基于sps模拟管道沿线温度并提出解决冰堵的建议

丁程

摘要：由于新疆地区冬季气温较低，乌鲁木齐机场油库的航煤管道在进行发油作业时，时常出现冰晶堵塞粗滤、过滤器现象，通过sps软件仿真模拟油库发油管道的沿线温度变化，并计算每米管道的热量损失，，提出利用换热器或电伴热带对管道内航煤进行温度调节，解决冰晶堵塞过滤器从而延误航班的重大隐患。

1关于sps软件

Stoner Pipeline Simulator（SPS）软件是长输管道运行模拟仿真软件，利用数学模型对长输管道的水力、热力工况和流体性质以及过程控制系统进行描述，通过数值计算方法求解数学模型，从而获得管道运行过程中的工况动态变化规律。为管道设计与运行管理提供依据，目前已在国内众多天然气管道和成品油管道进行应用。

2模型的建立

2.1航煤数据

20摄氏度，0.101MPA下的密度、黏度及饱和蒸气压确定参数如下：密度：800 kg/m3 ;黏度：2.0mm2 /s;饱和蒸气压：0.007MPA。油源温度设为零下7摄氏度。

2.2管道数据

设计压力：1.6MPA;管线直径：DN270;壁厚：10mm; 管壁粗糙度：0.054mm。其中pipe_1是油罐至泵房的地上架空管道，全长270米，pipe_2和pipe_3分别是泵房内发油泵的前、后部管道。将泵房简化模拟为pipe_2和pipe_3管道的外保温层。

2.3输油泵数据

转速：2980 r/min;功率：160kW;最佳效率点下的转速： 2980 r/min;最佳效率点下的功率：160kW;最佳效率点下的压头：211.5 m;最佳效率点下的流量：210。

3无换热器下沿线油品温度

从图1中看出在无管壳式换热器时，地上管道pipe_1长度只有270米且发油作业时管内航煤被迅速抽走，没有足够时间与外界空气进行热交换，因此地上管道内油温始终维持在零下7摄氏度。管道pipe_2同样因为长度只有20米且没有时间进行热交换，虽然泵房内温度为零上5摄氏度，但并不能改变油温。唯一能让航煤温度提升的设备是离心泵，它通过对航煤做功将油温提升至零下6摄氏度左右，此温度仍会使航煤内的游离水结成冰晶，严重时堵塞粗滤和过滤分离器进而使离心泵不能运转造成航班延误。

4增加换热器

利用sps软件中的shell heat exchanger管段模拟壳式换热器，将管程流体与壳程流体之间的总传热系数平均值设为1000，总换热面积设2000000平方厘米，并设立管壳式换热器的其他相关参数后在进行管道油温的模拟。可以看出管壳式换热器的作用明显，能使油品温度高于0摄氏度。发油泵前的油温在有管壳式换热器时温度接近0攝氏度，而无管壳式换热器时温度为零下6.99摄氏度。由此可以看出增加管壳式换热器理论上能提高航煤温度减少冰晶的产生

5 电伴热带的分类及特点

5.1电伴热带分类

电伴热带作为电伴热系统的核心，根据其结构和原理的不同，可分为恒功率电伴热带和自限温电伴热带，前者又包括串联式电伴热带、并联式电伴热带2种类型。

5.2电伴热带特性比较

从表1电伴热带特性比较可以看出，并联式恒功率电伴热带和自限温式电伴热带均不适宜长管段伴热，均具有并联带的局部电阻丝损坏不易发现、寿命相对较短的缺点，而且自限温式电伴热带控温精度低且须定制;串联式恒功率电伴热带则适合于长管线，控温精确，故障率低，且故障点易发现、易查找，与并联带和自限温带比较具有相对优势[9]，因此业务油库发油管线可选用串联式恒功率电伴热带进行保温。

5.3电伴热参数计算及选型

5.3.1基础数据

电伴热带的保温材料选择岩棉管壳，乌鲁木齐机场业务油库基础参数如表2所示

6.3.2管道热损失计算

管线单层绝热结构热损失计算公式如下

q-表示每米管道的热损失量，-需要管道内航煤维持的温度，;-环境温度，;应取冬季最低平均气温;-绝热层外表面的温度，;-管道的外径，m;-管道加绝热保温层后的外径，m;-绝热保温层的导热系数;岩棉管壳一般取0.043;-年平均风俗，m/s;-绝热材料外表面材料的黑度。镀锌钢板取0.27。

将发油管道的实际数据代入上述公式，可得到业务油库发油管线每米热损失量为52.287为安全起见取安全系数为1.2，将安全系数乘以算出的每米热损失量，得DN450的管道热损失为62.7444

6.3.3电伴热带功率及长度确定

根据管道热损失及介质维持温度选择相应的串联式恒功率伴热带，伴热带的最高维持温度必须高于介质温度。管道单位长度热损失小于或等于电伴热带额定功率时，电伴热带长度等于管道长度乘1.2的未预见系数。管道单位长度热损失大于电伴热带额定功率时（即比值大于1时），用以下方法来修正：①当比值大于1.5时，采用两条或更多的平行电伴热带敷设，电伴热带长度为管道长度×根数②当比值在1.1～1.5时，可采用卷绕法，电伴热带长度一管道长度×比值。③增加保温材料的厚度或选用导热系数较低的绝热材料。④根据各个管道附件所需增加的伴热带长度之和，再加上被伴热管道的电热带长度，其总和即为整个系统所需电热带的总长度

7 结束语

7.1通过spss软件仿真模拟了业务油库输油管线在冬季的温度曲线变化，通过spss软件特有的shell heat exchanger管段模拟壳式换热器，提出可以通过改变管线工艺增加壳式换热器来提高航煤温度减少冰晶产生，从而消除冰晶堵塞过滤器导致航班延误的重大安全隐患;

7.2管壳式换热器要改变现有管道工艺，且存在跑、冒、滴、漏的问题，现场管理难度大，控制精度不高，选择此种方案需慎重考虑;

7.3对业务油库发油管线的管道热损失进行计算，得出在零下20摄氏度天气下，想保持航煤温度为0摄氏度，每米管道的热损失量为62.7444

参考文献：

[1]. 李欣泽， TLNET和SPS在输油管道仿真中的应用. 管道技术与设备， 2014（1）： 第12-14页.

[2]. 胡鑫杰与许仁辞， 基于SPS的原油管道最大再启动压力增加值分析. 管道技术与设备， 2020（3）： 第11-16页.

中航油新疆航空油料有限公司  新疆   乌鲁木齐  834000