等许多因素有关。用理论计算很难得到准确值，因此 推荐采用理论计算与参考类似管道实测值相结合的方法。 (4) 结蜡层厚度计算
在计入原油蜡结晶析出的潜热后，长为dx的微元管道上，热道的热量 平衡
(1-19)
KDe
b
Di 1
忖
其中:
关系式(1-1 )可简化为:
[48]
b0
1
d
2 w
D(1-20)
bi
(1-21)
如取温降为1C时，从单位质量的原油中析出并沉积到管表面的凝油质量为
(1-24)(1-26)
bo
(1-27)(1 -22)
T，则在d
时间内在轴向温降为dT
的dx
段上沉积的量为:
因而使内径缩小了 d (1-24)得:
DL，则:
dGL
DL
T dx (1-23)
将式
代入式 (1-22) 得:
卫T dx
did DL d DL
dT Dn T To
(1-25)
dx
将式
代入式
D2
bi
T To
L
b0
b In Db
d DL
T T
CT k
dGL
积分后可得:
2
D
L0
DL
Dn
b1 2
b0 b| In
2
D
bi ________
T
T
o
d
T
C T k y
对于距泵站出口
x米处的管路而言,
其清管后的运行时间
可由下式计算:
L x
L0
P
T
2 2
4DnD
L 3D
L
Dn 贝 y
1
Dn DL 。 2D：
，、 L
2
联解式（1-24）与式（1-27），可求出线路上热泵站出口 xm处，经清管后运 行 小时的结蜡层内径DL，从而求解出结蜡厚度。
式中：
y
， bi ――分别为油温的函数，其规律可通过试验求得；
结蜡后的管道内径，m; 结蜡层的导热系数，W/(m「C);
――从下一站收到清管器开始计算的时间，S；
运行小时后的结蜡层内径，m； ――运行 小时后的结蜡厚度，m； 为站间距离，m； 管内流速，m/s；
DL
L
L0
D
L
L
L V
蜡的结晶潜热，kJ/kg。 1.2总传热系数的反算法
k
热道稳态运行时，根据各已知的运行参数，利用苏霍夫公式反算出埋地 管道总传热系数，根据《油气集输设计规范》的规定，当管道长度L 30km且管 径D 300 mm寸，输道的热力计算应考虑管道水力摩擦生热的影响，即按列 宾宗公式进行热力计算：
lnTl % b K D) T2 T0 b
(〔公)
Gc
b
K DE
式中：
T。一一管外环境温度，C (取管道中心埋深处地温)； 「 T2
L
(1-29)
管道起点油温，C； 终点油品温度，C； 管道长度，m； 管道外径，m；
管道至周围介质的总传热系数， W/(m2 C)；
Dw
K
E—— 热功当量，E=102 (kg m) /kJ； G
原油质量流量，kg/h； 原油比热容，kJ/(kg C)；
c
i —— 管道水力坡降值， m/m 。 为了更好地反映热道在一段时间内的实际
传热状况， 可采用最小二乘法 来推算总传热系数K。设在某一运行期内，某站间管段的n组运行参数记录值为 Gi，G1，G2，i 1~ n ,根据最小二乘法原理可构造一个关于变量 K的无约束 优化问题。 因为最小二乘法能充分利用管道的实际运行参数，在一定程度上可 以消除各种随机因素的影响，反算出的 K 值比较真实可靠。采用最小二乘法拟 合
K值的基本原理是：求得一个合适的 K值，使得按此K值计算的进站温度与 相应的实际
记录值的偏差平方和最小。
1.2.1 总传热系数因素分析及结蜡对管道温降和摩阻的影响 总传热系数影响因数
分析：从管道总传热系数的定义来看 , 影响总传热系数 的根本因素是管道结构、管道埋深和管道周围土壤的性质 ; 从总传热系数的 确定方法 -- 运行参数反算法来看 , 管道运行的稳定性和运行参数的测定精度 是影响总传热系数测试结果的主要因素。
1 管道埋深的影响 :根据埋地总传热系数计算公式 ,管道埋深越深 ,管道的散 热热
阻越大 , 总传热系数越小。
2 土壤性质的影响 : 土壤物性参数中对总传热系数影响最大的是土壤导热系 数，
土壤导热系数系数越大 , 管道总传热系数就越大。而土壤的导热系数主 要受土壤含水量的影响 ,土壤含水量越高 , 土壤的导热系数越大 , 管线的总传 热系数也就越大。
3 管道运行工况稳定性的影响 : 由于轴向温降公式的前提是稳定运行工况 , 因而
管道运行工况的稳定性对总传热系数测试结果有重大的影响 , 运行工况不稳 定可能会导致极不合理的总传热系数测试结果。 因此, 在反算总传热系数时 , 应当 选取管线稳定运行期间的运行参数。
4 站间温降的影响 : 站间温降越小 ,抵抗运行参数波动和测量误差的能力越 差,
总传热系数计算结果的误差就越大。
运行参数测量精度的影响 : 由计算公式可知 ,影响总传热系数计算结果的运行 参数包括输量、进出站压力和进出站温度 , 其中影响最大、测量精度最难保证的 是进出站温度。目前大多数油田的输道仍然采用套管中插玻璃温度计的方法 测量进出站温度 ,由于套管热阻、温度计本身误差和读数误差等原因 , 测量结果很 难反映管道中的实际油温，误差常在「C以上，当站间温降较小时，会给总传热系 数测试结果带来巨大误差。
5 地温参数测量精度的影响 : 输道中心埋深处的自然地温是影响总传热 系数
测试结果的重要因素。为了保证测量精度 ,必须选择合适的测温地点和测温 仪表。在某些管道上 , 目前测量地温的方法仍然是套管中悬挂玻璃地温计的方法 , 由于地温计不直接与土壤接触 , 且读数时常常需要将地温计向上提升一段距离 , 测量结果与实际地温有时偏差相当大 , 建议采用与土壤直接接触的测量方法 ( 如 在地下预埋测温探头
方法或探针法 ) 。无条件时 ,可采用气象台的地温测量结果。
(1) 管内壁结蜡对管道温降和摩阻的影响 管壁结蜡对轴向温降的影响 :管内壁结
蜡后 , 由于结蜡层的导热系数较小 ,一 般为0.15 W/(m2-C),其作用相当于增加了一层热阻。由于结蜡层热阻的存 在, 使总传热系数值减小 , 温度分布曲线变平 , 管线的散热量减小。当出站油 温和输量不变时 , 下游站的进站油温将提高。 管壁结蜡对摩阻的影响 : 管壁结蜡对摩阻的影响表现为两个方面：一方面由 于内壁结蜡,使流通面积减小,内径由原来的D0减小为D0-2DdL，当输量不变 时,管道摩阻升高；另一方面 ,由于结蜡层的保温作用 ,当维持出站油温不变 运行时,下游站的进站油温会升高 ,粘度减小,摩阻减小,当然结蜡层引起的 摩阻升高是主要的。对于低输量运行的热线来说 , 结蜡层的存在不仅可 以使轴向温降减小 , 从而使管线的散热损失减少 , 而且当管线停输时还可以 减缓管内原油的降温速度 ,延长管线允许的停输时间 ,因此结蜡层的存在对 管线的经济 ! 安全运行是有利的 , 除非管线的输送能力不足 , 建议不要对低输 量运行的热线采取清管措施。
