寻找最佳的管道保温层厚度

2017年 8月 28日

在寒冷的环境中长距离运输石油产品和天然气需要使用管道。正因为如此,石油混合物经管道运输后可能需要预热,才能开始炼油过程。然而,当石油被泵送通过管道时,流体本身会在流动中产生热量。为了降低成本,保持管道内的热量,可以通过模型和模拟来优化管道保温效果。

管道隔热的重要性

管道是在陆地和海上运输石油、天然气和水等流体的一种经济的方法,尽管它们的建造成本很高。这些管道系统通常由被埋在地下或在海底运行的钢或塑料管组成,泵站分布在整个系统中,以保持流体的流动。

当石油混合物被泵送通过管道时,由于内部摩擦力的作用,会产生热量。这种热量源自泵提供的能量。如果管道在寒冷的环境中运行,热量会迅速消散。如果管道没有被隔热,混合物的温度会达到与环境相同的温度。在较低的温度下,石油会变得更加黏稠,这会增加泵的能源消耗。除此之外,冷的石油混合物需要预热才能在炼油厂使用。预热过程会消耗能源,需要投资来建造和维护。

一张管道的照片。
管道被用于将流体运输到世界各地。

很显然,我们可以通过将泵提供的能量保持在管道内,对管道进行保温,来避免石油温度的降低。诀窍是将管道保温层做得足够好,但又不能太厚,这样就能减少隔热的成本,从而获得投资回报。如果石油混合物的温度能被保持在足够高的水平,预热过程的成本就可以消除,泵的能源消耗也可以大大减少。降低这些成本必然会促进对保温层的投资。

使用 COMSOL Multiphysics® 软件可以对管道中的流体流动和传热过程进行准确建模和模拟。使用这些模型,可以设计一个尽可能便宜的保温层,但仍能有效地将油产品维持在所需温度。

使用 COMSOL Multiphysics® 设计和优化管道的保温层

管段绝热教程模型包含一个 150 km 的管道段,入口温度为 25°C。进入管道的石油以 2500 m3/h 的速度流动。为了建立和求解描述流体在管道内运输的能量和流动方程,我们使用了非等温管道流 接口。

这个特殊的案例涉及分析管壁和保温层,如下图所示。图中,深灰色和浅灰色层代表两层管壁,而浅蓝色代表管壁内外的膜阻。请注意,在这个例子中,管壁的厚度为 2 cm。

一个用于找到管道理想保温层的 COMSOL 绘图
管道横截面示意图,其中 hint和hext 是管内和管外的膜阻传热系数,kins 和 kwall 分别是保温层和管壁的热导率。

第一项研究,我们计算了两种不同情况下沿管道线的温度:一种是假设完全保温,另一种是管道没有保温。下图显示,流体中摩擦力产生的热量使其温度在 150 km 内增加了约 3°C。当管道没有添加保温层时,出口温度与周围环境的温度相似。

示意图显示了保温管道的横截面
当管道上有完全保温层(绿色)和没有保温层(蓝色)时,流体温度的比较图。

在了解了流体流动和传热过程后,我们可以进行优化计算,以确定在整个管道内保持油温恒定所需的最小保温层厚度。这个特定的优化研究结果表明,最小保温层厚度约为 8.9 cm。我们还可以对管道末端可接受的最低油温水平进行类似的优化研究,这有可能会进一步降低保温层厚度(和成本)。

使用仿真设计改善管道的保温性能

根据计算出的保温层的最小厚度,我们可以估算出投资成本,并决定这些成本是否是出于减少的泵送和预热成本。我们可以潜在地减少泵送过程中的能源消耗,并消除预热的能源消耗,使该过程更加高效和环保。


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