兰州石化职业技术学院 油库工艺与设备 第四章油品加热与热力管道计算

主要内容 第一节油品加热与保温的目的及方法 第二节油品加热温度的确定 第三节油罐管式加热器的设计 第四节铁路油罐车的加热计算 第五节输油管路的伴随加热 第六节蒸汽管路的计算 第七节油罐及管路的保温 2

降粘,提高流动性，降低摩阻，加快装卸速度；促进原油破乳； 脱水沉降杂质，加速调和，滑油净化再生； 燃料油预热等。 2.油罐及管线保温的目的： 第一节油品加热和保温的目的及方法 1.油品加热的目的： 降粘,提高流动性，降低摩阻，加快装卸速度；促进原油破乳； 脱水沉降杂质，加速调和，滑油净化再生； 燃料油预热等。 2.油罐及管线保温的目的： 经济目的：减小热损失，降低能耗。 生产目的：方便操作，减少事故发生。 3

油罐（车）加热方法 油管线加热方法 加热方法 蒸汽直接加热法 蒸汽间接加热法 热水垫层加热法 热油循环加热法 电加热法（电阻加热、感应加热、红外加热等） 油管线加热方法 蒸汽伴随加热法（内伴随、外伴随） 电加热法（直接加热、间接加热、感应加热） 4

第二节油品加热温度的确定 加热起始温度tys （即冷却过程的终了温度） 加热终了温度tyz （即冷却过程的起始温度） 5

根据能量平衡可推导出加热起始温度： 油品冷却放出的热量 =油罐向周围介质的散热量 dQ1=-Gcdt dQ2=K∑Fi(t-tj）dτ dQ1=dQ2 -Gcdt= K∑Fi(t-tj）dτ 进行积分 6

加热起始温度的确定 式中： tys：油品加热起始温度， tyz：油品加热终了温度 tj：油罐周围介质温度 K：从油品到油罐周围介质的总传热系数 ∑Fi：油罐总散热面积 τ：冷却时间 G：油罐内油品总质量 c：油品比热容 7

周围介质温度 地上固定顶油罐 式中： ttu：最冷月地表平均温度； 地上卧罐 tqi：最冷月油罐周围大气的平均温度； 埋地油罐 tj=年最冷月土壤平均温度 式中： ttu：最冷月地表平均温度； tqi：最冷月油罐周围大气的平均温度； φ：油罐的高度和直径的比值 8

假设条件： 在冷却过程中，油温处处均匀一致； 在整个冷却过程中，油品中无蜡析出； 在整个冷却过程中，油罐的总传热系数为常数； 在整个冷却过程中，油品的比热容为常数。 9

加热终了温度的确定 根据下列因素确定加热终了温度： 油品性质 作业性质 地区及气温 节约能源 安全因素 如果为了输转，加热终温一般可高于凝固点 10～15℃； 为了防止突沸冒罐，含有水分的油罐其加热终温不应超过 95℃。 11

一、油罐管式加热器的种类 §4.3油罐加热器的结构和计算 按布置形式分 全面加热器：均匀布置在罐内距罐底不高的整个水平位置。应用于短时间内要从油罐中发出大量油品。 局部加热器：布置在罐内收发油管附近，应用于粘度不高（50℃时，粘度小于 ），但不含冷至凝固点温度以下的油品，一次收发油量不多的油品。

§4.3油罐加热器的结构和计算 按结构形式分 分段式加热器： 蛇管式加热器： （1）由¢15～50mm无缝钢管焊接而成，每段管长度小于500mm，以并联、串联组成一组，组数偶数，对称布置，在收发油管的两侧，每组有独立的进出口。 （2）安装有一定的坡度 h=iL0+h0 i---坡度，大罐取1/150 ～1/75，小罐取1/75 ～1/50。 L0—分段管组长度 h0—冷水管出口高度，h0=01 ～0.2m 优点：分段管组长度不大，摩阻较小，因此可在较低的蒸汽压力下工作，可降低入口管的高度，减少加热死角。 蛇管式加热器： 用15～50mm无缝钢管焊接而成，为了安装和维修方便，设置少量法兰连接，使用导向卡箍，支架具有不同高度，使蛇管沿着蒸汽流动方向保持一定坡度，需压力高。

局部加热器 某些为了保证物料输送而需较高储存温度的油罐，由于其经常性的热能损耗较大，因此 运行费用也大大提高；若采用降低油品储存温度的方法，可大大减少能耗。 为了保证物料的 正常输送，可在输送前进入局部加热器(或集中加热)加热升温，使其升至要求的输送温度。 局部加热器(集中加热)应布置在罐内出口管管口附近。 局部加热器形式

第三节油罐管式加热器的设计 二、全面加热器的加热面积的计算 式中： F：加热器加热面积，m2； Q：单位时间内加热器向油品提供的热量，W； K0：蒸汽通过加热器对油品的总传热系数，； t1：蒸汽在加热器进口处的温度，℃； t2：蒸汽在加热器出口处的温度，℃； ty：加热过程中罐内油品的平均温度，℃。 16

关于t1和t2 §4.3油罐加热器的结构和计算 加热器入口是饱和蒸汽，出口是饱和水，又忽略加热管中的压降，则有：t2= t1 加热器进口为饱和蒸汽，出口为过冷水，则加热器的加热面积为： 式中： 为过冷系数

§4.3油罐加热器的结构和计算 罐内油品平均温度 时 时

蒸汽通过加热器对油品的总传热系数K0的计算 §4.3油罐加热器的结构和计算 蒸汽通过加热器对油品的总传热系数K0的计算 圆筒壁传热

§4.3油罐加热器的结构和计算 内部放热系数a1按紊流状态下强制运动放热公式计算： 努谢尔特准则 普朗特准则。反应流体的物理性质 雷诺准则。反应粘滞性流体的流态 蒸汽导热系数。可从水蒸气物理参数表查取

若考虑相变 在进行粗略计算时，k0=0.6a2

§4.3油罐加热器的结构和计算

§4.3油罐加热器的结构和计算 油品的定性温度取油品平均温度ty和加热器管子外壁温度的算术平均值，管子外壁温度可先假设。

§4.3油罐加热器的结构和计算

§4.3油罐加热器的结构和计算 式中：d15—油品15℃的相对密度； t—油品定性温度，℃。 内部放热时为内径，外部放热时为外径。 定性温度取决于对流换热过程中流体的运动形式，受迫运动的对流换热，定性温度取流体的温度，自然对流换热，定性温度取流体和换热壁面的平均值。 比热容c值可从表4-9查得或按下式计算（kJ/kg. ℃） 式中：d15—油品15℃的相对密度； t—油品定性温度，℃。

单位时间内加热器向油品提供的热量Q的计算 §4.3油罐加热器的结构和计算 单位时间内加热器向油品提供的热量Q的计算 加热器向油品提供的总热量Q包括： 油品升温所需的热量 融化蜡结晶所需的热量 通过油罐散失于周围介质中的热量 总热量 式中： æ：蜡的溶解潜热 K：油品至油罐周围介质的 总传热系数 τ：油品加热时间 26

§4.3油罐加热器的结构和计算 K的计算 其中 为油罐的装满系数 27

§4.3油罐加热器的结构和计算

§4.3油罐加热器的结构和计算 油品内部放热系数 罐壁至周围介质的外部放热系数

§4.3油罐加热器的结构和计算 罐壁至周围介质的辐射放热系数

§4.3油罐加热器的结构和计算

§4.3油罐加热器的结构和计算 §4.3油罐加热器的结构和计算

§4.3油罐加热器的结构和计算

§4.3油罐加热器的结构和计算

§4.3油罐加热器的结构和计算

§4.3油罐加热器的结构和计算 计算加热器步骤

第四章 油品加热与热力管道计算

第四章 油品加热与热力管道计算

§4.3 油罐加热器的结构和计算

§4.3 油罐加热器的结构和计算

第四章 油品加热与热力管道计算 §4.3油罐加热器的结构和计算

第四章 油品加热与热力管道计算 §4.3油罐加热器的结构和计算

§4.3油罐加热器的结构和计算

四、蛇管式加热器分段长度的计算 加热器总长 蛇管式加热器分段长度 式中： D：加热器管外径，m； C=0.00005m-1； P1：加热器进口蒸汽压力，Pa； P2：加热器出口蒸汽和冷凝水压力，Pa； tZ：饱和蒸汽温度，℃； λH：汽水混合物的摩阻系数。 45

分段式加热器计算 它是由几根平行管组成分段，蒸汽的压降较小，一般不易出现冷凝水过冷。 分段的长度，可参照上述蛇管每节长度的计算方法，但此时几根平行管中蒸汽的质量流量总和才是分段的蒸汽质量流量G，分段的总管长等于各平行管长度之和。 以上介绍的是根据水力和热力计算来确定不发生冷凝水过冷情况下的加热器每节的最大管长和加热器的分节数，但实际上加热器究竟分成几节，还应考虑到方便加热作业的需要。

三、蒸汽耗量的计算 式中： GZ：加热器蒸汽耗量，kg/s； Q：加热所需总热量，W； iZ：加热器进口处干饱和蒸汽的热焓值，J/kg； iN：加热器出口处饱和冷凝水的热焓值，J/kg； 47

第四节 铁路油罐车的加热计算 采用带蒸汽加热套的罐车（G12型和G17型）输送原油和其它高粘度油品。 蒸汽加热套在油罐车的下半部，把Pg≤0.3MPa的蒸汽通入蒸汽套，不需要等罐车中的全部油品升温到卸车温度就可以卸车。 具有卸车速度快、罐车中留存的残油少等优点。 缺点：热效率不够高，有许多热量经蒸汽套外壁散失于大气中。 蒸汽加热套设计计算内容 确定加热时间 确定蒸汽耗量 49

Q1为油品升温及溶解蜡结晶所需要的热量,J； Q3为单位时间内蒸汽通过加热套传递给油品的热量，W; 50

油罐车加热时间 加热一辆油罐车所需要的蒸汽量 51

第五节输油管路的伴随加热 内、外伴随的含义 伴随管管径和根数的确定 热力计算：蒸汽温度的确定 伴随管路敷设的要求 52

§4.5输油管路的外伴随加热 对于油库中流量较小或间歇输油而不放空的粘油和易凝油管路，为防止油品在管路中凝结或在输油过程中过于增大粘度，常采用蒸汽管线外伴随加热。 外伴随加热做法：蒸汽管与输油管用保温材料包扎在一起。 特点：施工方便、使用可靠、便于检修；热效低。 要点：水平敷设的输油管，蒸汽伴随管设置在下部，伴热管流向与油品方向相反，垂直敷设时，伴热管由上而下流动，有利于排冷凝水。

第四章 油品加热与热力管道计算 §4.5输油管路的外伴随加热

第四章 油品加热与热力管道计算 §4.5输油管路的外伴随加热

第四章 油品加热与热力管道计算 §4.5输油管路的外伴随加热

§4.5输油管路的外伴随加热

第四章 油品加热与热力管道计算 §4.5输油管路的外伴随加热

§4.5输油管路的外伴随加热

§4.5输油管路的外伴随加热

第四章 油品加热与热力管道计算 §4.5输油管路的外伴随加热

第四章 油品加热与热力管道计算 §4.5输油管路的外伴随加热

§4.5输油管路的外伴随加热

§4.5输油管路的外伴随加热

§4.5输油管路的外伴随加热

§4.5输油管路的外伴随加热

§4.5输油管路的外伴随加热

§4.5输油管路的外伴随加热

第六节蒸汽管路的计算 蒸汽管路的水力计算 蒸汽管路的热力计算 疏水器的选择 70

一、蒸汽管路的水力计算 管径的确定 式中： d：蒸汽管内径，m； GZ：蒸汽的质量流量，kg/s； vZ：蒸汽的流速，m/s，pp.204表4-25 ρZ：蒸汽的密度，kg/m3； ρZ1：蒸汽管起点处蒸汽的密度，kg/m3； ρZ2：蒸汽管终点处蒸汽的密度，kg/m3； 71

管路压降计算 (Pa） (mmH2O） 式中：λ：水力摩阻系数（阻力平方区） 蒸汽管：e=0.2mm； 冷凝水管：e=0.5mm L计：蒸汽管路计算长度，m； GZ：蒸汽的质量流量 72

计算步骤 已知PZ1(或PZ2） 假设PZ2(或PZ1） 计算 计算d 计算ΔP 计算出PZ2(或PZ1） 结束 假设与计算结果不符 73

二、蒸汽管路的热力计算 蒸汽管路的热损失Q=1.25qL 式中： q：单位管长上的热损失， tZ：蒸汽的平均温度， tj：蒸汽管路周围介质温度， 对于地上管路，tj=最冷月大气平均温度 对于埋地管路及管沟敷设的管路，tj=最冷月土壤平均温度 ∑R：蒸汽到管路周围介质的总热阻 L：蒸汽管路总长 1.25：考虑了支架、法兰、阀门等处的附加热损失。 74

蒸汽管路中的冷凝水量 式中： 为汽化潜热，J/kg 75

三、疏水器（阀）的选择 疏水器的作用 排水阻汽，提高蒸汽干度。 疏水器的类型 机械型：利用蒸汽和冷凝水的密度差 恒温型：利用蒸汽和冷凝水的温度差 热动力型：利用蒸汽和冷凝水的热动力 学特性的差异 76

机械型也称浮子型 原理：利用凝结水与蒸汽的密度差，通过凝结水液位变化，使浮子升降带动阀瓣开启或关闭，达到阻汽排水目的。 特点：机械型疏水阀的过冷度小，不受工作压力和温度变化的影响，有水即排，加热设备里不存水，能使加热设备达到最佳换热效率。最大背压率为80%，工作质量高，是生产工艺加热设备最理想的疏水阀。 形式：自由浮球式、自由半浮球式、杠杆浮球式、倒吊桶式等

热静力型疏水阀 原理：利用蒸汽和凝结水的温差引起感温元件的变形或膨胀带动阀芯启闭阀门。 特点：过冷度比较大，一般过冷度为15度到40度，它能利用凝结水中的一部分显热，阀前始终存有高温凝结水，无蒸汽泄漏，节能效果显著。 适用于：在蒸汽管道，伴热管线、小型加热设备，采暖设备，温度要求不高的小型加热设备上，最理想的疏水阀。 热静力型疏水阀有膜盒式、波纹管式、双金属片式等。

热动力型疏水阀 原理：相变原理，靠蒸汽和凝结水通过时的流速和体积变化的不同的热力学原理，使阀片上下产生不同压差，驱动阀片开关阀门。 特点：因热动力式疏水阀的工作动力来源于蒸汽，所以蒸汽浪费比较大。结构简单、体积小、耐水击、最大背为50%，有噪音，阀片工作频繁，使用寿命短。 热动力型疏水阀有热动力式（圆盘式）、脉冲式、孔板式

疏水器工作流程 80

疏水器选择依据： P1：疏水器进口压力 工作压差：ΔP=P1-P2 P2：疏水器出口压力 设计排水量： Gsh：疏水器的设计排水量； 即：蒸汽管路中的冷凝水 量； K：排量倍率； 连续操作时，K取2~3； 间歇操作时，K取3~4。 h：冷凝水管摩阻； ΔZ：回水箱液面到疏水器出口间的位差； P3：回水箱液面上的压力。 81

疏水器选择依据： §4.6蒸汽管路的计算 P1：疏水器进口压力 P2：疏水器出口压力 工作压差：ΔP=P1-P2 设计排水量： h：冷凝水管摩阻； ΔZ：回水箱液面到疏水器出口间的位差； P3：回水箱液面上的压力。 Gsh：疏水器的设计排水量； G：计算求得的疏水器排量； 即：蒸汽管路中的冷凝水量； K：排量倍率； 连续操作时，K取2~3； 间歇操作时，K取3~4。

疏水器的选择 查样本，满足在工作压差ΔP下，G样本≥Gsh 疏水器的工作压力小于等于疏水器允许最大承压 选择疏水器时，注意不同类型疏水器的适用条件 83

qb：保温管路单位管长上的热损失，W/m q：在同样外界条件下，不保温管路单位管长上的热损失 第七节油罐及管路的保温 保温管路的热损失率a 式中: qb：保温管路单位管长上的热损失，W/m q：在同样外界条件下，不保温管路单位管长上的热损失 84

§4.8 油罐和管路保温 一 什么情况下油罐和管线保温？ 1在生产中，凡设备和管线内介质的温度要求维持恒定时，保温。 2 为减少热能损失，介质温度>120℃，且热能需要利用者，保温。 3为减少冷冻量损失，在冷冻量利用过程中，保冷。 4在输送易凝介质的管线，为防止介质温度降到凝固点以下而冻结者应予保温，并考虑介质的凝固点高低，考虑是否伴热。 5为了防止管线内输送的含水液化气因压力下降而产生的自冷结冻现象堵塞管线应予保温。 6为减少介质由于日晒和外界温度升高而蒸发予保温。 7 为避免操作人员发生烫伤事故，当设备或管线温度高于90℃，应予保温。 8 为改善操作条件，降低室温，室内的高温设备和管线应保温。

§4.8 油罐和管路保温 二 对保温材料的要求 1 导热系数小，绝热性能好，在常温下λ<0.1kal/m.h℃ 2密度小，机械性能（强度）高。 3物理化学性能稳定，不会因长期使用发生化学变化而腐蚀管线和设备。 4应有较好的防湿防水性能，因为保温材料是靠内部空隙中的空气来达到保温的目的。若因为含水，其导热系数猛增。水的导热系数是空气的24倍。 5价格低、施工方便，使用时间长，易于就地取材。

§4.8 油罐和管路保温 式中： ——有保温层，单位管长的热损失， ； ——无保温层，单位管长的热损失， 。 三管路保温层厚度对减少热损失的作用分析 1地面保温管线 同样条件下保温管路与不保温管路热损失的比值 可按下式计算 式中： ——有保温层，单位管长的热损失， ； ——无保温层，单位管长的热损失， 。

§4.8 油罐和管路保温

§4.8 油罐和管路保温

§4.8 油罐和管路保温 单位管长的保温层体积为: 图4—12 P215 保温层体积与 关系分析可知： （1） 值较小时， 值急剧增加， 在0.2~0.5范围内适宜； （2）当 较大或D较小时，取较大的值比较经济； （3）保温材料贵或不耐用，则希望 减小、 增大

第四章 油品加热与热力管道计算 §4.8 油罐和管路保温 2.地下保温管 对于地下不保温管路 对于地下保温管路

第四章 油品加热与热力管道计算 §4.8 油罐和管路保温

第四章 油品加热与热力管道计算 §4.8 油罐和管路保温 代入上式 整理得：

第四章 油品加热与热力管道计算 图4—13分析得： §4.8 油罐和管路保温 图4—13分析得： （1）当δ值较大时δ =0.7~.09，即z值变化很大，Db/D却变化很小，相反，当δ值较小时，如δ =0.1~0.3时，z的微小变化都将引起Db/D较大变化。因此选取过小的值往往造成保温层显著增厚，一般取δ ≧0.5。 （2）从保温管路的工作情况进行分析，土壤的导热系数可随季节变化很大。保温材料的导热系数也随工作条件而变化。当、变化时，若选用较大的δ值，对Db/D影响不大，反之若选用较小的δ值，λtu、λb变化， Db/D变化大，使等式发生破坏。保温管路的工作状态不稳定，可能使油凝结。 若取δ =0.5，则

第四章 油品加热与热力管道计算 §4.8 油罐和管路保温 对于薄壁管：

第四章 油品加热与热力管道计算 §4.8 油罐和管路保温

第四章 油品加热与热力管道计算 四 根据最优经济条件决定保温层厚度 §4.8 油罐和管路保温 四 根据最优经济条件决定保温层厚度 在确定保温层厚度时，应综合考虑保温层投资费用和每年管路的热能消耗费用，使总费用最小，以地面管路为例说明这种保温层厚度计算方法。

第四章 油品加热与热力管道计算 §4.8 油罐和管路保温

第四章 油品加热与热力管道计算 §4.8 油罐和管路保温

第四章 油品加热与热力管道计算 §4.8 油罐和管路保温

第四章 油品加热与热力管道计算 §4.8 油罐和管路保温 令

第四章 油品加热与热力管道计算 §4.8 油罐和管路保温 整理得

地上保温管路 1）保温管路的热损失率a应控制在0.2~0.5之间 2）保温管路管径D较小时，应取较大的a值 3）在选择保温材料时，λb越小越好 地下保温管路 一般对于地下保温管路取 （在设计时取0.5或0.6都可以） 103

GOTONEXTCHAPTER 104

蒸汽直接加热法 蒸汽 105

蒸汽间接加热法 蒸汽 106

热水垫层加热法 蒸汽 107

热油循环加热法 108

内伴随： 109

外伴随： 110

112

115

116

117

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