论述站内埋地原油管线保温及电伴热系统设计

论述站内埋地原油管线保温及电伴热系统设计

陈铭翰

吉林油田储运销售公司 138000

摘要：电伴热系统是一种对原油管线保温、防冻极为有效的一种办法，一直被广泛使用埋地原油管线的电伴热系统的设计是通过伴热媒介的热量散发，直接或者间接性地交换补充，减少对管道的损害以确保具有良好的保温效果。本文针对工程实施的实际情况出发，简要分析原油管线内埋时保温的具体操作。

关键词：原油管线；保温；电伴热系统；设计

当空气的湿度高于地表湿度时，地下管线要采取保温措施才能确保其正常工作。埋地管线就需要电伴热系统来维持其温度，对电伴热系统的设计及施工方法也提出了新的要求。保温被公认为目前第五大能源，提高保温技术水平是节能的最佳办法。本文对埋地管线生产工艺及对其能量损耗有影响的因素进行了分析，并通过建立了埋地管道保温层优化设计数学模型等，并进行了比较分析，为埋地管道保温设计及改造起到指导性作用。

1. 电伴热系统的构成

电伴热系统是由电伴热带、配电箱、电缆附件、接线箱、监测及控制元件等组成^[1]。在安装的过程中，需要将其与原油管线保温层一起使用，能够达到有效防止热量散失的功能，这对安装伴热系统的管线又有了一定的要求，一定是配套管线保温的结构才可使用，达到保温目的。

2. 埋地管线保温生产工艺

埋地管道为实现保温效果一般会使用聚氨酯泡沫式保温管,在制造时会将管道的保温层与聚乙烯层一次成形,大大提高制造效果、大大减少原料浪费的状况^[2]。一步法的生产工艺流程中需要调节与钢管、机头、送进机等生产线设备的同轴程度和标高,并检查与挤出机、补偏救弊机的高低压程度,使生产设备能够达到平稳工作的状态,具体的生产工艺如图显示。

此外还可使用成型的管中管制造工艺,在完成保温工作之前,还需要先将生产的聚乙烯保护管甚至是玻璃保护管进行提前生产,然后再用质量较坚硬的生产聚氨酯泡沫塑料平整地布满四周,从而构成了一个环形空间。保证每一保温板材截面的空气剩余与气泡的体积加一起占全部截面积的比例不得大于5%,以及整个空洞的任意方位长度不应当大于同一方位。

对比两种生产工艺各有利弊，一步法工艺能够在生产效率上起到优势作用，但从保温从质量的效果来看，管中管工艺更胜一筹，且其缺点是在环形空间均匀填充这个环节的难度非常大，所以工程中能够采用一步法工艺的尽量采用这种方法，视具体情况而定，如果在大孔径管线及条件允许条件下可适当采用管中管工艺。

3. 影响埋地管线能量损失因素

埋地石油管道在送油的过程中,产生了摩阻和散热能力两方面的能源损失。而能源的损耗也包括了二个主要组成部分,第一个部分就是由加热设备所提供的热量,并由此来增加介质输送温度,从而减少因其粘度生成的能源,而第二部分就是由泵所提供压力克服摩阻损失而形成的能耗。目前,由于大庆油田中正在运用的管线会出现工作时延长、设备老化等因素,使管线输送能量逐渐呈现减少的态势,并且受上游油田生产环境影响,管线运输能耗也随着波动。因此为了防止这种问题的出现,在增加输送量的同时降低成本,就要进行埋地管线的保温优化措施。

4. 埋地管线保温优化设计

以著名的大庆油田一条埋地管线为例，对其进行保温层厚度优化设计使其能够安全生产，同时又能起到节能的作用^[3]。保温层厚度优化设计的数学模型建立如下：

式中 N-----保温工程年投资分摊率，按照国家投资上缴利润计算N=1/n

n-----投资偿还年限，a

MB---保温层费用

M f----辅助材料费用

Ms-----施工费用

MD----运用动力费用

MR----运动热力费用

&------保温层厚度

P z-----管道终点压力

P n-----管道终点预留压力

T z------管道终点原油

T n------管道内输送原油的凝点

数学模型中主要参数的计算模式如下：

式中：D-----埋地管道外径，m;

12. -----埋地管道走总长,m;

B1----保温材料价格，元/立方米

B2----辅助材料造价，元/平方米

β -----施工费系数；

a 1-----电价，元（kW.h）;

∆P----管道总压降，Pa;

Q v----管内流体的体积流量，

η ----泵机组效率

a 2----热量价格，元/J

G m---原油质量流量，kg/h;

3. ----原油比热容，J/(kg.℃);

T r----管道起点油品温度，℃；

T z----管道终点油品温度，℃；

T 0----取管道中心埋深处地温，℃；

11. -----管道至周围介质的总传热系数，W/(㎡.℃)；

d ----埋地管道内径,m;

16. ----原油密度，kg/立方米

v -----原油运动粘度，㎡/s

上方为埋地管道保温层厚度优化前和优化后的对比图

^[4]。利用编制的优化设计软件得出以大庆油田为代表的最佳厚度应为58mm，在确保输油终点温度高于凝点3℃的基础上，管道起点温度应为43℃，总传热系数为0.56W/(㎡.℃)。

保温效果的关键是保温性能结构的合理确定和保温板材厚度的合理计算,按照目前中国国内埋地钢管保温发展趋势,将埋地输油管道的保温性能结构确定后,再合理确定保温板材厚度就可以节约能源,及确保安全生产的关键。利用优化计量实例即可证明,比保温的年折旧费用、年热力用费、年动力费用,分别占了比年综合工作费的34.6%、37.0%、28.5%时为最优。

5. 电伴热带敷设方式

埋地电伴热带在安装时应充分考虑如下三个方面的原因:第一,地下保温板材必须具备良好的保温效果;第二,地下保温板材的外保护层也必须有良好的保温效果;第三,电伴热带的接线箱应该在地上放置。如果想要同时实现内保温层的保温效果与外保护层的防水效果,就必须在聚氨酯泡沫产品厂家内提前预约和订购,并且管线距离要限制在十二米左右,这样就能够在现场提高管道之间的电伴热带的可实施性能。

此设计借鉴了长线电热伴带的敷设方式^[5]。将保温管线外部预留电伴热穿管的空间，采用管中管的保温层方法，在钢管外增加一小根电伴热穿线管，采用镀了锌的铁丝固定，然后在外保护管与钢管之间填满质地较硬的聚氨酯泡沫，现场具体施工过程中，将穿线管与预留在保温层内的电伴热带对齐，电伴热带顺着预留管穿管敷设，在出入土两端安装首端和尾端接线盒。具体操作见下图所示。

6. 电伴热带根数的确定

计算管线的热补偿量和管道散热量的计算如下：

（一）维持温度下，管道所需热补偿量Ｑ为：

其中：Ｋ为散热损失系数，取１.１５；λ为隔热材料的导热系数，Ｗ／（ｍ．℃）；Ｔｗ 为维持温度，℃；Ｔ为最低环境温度，℃；Ｄ２为隔热层外径，ｍ；Ｄ１为隔热层内径，ｍ；计算得到本工程不同管径管道所需的热补偿量见表一。

表一：不同管径所需热补偿量统计表

（二）计算管道散热量的计算公式为：

Ｑ＝ＣπＤ２Ｔｗ１

式中：Ｃ为管线至周围的总的传热系数^[6]。其他字母所代表的含义同上方。根据此公式计算得出管道的散热量详细见表二。

表二：不同管径管道散热量计算表

对比以上两种公式的计算分析出,根据该工程中选择第一种公式的结果选择发热量为50W/m规格的电伴热带进行设计,再按照管线所计算的热补偿量确定在DN400的管线中设置为一条电伴热带,在DN500和DN600的管线中设定为二条电伴热带。

结束语：

本文简要分析了电伴热系统的构成、埋地管线保温优化设计数学模型的建立以及埋地管线保温两种生产工艺，并且详细介绍了埋地管线电伴热系统的敷设方法及电伴热带确定根数的方法，按照此方法进行设计的埋地管线的电伴热系统在实际运行工作时能够达到良好效果，同时也为保温事业贡献自己的力量。

参考文献：

［1］ 王树国．电伴热在川气东送普光天然气净化厂液硫系统中的应用［Ｊ］．石 化电气，２０１０，２９（２２）４２～４３．

［2］徐 志 杰．电伴热埋地天然气管道的热力计算［Ｊ］．油气储运，２０１9，３２（５）：４９６～４９８．

［3］丁泉允，王秋萍．大口径管道防腐保温“一 步法”工艺研究［Ｊ］．腐蚀研究，２０１9，３１（７）：６８～７１．

［4］王海琴：埋地热油管道变厚度保温层的设计，油气储运，2020,41(1).

［5］陈丰民. 采油五厂埋地集输管道保温技术研究[D]. 大庆石油学院, 2020.

［6］何国建. 埋地集输管道防腐保温技术研究[J]. 卷宗, 2019.