埋地输油管道的热力计算.pdf

第19卷 第1期 西 南 石 油 学 院 学 报 w 19 No 1 ， 要在埋地热油管道中，当其精进工况变化后，管内油品．玻土壤中的热力平衡奇遭到破坏，油 温厦土壤温度许重新分布。因而，研兜这一非稳定热力过程就必须对非稳定温度埒进行分析。 传热问题进行了分析，得出土壤温度岛的计算套式。同时研究了埋地熟油管道的停甘理论计算 主题词 苎苎置垂；垫鎏至孽；垫盎盐荽；苎兰苎兰 弓 婀 一 。。。 r E -／ 引言 f／ ／ ’ 埋地热油管道的传热与其周围土壤温度场密切相关。因此，合理地确定在各种情况下 土壤温度场的计算方法，对埋地热油管道的建设和管理意义重大。目前，工程实际中用于计 算土壤温度场的解析式大多是在简化条件下得到的，如由线热源法、当量环法所得到的解析 式 。由于假设条件与实际情况往往不符，所以计算结果误差较大。笔者根据半无穷大 土壤不稳定传热模型，推导出了土壤温度场变化的解析解。并进一步介绍了在热油管道停 输过程中的具体应用。 1 土壤温度场的分析 1．1 土壤温度场的数学模型 建立如图1所示的坐标系，忽略土壤沿管轴z方向的传热，则土壤的传热由下面定解问 题确定。 f c磬+势 j一 一 们 一T‘) 。 (L — ) fL =。当；二三和 =。 lL I 0= T (z， ) l996—07—16收藕 (I) 0≤ ≤ 0?一RⅣ 0?+RN≤ ∞ 维普资讯 西南石油学院学报 1997正 式中：T为管内介质温度；TJ、 为土壤任意时刻和韧始时刻温度分布；口 ，为土壤 热扩散率和导热系数； 、 为大气温度和土壤表面向大气的放热系数；RN为管道外半径； 0?为管道中心线至土壤表面的深度； 为管内介质向土壤的当量放热系数，它与管内介质 至管内壁的对流放热系数 al和管道上的N层绝缘层有关，即 击+ I-t 皂 ㈤ 式中： 、R 为各绝缘层的导热系数和外半径。 1．2 土壤温度场计算 在问题(I)中，土壤温度场 T．是由自然条件和管道温度引 起的复合温度场，将它分解成 T|和 TT两部分。其中T|为自然 条件引起的温度场【1 r，而L 为管道引起的附加温度场。在应 用下面保角变换(如图2)后，可按定解问题(1I)描述。 ? ? ? x ￡ Y 式 中 y-2嗍 + c] (3) 叭 黼 面 c一- v 2 2 ； 0=ln Eho／RN i ] 『鲁～c )2(哿+争 哥 (T— 一 ) 协等 。～L 盟 )Iy一 虹 ) 0 (二 X (4) 圈2 xy平面和 平面保角映射对应关系图 问题(1I)中，1 和Tl却( ．y)分别为自然条件下管道埋深处土壤温度和自然条件下初 始时刻土壤温度分布函数。由于在边界7= 和7=一 上无热量交换，因此，与 方向相比 可忽略7方向的传热，对给定的 ，温度取平均值。同时，在(Ⅱ)中热扩散率记为 口，并按下 式确定。 )= f [ ) 一口]2drd 一 (5) 维普资讯 第 l期 李长俊：埋地翰油管道的热力计算 81 f鲁=n哿 (Ⅲ)J哥 -(卜 — ) (6) l哥 。 zL 【 I ：0=L ( )一 ( ) 式中 ； 由定解问题(11)容易得到： = (T— )+蓦{ (一 ) +以 r(T—T‘h)l。：御[一 (f—r)】dr nJ。 卜 t= 一 — A (T—T‘h) ： }K ( ， ) 式中 =j (L— )c ， 句 A =bt( +6i)( 一bt62)一 cos(mr／o) c 一(M )+ ] c z警 n一 ctg(r／o )= 的可刊根。 由(7)式可进一步获得管道与周围土壤问的平均热流密度 q ． = 警 篝 6162 一 c b1(1+r／ob2)+b2 T— )+ { (一 (7) +以 『 (T— )lI：脚 [一n 一r)]dr-A~J 0 (T— ) } I ’ 。 々 2 停输时油品的温降计算 当热油管道停输后，管内存油粘度随油温的下降而升高 而油温下降到一定值以后，会 给管道再启动带来很大的困难，有时甚至会出现凝管事故。因此，为了确定安全停输时问， 必须进行油品的温降计算。管内存油散热平衡方程为 5‰ =一2 0g (9) 式中 Q、 为油品的热容和密度；T为油品的温度；q为油品向管道外的散热密度。． 设管道停输时初始条件为(T—Th)l 。0=f(z)，将(8)式代入(9)式化简，并实现拉普拉斯变 换 L(T—Th )=个后，方程(9)为 维普资讯 西南石油学院学报 1997 一 一 f(z 亍一砉 ) ； 式中 。= 5 2=2 ， 一 ，黑 )=2 )=2 咝 (10)式可以化为下列形式 亍= 式中