电伴热原油集输管道保温层厚度优化分析

于淳光，魏紫暄

(1.中油工程项目管理公司天津设计院,天津 300457; 2.天津麦克企业管理服务有限公司,天津 300457;3.中国石油大港油田分公司,天津 300457)

随着工业生产水平的快速增长和人们生活水平的不断提升，石油已经成为我国一种不可或缺的重要能源，但在能源消费迅猛增长的21世纪，我国的石油管道输送过程中所消耗的能量约占总能耗的1%～3%，能耗费用相当庞大。所以采取科学的方法提高能源的综合利用率、对热油管道的设计和运行进行全面优化已成为我国经济发展需要研究的重要课题。

一般油田输油管道铺设的主要措施是埋地铺设，为了减小埋地管道的散热损失，保证管道的安全输送，需要对油田埋地管道进行保温设计[1]。其中保温层的保温效果与保温层厚度有直接关系。如果保温层设计的太薄，会造成散热损失严重的问题，而保温层设计的过厚，会导致保温层部分投资过大。因此，保温层厚度的优化是输油管道系统设计内容的关键之一[2]。在电伴热管道运行过程中，通常通过加热器，电伴热带等设备来满足原油输送的边界条件以及补充输送过程中沿程的散热损失[3]。而保温层厚度的优选可以实现降低管线沿程热量损失，同时节约电热装置所消耗的电力资源的目的，因此，确定保温层经济厚度对实现管道系统节能降耗起到关键的作用[4]。

对管道保温层的性价比应与价值工程中“价值”的含义相类似，本质是一致的[5]。本文基于此理论，以大庆某集输系统进行计算分析，确定生产运行时不同管径条件下最优保温层厚度，为管道系统的节能改造提供了科学、有效的方法和依据。[6]

1 管网基本参数

以大庆某厂为例进行模型建立，该厂采用一级布站的电加热集输流程，加热流程为点升温、线保温方式。该流程是在每口油井井场或每座丛式井平台井场设置电加热器，将油井气液混合物由井口出油温度加热升至可集输温度，井与井之间由电加热管道串联，将气液混合物保温输至联合站，电加热器及电热保温管道均由温控系统全程控制。其流程结构示意图见图1[6]。该厂区共有采油井25口，其中W9，W10已停止作业，各其管网分布情况见图2。

图1 电加热集输流程图

图2 管网结构图

由于A区域干线选用异径管工艺，因此其可分为A-G1-G4，A-G4-G5，A-G5-ZHAN，其中A代表A区域，Gn代表油井接入干线的第n个节点位置，其管道G1-G4为φ60管道，G4-G5为DN89，G5-ZHAN为φ140。B、C区域干线管径为89 mm，三区域各支线均为60 mm，其具体管长参数见表1。

表1 各管道具体参数

各井产液，产水，掺水等集体参数见表2。

表2 管网优化结果

2 最优保温层厚度分析模型

由于流程为点升温、线保温加热模式[7]，因此井口电加热器和管线沿程电伴热带均会消耗电能已保证管道安全运行，井口电加热器耗电计算方法如下[8]：

(1)井口电热器耗电

计算时取电加热器效率为80%，井口电加热器给油流所提供热量见公式(1)

Q1=cm(t1-t2)

(1)

式中c——流体比热容/kJ·(kg·℃)-1；

m——流体质量/kJ·s-1；

t1——管道进口温度/℃

t2——井口出油温度/℃

其中，t2可根据下式计算[9]：

(2)

以及

(3)

式中G——产液量/t·d-1；

W——含水率/[%]；

A,B,C,D——经验常数。

其经验常数可按表3取值。

表3 经验常数取值表

(2)电伴热带耗电量

电保温管线维温所补充热量见公式(4)

Q2=kπD(tcp-t0)

(4)

式中k——管道至周围的总传热系数/

kJ·m-2·h-1·℃-1；

D——管道外径/m；

L——管道长度/m；

tcp——原油平均温度/℃；

t0——周围土壤温度/℃

其中总传热系数k受管内、管周围的介质和环境条件等多种因素的影响[9]，可采用理论计算与参考类似管道实测数据相结合的方法来确定[10]，在进行油田集输管道设计的热力计算时采用这种方法是切实可行的。k值的理论表达式[11]

(5)

式中a1——管内介质至管壁的放热系数，亦称为内部放热系数/W·(m2·℃)-1;

d、D——管道的内/m、外径/m;

di、D——管道的绝缘层或保温层的内/m、外径/m;

λi——管道绝缘层或保温层的导热系数/W·(m2·℃)-1;

α2——保温层外壁至周围介质的放热系数，亦称为外部放热系数/W·(m2·℃)-1。

(3)评价指标

价值工程中“价值”的定义为

(6)

式中V——价值系数;

F——功能系数;

C——成本或费用系数。

对管道保温层的性价比应与价值工程中“价值”的含义相类似，本质是一致的[12]。因此，将性价比定义为[13]

(7)

式中Qi——保温层所能降低的电量;

C——保温层基础建设投资。

3 保温层厚度优选

3.1 井口热负荷计算结果

其混合流体比热容计算结果见表4。

表4 比热容计算结果表

其管线进口温度为40 ℃，根据其产液量及井口出油温度计算见图3其井口热负荷结果见图4。

图3 各井口出油温度计算结果

图4 井口电加热器热负荷

(2)电伴热带热负荷计算结果

保温层取工程常用厚度进行比较，其使用30 mm、40 mm、50 mm厚保温层时温降结果见表5。

根据计算结果可知，40 mm，50 mm保温层保温较好，无保温层时A区干线温降接近10 ℃，根据式4、式5可得电保温管线热负荷结果见表6。

表5 保温层温降模拟结果

表6 热负荷计算结果表

根据表6结果可知，由于A区干线管径较大，管线较长，其保温负荷可达14.5 kW，若纯用电供热或用加热炉升温介质后运输耗能较大，经济性差[14]。

(3)保温层厚度优选

在得到以上结果前提下，保温层优选根据以下流程进行：

①根据无保温层，保温层厚度30 mm、40 mm、50 mm共4种条件下时热负荷比较计算得到不同厚度保温层节约热负荷；

②根据公式计算不同保温层价格；

③计算得出保温层寿命期限内总节约热负荷；

④计算不同厚度保温层性价比，进行保温层厚度优选。

根据公式1～6，可计算结果见表7，表8，表9。

表7 30 mm保温层计算结果

表8 40 mm保温层计算结果

表9 50 mm保温层计算结果

根据结果可得保温层厚度与评价指标关系图5。

图5 性价比计算结果

根据计算结果可得，φ60，φ89选用30 mm保温层性价比最高，φ140选用40 mm保温层性价比最高。这是由于管道散热量随管径增大而增大，需要保温能力更强的保温层弥补其逐渐增大的沿程损失。

4 结论

(1)大庆该厂区采用“点升温、线保温”集油模式，即通过井口电加热器进行升温，管线设置电伴热带进行维温。经计算各井口产出液混合流体比热容计算结果见表4，根据该集输系统运行边界条件可知，井口电加热器运行所需功率见图3、图4，平均电功率在25 kW左右。

(2)集油干线电热带功率随保温层厚度变化有所不同，在不设置保温层时，3条干线沿程温降为9.5 ℃，3.1 ℃，7.4 ℃，分别设置30 mm、40 mm、50 mm厚保温层，其温降分布情况见表6，可见设置保温层后沿程温降均有明显下降。

(3)经过引入性价比思维，计算得到表7～9及图4，可见对φ60，φ89，φ140设置三种不同厚度保温层比较可得当管径达到φ140时，由于其较大的管径带来较大的散热损失，40 mm厚度保温层性价比较高，φ60，φ89管径应选用30 mm厚保温层。