某海底输油管道保温层经济厚度计算

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1、1.前言埋地输油管道是油田的主要设施之一，对埋地集输管道进行保温，可减少管道散热损失，有利于安全输送。目前国外采用的管道保温结构基本形式为，钢管—防腐层—保温层—防水保护层。保温层与保护层之间用粘结剂连接，这样不但构成了管道的“三防体系”，而且使钢管的防腐层、保温层、保护层牢固地合为一体，大大提高了管道的防腐保温效果。在世界范围内，采用环氧树脂防腐层+聚氨酯泡沫保温层+聚乙烯夹克防水层的保温结构形式，已成为埋地集输管道保温技术的发展趋势[1]。热油管道保温后，由于热阻增大，管道热损失减小，使得油流沿程

2、温降减小，但却增加了保温材料及保温层施工等费用的一次性投资，因此，保温结构各层材料确定后，关键就是确定保温层厚度，使得年总工作费用最低。以年总工作费用为优化目标，建立了海底输油管道保温层厚度优化设计数学模型。通过一个算例，进行了海底输油管道保温层厚度优化设计，并根据优化结果计算了管道沿程温度分布。2.数学模型的建立和参数取用分析2.1数学模型的建立管道保温的主要目的是减少热媒在输送过程中的热损失、节约燃料及保证介质的出口温度。保温效果的关键是保温材料的选择及保温层厚度的计算。保温层太薄，则热损失严重，

3、反之则保温工程投资太大。因此，根据系统对保温结构的要求，合理确定保温层厚度是节约能源、保证生产的关键。保温层厚度计算一般有以下几种方法：1经济保温层厚度法；2.最大允许热损失法；3.最大允许温降法；4.控制管道表面温度法等。根据不同的要求和目的，选用不同的计算方法。为了减少保温层的散热损失，提高保温层的经济性，在保温工程中，一般都采用经济厚度[2~5]来计算保温层厚度。热油管道保温投资的总费用应包括保温层费用、必要的辅助材料（防腐层、防水层、保护层和防潮层）费用及施工费用。保温层厚度计算以年耗费用最小

4、为原则，即用于保温结构总投资的年折算额和管道年热损失费用总和为最小，并考虑投资的偿还年限，优化设计的目标函数及约束条件如下。minCSMMMM（1）BFSR0s.t.（2）TT3ZN式中：C——保温工程年总费用，元/年；S——保温工程投资年分摊率，%；M——保温层费用，元；BM——辅助材料费用，元；FM——施工费用，元；SM——年散热损失费用，元/年；R——保温层厚度，m；T——管道终点油温，℃；ZT——管道内输送原油的凝点，℃。N2.2各项参数的取用分析2.2.1保温工程

5、投资年分摊率S保温工程投资年分摊率是指保温投资费用在其投资回收年限内，每年平均回收费用占整个投资的百分比。分以下三种情况进行计算。1.工程项目由国家财政拨款投产后企业向国家上缴利润时，其年分摊率计算公式为：1SP（3）n式中：P——保温工程的年折旧率与维修费率，%；n——投资偿还年限，年。2.工程项目采用贷款，投产后企业按单利偿还2(n1)iS（4）2n式中：i——年利率，%。3.工程项目采用贷款，投产后企业按复利偿还ni(1i)S（5）n(1i)1根据最新统计资料，上述第三种贷款方

6、式目前在国内最为普遍。M2.2.2保温层费用B22MBdbdA1L（6）04式中：d——管道保温层外径，m；bd——管道外径，m；.0A——保温层材料造价，元/m3；1L——管道长度，m。M2.2.3辅助材料费用FMdAL（7）Fb2式中：A——辅助材料造价，元/m2。2M2.2.4施工费用S施工费用按照保温工程总投资进行折算：M(MM)（8）SBF式中：－施工费系数，%。M2.2.5年散热损失费用R6M3.610qBtL（9）R式中：q——单位管长散热损失，W/m；

7、t——年运行小时数，h；B——热价，元/109J。q2.2.6单位管长散热损失qKD(TT)（10）pj0式中：K——管道总传热系数，W/(m2·℃)；D——计算直径，m，对于无保温管，取钢管外直径；对于保温管，可取保温层内外直径的平均值；T——管内油品温度，按规范取运行期间运行温度加权平均值，℃，pj12TTT；pjRZ33T——管道起点温度，℃；RT——环境温度，一般取管道中心埋深处的自然土壤温度，℃。02.2.7管道总传热系数K对于海底保温的热油管道，其散热的传递过程由三部分组成，即油

8、流至管壁的放热、钢管壁以及保温层的热传导，和管外壁至周围海泥的传热（包括海底土壤的导热和土壤对海水的放热）。在稳定传热的状态下存在式（11）[6]：111d01db1lnln（11）KDd2d2dd1b02b式中：d——钢管内径，m；d——钢管外径，m；0d——保温层外径，m；b——钢管的导热系数，W/(m·℃)；——保温层的导热系数，W/(m·℃)；b——油流至管内壁的放热系数，W/(m2·℃)；1——保温层外壁至土壤的放热系数