CN101922595B - 一种油气管道减阻保温方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种油气管道减阻保温方法，用于冬季海底油气输送管道以及陆地寒冷地区油气输送管道的保温。该方法针对油气管道中的液相，选用可溶于其中的聚合物减阻剂作为减阻保温剂，以某一使用浓度加注其中，实现减阻保温。减阻保温剂使管道的湍流换热特性向层流换热特性转变，本发明采用层流换热比较法测定液相对流换热系数，测定装置为一包含内管与套管的套管式换热装置，内管中的流动为湍流、套管中的流动为层流。本发明通过绘制对流换热系数的相对变化率与多个加剂浓度的关系曲线来确定减阻保温剂的使用浓度。
Description
技术领域：
本发明涉及油气储运节能降耗技术领域，特别涉及采用减阻技术对湍流工况下的油气管道进行减阻保温的方法，适用于冬季海底油气输送管道以及陆地寒冷地区油气输送管道的保温。
背景技术
温度较高的流体在管内流动过程中不断向低温环境散失热量，流体温度逐渐降低。通常，对于石油生产与输运管道，油气输送的终点温度应高于油品的凝固点温度3～5℃，或者高于油品中蜡质的凝固点3～5℃，以防止油品或蜡质凝固而导致管道堵塞。而输油的初始温度应不高于油品的馏点温度，以免引起油品的蒸发损耗。这两种温度条件决定了输油温度的范围及其所必需的保温措施与热力能耗，以保证油气管道在低温环境中的正常运行。
管道中的流体与环境间的总传热系数对于油气管道的温降至关重要，降低总传热系数会使流体向环境的散热损失减少，单位管道长度的温降也因此减小，此时要保证油气输送的终点温度高于凝固点温度3～5℃，所需要的热力费用就会相应减少，起到节约能源与资金的效果。采用保温材料来增加导热的热阻从而降低总传热系数，这是常用的管道保温原理。管内流体介质与管壁间的对流换热系数是总传热系数的组成部分，降低管内流体介质与管壁间的对流换热系数，同样有助于总传热系数的降低，具有保温作用。
减阻可抑制湍流摩擦，依据雷诺相似理论可得到推论：减阻将会抑制流体与管壁间的对流换热系数。油气生产与输运管道通常在湍流工况下运行，减阻会抑制对流换热，这是换热器管道所不希望出现的，却正是油气输运管道所需要的。减阻保温对于冬季海底管道的油气输送，以及陆地寒冷地区的油气管道输送都具有双重意义：其一是可以降低油气在管内的流动阻力，其二是有利于对管内流体的保温。通常，对管道进行减阻不会考虑对管道的保温，对管道的保温也不会考虑流动减阻。
发明内容
本发明针对冬季海底油气输送管道以及陆地寒冷地区油气输送管道，依据减阻技术在湍流工况下可以有效抑制流体与管壁的对流换热这一基本原理，将减阻与保温两个技术问题相结合，提出一种采用减阻技术对湍流输送状态的油气管道进行保温的方法，通过减阻技术提升对管内流体的保温效果，达到降低热力能耗的目的。
为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：
一种油气管道减阻保温方法，其特征在于，包括下述步骤：
(1)采用层流换热比较法测定对流换热系数。具体方法为采用一个套管式换热装置，分内管与套管，内管的钢材型号与油气管道的钢材型号相同，内管中的流体为油气管道中的液相，作为高温放热侧，流速与实际管道中的液相流速相同，流动状态为湍流；套管中的流体为冷却液，流动状态保持为层流，套管外绝热；对于固定的套管几何结构，当其中冷却液的流动为充分发展的层流时，其对流换热系数为一固定值，由于管道钢材的导热系数也为定值，总传热系数K根据传热学热平衡法获得，由传热学公式
可计算出内管中的流体与内管内壁间的对流换热系数hi，式中：λ为管道钢材的导热系数，ho为套管中的冷却液与内管的外壁之间的对流换热系数，do为内管的外径，di为内管的内径；
(2)加剂浓度为0ppm时的液相对流换热系数测定：按照步骤(1)，测得加剂浓度为0ppm时内管中的流体与内管的内壁之间的对流换热系数hi的值为hi-0；
(3)选用减阻保温剂：针对油气管道中的液相，选用可溶于其中的聚合物减阻剂作为减阻保温剂；
(4)测定多个加剂浓度下的对流换热系数：将聚合物减阻剂以多个不同的浓度加入到管道中，对每个加剂浓度，都按步骤(1)，测定内管中的流体与内管内壁之间的对流换热系数hi的值为hi-DR；
(5)计算减阻保温效果：以内管对流换热系数的相对变化率HTR作为基本参数，表示减阻保温效果，计算式为：
其中hi-0表示加剂浓度为0ppm时的内管对流换热系数，hi-DR表示每个加剂浓度下的内管流体与内管内壁之间对流换热系数的值；
(6)确定减阻保温剂的使用浓度：绘制内管对流换热系数的相对变化率HTR与多个加剂浓度的关系曲线，在该曲线上选取一个加剂浓度作为减阻保温剂的使用浓度；
(7)进行减阻保温：将所选定的减阻保温剂以使用浓度添加到油气管道的液相之中，实现减阻保温。
本发明方法的优点是：将减阻与保温两个技术问题相结合，提出一种油气管道减阻保温的方法，作为油气管道的一种保温技术，对于冬季海底管道的油气输送，以及陆地寒冷地区的油气输送，通过减阻对管内流体进行保温，既可实现减阻节能，又可实现保温节能。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1为本发明层流换热比较法所涉及的套管换热装置结构图。图中：1、热电阻；2、冷却液；3、管中流体；4、绝热层；5、内管；6、套管；7、冷却流体入口；8、冷却流体出口。
图2内管对流换热系数的相对变化率HTR与多个加剂浓度的关系曲线。
图3减阻保温剂以300ppm浓度添加到液相流速为1.05m/s的油气管道中在不同气速时的减阻保温效果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本实施例中，油气输送管道为一段API-X52管线管，内径40mm，外径48mm。该段管道水平布置，管道内的液相为油水混合物，流速为1m/s，含油率为25％，含水率75％，管道内的流体温度为40℃，气体流速1.6m/s～5.0m/s的范围内变化。
油气管道减阻保温方法，包括下述步骤：
(1)减阻保温剂使内管的湍流换热特性向层流换热特性转变，采用层流换热比较法测定不同加剂浓度时的对流换热系数：采用如图1所示的套管式换热装置测量对流换热系数，套管式换热装置的内管5为API-X52管线管，内管内径di＝40mm，内管外径do＝48mm。内管中的流体3为含油率为25％、含水率75％的混合液体，作为高温放热侧，流动状态为湍流；套管6中的冷却液2为水，套管内径D＝60mm，水在其中的流速为0.1m/s，流动状态为层流，套管中冷却液体进口7的温度为21℃，出口8的温度为27℃，温度由热电阻1测量，套管外绝热(绝热层4)。
所用API-X52管道钢材的导热系数为45.3W/m，总传热系数K由热平衡法测定，由传热学公式
可计算出内管5中的流体与内管的内壁间的对流换热系数hi，公式中，λ为管道钢材的导热系数，ho为套管6中的冷却液2与内管的外壁之间的对流换热系数。
(2)加剂浓度为0ppm时的液相对流换热系数测定：加剂浓度为0ppm时，按照步骤(1)，经测定，ho大小为450W/(m2·℃)，总传热系数K为282.3W/(m2·℃)，由传热学公式计算得到内管5中的流体3与内管内壁间的对流换热系数的值hi-0为890W/(m2·℃)。
(3)选用减阻保温剂：油气管道中的液相为含油率为25％、含水率75％的混合液体，含水率大，选用主要成分为聚丙烯酰胺的减阻剂作为减阻保温剂。
(4)测定多个加剂浓度下的液相对流换热系数：将聚合物减阻剂以浓度200ppm、300ppm、400ppm分别加入到管道中，重复步骤(1)，经测定，冷却液2与内管5的外壁之间的对流换热系数ho对这几种浓度都保持为450W/(m2·℃)，总传热系数K则受加剂浓度的影响，加剂浓度为200ppm时K为167.2W/(m2·℃)，加剂浓度为300ppm时K为129.2W/(m2·℃)，加剂浓度为400ppm时K为121.3W/(m2·℃)。由传热学公式计算得到，加剂浓度为200ppm时液相对流换热系数的值hi-DR为280.4W/(m2·℃)，加剂浓度为300ppm时液相对流换热系数的值hi-DR为187.8W/(m2·℃)，加剂浓度为400ppm时液相对流换热系数的值hi-DR为171.7W/(m2·℃)。
(5)计算减阻保温效果：以内管对流换热系数的相对变化率HTR作为减阻保温率，表示减阻保温效果，计算式为：
其中hi-0表示加剂浓度为0ppm时的内管对流换热系数，hi-DR表示加剂浓度大于0ppm时的内管对流换热系数。
(6)确定减阻保温剂的使用浓度：绘制内管对流换热系数的相对变化率HTR与多个加剂浓度的关系曲线见图2。依据该曲线，加剂浓度为300ppm时的减阻保温率比200ppm时的减阻保温率增大约10％，与400ppm时减阻保温率则接近，可选取300ppm加剂浓度作为减阻保温剂的使用浓度。
(7)进行减阻保温：将所选定的减阻保温剂以300ppm浓度添加到液相流速为1.05m/s的油气管道中，实现减阻保温，在不同气速时，由热平衡法测定的保温效果见图3。由图3可以知，气体流速在1.6m/s～5.0m/s范围内，对于不同的气体流速，减阻保温率都高达约80％，这表明使用减阻保温剂后，油气管道内的流体与管壁间的对流换热系数降低了约80％，具有明显的保温效果。
Claims (1)
1.一种油气管道减阻保温方法，其特征在于，包括下述步骤：
(1)采用一个套管式换热装置，分内管与套管，内管的钢材型号与油气管道的钢材型号相同，内管中的流体为油气管道中的液相，作为高温放热侧，流速与实际管道中的液相流速相同，流动状态为湍流；套管中的流体为冷却液，流动状态保持为层流，套管外绝热；对于固定的套管几何结构，当其中冷却液的流动为充分发展的层流时，其对流换热系数为一固定值，由于管道钢材的导热系数也为定值，总传热系数K根据传热学热平衡法获得，由传热学公式
可计算出内管中的流体与内管内壁间的对流换热系数hi，式中：λ为管道钢材的导热系数，ho为套管中的冷却液与内管的外壁之间的对流换热系数，do为内管的外径，di为内管的内径；
(2)加剂浓度为0ppm时的液相对流换热系数测定：按照步骤(1)的公式计算液相中不加减阻保温剂时内管中的流体与内管的内壁之间的对流换热系数hi的值为hi-0；
(3)选用减阻保温剂：针对油气管道中的液相，选用可溶于其中的聚合物减阻剂作为减阻保温剂；
(4)测定多个加剂浓度下的对流换热系数：将减阻保温剂以多个不同的浓度加入到管道中，对每个加剂浓度，都按步骤(1)，测定内管中的流体与内管内壁之间的对流换热系数hi的值为hi-DR；
(5)计算减阻保温效果：以内管对流换热系数的相对变化率HTR作为基本参数，表示减阻保温效果，计算式为：其中hi-0表示加剂浓度为0ppm时的内管中的流体与内管的内壁之间的对流换热系数，hi-DR表示每个加剂浓度下的内管流体与内管内壁之间对流换热系数的值；
(6)确定减阻保温剂的使用浓度：绘制内管对流换热系数的相对变化率HTR与多个加剂浓度的关系曲线，在该曲线上选取一个加剂浓度作为减阻保温剂的使用浓度；
(7)进行减阻保温：将所选定的减阻保温剂以使用浓度添加到油气管道的液相之中，实现减阻保温。
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