【正文】 —燃料油熱值，kJ/kg。Pe——泵機組效率；?R——加熱爐效率；H——管段間管路所需壓頭，m 液柱；——管段間距離，km。lT ——加熱站原油加熱的外輸溫度，℃；RT ——下游站原油的溫度，℃；Zcy——原油比熱容， J/（kg℃） 。對某具體管道，當流量 Q、地溫 、總傳熱系數 K 及運行的加熱站數和泵站數0T一定時，隨著加熱溫度 的提高，熱損失增大，燃料費用 增加。但由于站間平均R RS油溫的升高，摩阻減小，動力費用 下降。 和 隨加熱站出站油溫 的變化關PSP RT系如圖 32 所示。因此，作為二者之和的能耗費用 S 就有可能有最低點 存在，minS與 相應的加熱油溫即為該流量下的經濟加熱溫度 ，此時管道所需要的壓頭為minS *RjT。*dRjH然而，電能與熱能的品質是不相同的，其價格差異也很大，故本論文選用單位能耗作為目標函數。所謂單位能耗，是指輸送每噸原油每公里所需消耗的能量。（1）動力單位能耗 Sp 按式（ 34）計算：圖 31 出站溫度與能耗費用 S 的關系西安石油大學本科畢業(yè)設計（論文）24Sp= （3RGlgH4）式中：S ——單位動力能耗， kJ/(tkm)；pG——管道輸率，kg/s；H——管段間管路所需壓頭，m 液柱；g——重力加速度，m/ ；2s——管段間距離，km。Rl（2）熱力單位能耗 Sr 按式（35）計算： （3RZrGlTcS）??(5）式中：S ——單位熱力能耗，kJ/(t km)；rT ——加熱站原油加熱的外輸溫度，℃；RT ——下游站原油的溫度，℃；Zc——原油比熱容， J/（kg℃） ；其余符號同前。因此，熱油管道輸送能耗的數學模型為： = SP + SR (36)minS 為總的單位能耗，它包括動力單位能耗和熱力單位能耗。單位：kJ/(tkm) 。 熱油管線參數優(yōu)化數學模型的求解對輸油管線的優(yōu)化運行方案的研究，就是降低輸油能耗，以能耗費用最低作為輸油管道優(yōu)化運行的最優(yōu)準則，以動力能耗和熱力能耗的總和作為衡量指標，通過優(yōu)化運行參數，使整個系統(tǒng)最經濟最可靠。為了簡化分析，本研究確定輸送過程為穩(wěn)態(tài)過程；不考慮輸送剩余能量的再利用。 熱油管道沿程溫降計算因為管線內摩阻損失的大小取決于原油的粘度，而粘度的大小則取決于輸送溫度的高低。提高輸油溫度，使原油在較高溫度下輸送，散熱損失將增大，但摩阻損失則可減少。故對于某一輸送任務，存在著能量最小消耗的最優(yōu)輸送條件，這也就是熱油輸送管道工藝計算所要確定的目標。為此，首先要確定熱油管道沿程的溫度分布。 油流在加熱站加熱到一定的溫度后進入熱油管道。油流在沿管道流動的過程中西安石油大學本科畢業(yè)設計（論文）25不斷向周圍散熱，使其溫度下降。散熱量和原油溫度的沿程分布受到諸如輸油量、加熱溫度、環(huán)境條件、管道散熱條件等許多因素的影響。嚴格地講，這些因素是隨時間變化的，故熱油管道經常處于熱力不穩(wěn)定狀態(tài)。但在實際工程中，將正常運行工況近似為熱力、水力穩(wěn)定狀態(tài)，在此前提下進行軸向溫降的計算。 設管道周圍介質的溫度為 T0，dl 微元管段上的油溫為 T，管道的質量輸油量為G，管段的水力坡降為 i。流經 dl 段后散熱油流產生的溫降為 dT。在穩(wěn)定工況下，dl 微元管段上的能量平衡式為： (37)gGidlcdlDK???)(0?上式中左邊為 dl 管段單位時間內向周圍介質的散熱量，右邊的第一項為管內油流溫降 dT 的散熱量；右邊第二項為 dl 段上油流摩阻損失轉化的熱量。由于 dl 與dT 的方向相反，故取負號。 假定在 dl 管段內總傳熱系數 K 為常數，且忽略水力坡降沿 dl 的變化，對上式分離變量積分，得到沿程溫度分布公式，即列賓宗公式：記 ， ；則有：GcDKa??cagib? (38)??LRTL bddl00 (39)aL??0ln或 (310))exp(0bTLR圖 32 熱油管道溫降曲線西安石油大學本科畢業(yè)設計（論文）26上式中，G——原油的質量流量，kg/s； c——輸油平均溫度下原油的比熱容， J/(kg℃)； D——管道外徑，m； L——管道加熱輸送的長度，m； K——管道的總傳熱系數，W/（m 2℃） ； TR——管道起點油溫，℃； TL——距起點為 L 處的油溫，℃； T0——周圍介質溫度，埋地管道則為管中心埋深處的自然地溫， ℃； i——油流的水力坡降，m/m； g——重力加速度，m/s 2。 若油流出加熱站的溫度 TR 為定值，則管道內原油沿程的溫度分布可表示為： (311)aLL ebb????)()(00在推導上式時，假定水力坡降 i 為定值。實際上，水力坡降要由管道的摩阻計算得出，在進行溫度分布計算時，它還未精確給出。在本研究里我們采用迭代算法確定。從溫度分布的算式可以看出，兩加熱站間的溫度梯度在各處是不同的。在加熱站的出口處，油流與環(huán)境溫度的溫差大，溫降快；而在進入下一加熱站前，由于油溫低，溫降慢。故加熱溫度愈高，散熱愈多，溫降就愈快。因此，試圖靠提高加熱站出口的油溫來提高管段末端的油溫，往往收效不大。常常是首端溫度提高 10℃，而末端的油溫僅提高 2～3℃。 熱油管道的摩阻計算長輸管道的摩阻損失包括兩部分，一是油流通過直管段所產生的摩阻損失，簡稱沿程摩阻；二是油流通過各種閥件、管件所產生的摩阻損失，簡稱局部摩阻。長輸管道站間管路的摩阻損失主要是沿程摩阻，局部摩阻只占 1%～3%。 熱油管道的摩阻計算不同與等溫輸送管道的特點在于 [1]：（1）熱油管道單位長度上的摩阻（即水力坡降）不是定值，因為熱油在沿管線流動過程中，溫度不斷降低，粘度不斷增大，水力坡降也就不斷增大。故熱油管道的水力坡降線不是直線，而是一條斜率不斷增大的曲線。因此，計算熱油管道的摩阻時，必須考慮管道沿線的溫降情況及油品的粘溫特性。既必須先作熱力計算，確定沿線的溫度變化及粘度變化，在此基礎上作摩阻計算。（2）熱油管道的摩阻損失應按一個加熱站間距來計算，如一個加熱站間距的摩阻損失為 hRi，全線共有 n 個加熱站，則全線的摩阻損失 h 為各加熱站間摩阻的總和，即：h= 。??niiRi1西安石油大學本科畢業(yè)設計（論文）27這是應為在加熱站進出口處油溫發(fā)生突變，粘度也發(fā)生了突變。因此只是在一個加熱站的距離內，粘度才是連續(xù)變化的。可用粘度隨距離變化的理論公式，或分段取粘度的平均值的方法來計算一個加熱站間的摩阻。熱油管道摩阻計算有兩種方法：一種是按平均油溫的粘度作計算粘度，按此粘度作計算摩阻；第二種是根據粘溫關系式，計入粘度隨溫度的變化。在本論文中我們考慮平均油溫計算法：這種方法是按管道起點的平均溫度下的油流粘度，用等溫輸送的方法計算一個管段的摩阻。具體步驟為：（1）計算管段間油流的平均溫度 ；pjT平均油溫可按下式確定：TPJi= Ti+ Ti+1 （313212）（2）根據粘溫曲線，用 Origin50 軟件擬和出粘溫關系式（數據擬合見附錄 1） ，計算出溫度為 時的油流粘度 ；pj pj?（3）由列賓宗公式計算一個管段間的摩阻 ：Rh當兩加熱站間進站溫度 Tz 高于原油反常溫度 Tn 時，兩加熱站間管段僅存在牛頓流；當原油進站溫度低于反常溫度時，兩加熱站間管段不僅存在牛頓流還存在非牛頓流。慶咸管線的參數設計以西二聯為首站，實際情況是一站到底，對終點站的最低進站溫度要求高于凝點 3～5℃，不超過 20℃。為了簡化計算，本文設計時按牛頓流計算。根據列賓宗的微元公式 （3dlQdhmpj??52??13）得出該流態(tài)下微元段內的水力損失為L （3?hmpjD?512??14）其中 m28A= 4g???雷諾數 Re 計算的表達式為西安石油大學本科畢業(yè)設計（論文）28??dQV4Re? (315)第一雷諾數 Re1 (316))/(?第二雷諾數 Re2 (317)/lg6??式中 d—管道內徑，m； Q—體積流量， ；s/3V—平均流速， ，m/s；24dQV??h—水頭損失，m 液柱；e—管面平均絕對粗糙度，m；?—管面相對粗糙度 = 。?de/2各流態(tài)區(qū) A、 、 m 是隨流態(tài)變化而變化的，它們的值與各流態(tài)區(qū)沿程摩阻的?計算式如表 31 所示。表 31 不同流態(tài)時 A、m、 值?流態(tài) A m h，m 液柱層流(Re≤2022)64 1 264ReLVdg??水力光滑區(qū)(2022ReRe1) ?混合摩擦區(qū)(Re1ReRe2).? .?水力粗糙區(qū)（ReRe 2）?0 ?Qh526.?注：其中， )(?由于熱油管道內油流的溫度是沿程不斷下降的，故油流的粘度不斷增大，其水力坡降也是不斷增大的。因此，在計算熱油管道的摩阻時，必須考慮管道沿線的溫降情況和油品的粘溫特性。在本研究里，針對慶咸管線的管輸實際情況，我們采用分段耦合計算熱油管道的溫度和壓力分布。在本研究中，我們采用平均油溫的計算法計算油流的壓力沿程分布。其計算步西安石油大學本科畢業(yè)設計（論文）29驟為：a．將首末站間的熱油管道根據所提供的高程相關數據分劃成需要小的分段，記下每個計算點的管道里程和管道中心的高程；b．由管道的總傳熱系數 K、原油的比熱容和假定的管段內的水力坡降，從起輸點開始，按式（35）逐段計算該段的終點溫度 T2；c．按式（317）計算該段原油的平均溫度：d．依據實測的原油粘溫曲線，由 Origin50 軟件擬合出粘溫關系式（附錄 A） ；e．由粘溫關系計算平均溫度下的粘度，計算該段油流的雷諾數，并判別流態(tài)；f．根據流態(tài)計算該段的沿程水力摩阻損失和水力坡降；水力坡降按下式計算： （3iLhi/?18）g．比較計算的水力坡降和原假定的水力坡降的差別是否精度要求，若不滿足，則返回（b） ，重新計算；h．若計算的水力坡降和原假定的水力坡降的差別在給定的誤差范圍內，則由伯努利方程求的該管段末端的壓力 P2；伯努利方程： （3gupZgupZ2211?????19）式中： ZZ 2—管線高程；uu 2—流體流速。i．將計算得到的末端溫度和壓力作為下一段的起點溫度和壓力，重復上述計算，直到末站為止。 熱油管道單位能耗計算在原油加熱輸送過程中，每年都要消耗大量的費用，其中能量消耗費用相對比較穩(wěn)定，且它們是構成運行費用的主要部分。尋求最優(yōu)運行參數，將能耗費用降到最小，無疑具有重要的現實意義。電能與熱能的品質是不相同的，其價格差異也很大，故本論文選用單位能耗作為目標函數。在 節(jié)中，已經給出了熱油管道輸送能耗的數學模型 = SP + SR （3min6）根據這個數學模型，以及前面給出的動力能耗和熱力能耗的計算公式，計算管線系統(tǒng)的單位能耗，作為優(yōu)化出站溫度和壓力的一個評價標準。西安石油大學本科畢業(yè)設計（論文）30 合理運行參數的確定確定原油的合理輸送壓力和合理輸送溫度，對保證原油輸送的安全和高效率是十分有用的。在熱油管道的優(yōu)化運行中，合理輸送壓力和合理輸送溫度的確定，既要考慮到低能耗、高效率，又要保證管道的安全運行。因此，最終確定合理的輸送溫度和壓力，要考慮很多方面的因素。在不對原油加熱輸送的季節(jié)，針對具體的輸油量和環(huán)境溫度，控制待輸送流體的起點壓力，就可以控制住對流體的能量輸入。為避免管道內出現負壓，在本研究的計算里，是控制管線全線的最小壓力不小于零。這樣控制的好處是整條管線內的流體壓力無負壓，流體的輕質組分不會汽化，可減少輸送的輸差。但這樣做，會使起點的壓力大于出現負壓的起點輸送壓力，有一定的輸送能量富余。在對原油加熱輸送的季節(jié)，針對具體的輸油量和環(huán)境溫度，為使不至于對流體過度