ỔN ĐỊNH NHIỆT TRONG ĐƯỜNG ỐNG DẨN DẦU–KHÍ
Trong quá trình thiết kế và vận hành các tuyến ống dẫn dầu_ khí, việc duy trì nhiệt cho dòng chất lưu chuyển động là một yêu cầu quan trọng hàng đầu và đó cũng là chức năng của hệ thống ổn định nhiệt. Yêu cầu này phải được tính toán ngay từ giai đoạn thiết kế và kéo dài trong suốt quá trình phát triển của nó, đảm bảo các chỉ tiêu về công nghiệp , thương mại và dân sinh...
Hội nghị khoa học và công nghệ lần thứ 9, Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM, 11/10/2005
ỔN ĐỊNH NHIỆT TRONG ĐƯỜNG ỐNG DẨN DẦU–KHÍ
HEAT STABILIZATION FOR OIL AND GAS PIPELINES
Trần Thị Mai Hương
Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí, Đại học Bách khoa TP. HCM, Việt Nam
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------
TÓM TẮT
Trong quá trình thiết kế và vận hành các tuyến ống dẫn dầu-khí, việc duy trì nhiệt cho dòng chất
lưu chuyển động là một yêu cầu quan trọng hàng đầu và đó cũng là chức năng của hệ thống ổn định
nhiệt. Yêu cầu này phải được tính toán ngay từ giai đoạn thiết kế và kéo dài trong suốt quá trình phát
triển của mỏ, đảm bảo các chỉ tiêu về công nghiệp, thương mại và dân sinh. Qua bài báo, tác giả muốn
mô tả cấu tạo của hệ thống ổn định nhiệt cũng như cơ chế truyền nhiệt trên các tuyến ống vận chuyển
dầu khí đã và đang được áp dụng trong ngành công nghiệp dầu khí.
ABSTRACT
In the process of designing and operating oil and gas pipelines, to meet the demands for
maintaining the temperature of the system is very important and that is the main function of the heat
stabilization. The requirements for this system must be taken into account right in the design stage and
satisfied industrial, commercial and social criteria during the development of the oil field together with
other. In this paper, the author describes the components of two popular heat stabilization models as
well as the mechanism of heat transfer along the thermally stabilized pipelines currently used in
petroleum industry in Vietnam.
1. MỞ ĐẦU riêng vấn đề thiết kế chúng ta chỉ quan tâm đến
Sự phát triển của công nghiệp dầu – khí, nhất bề dày, chiều dài tuyến ống vì nó liên quan đến
là công nghiệp khí đồng nghĩa với sự phát triển hai vấn đề lớn trên. Vấn đề đặt ra là: Nhiệt độ
của các hệ thống tuyến ống, đây là phương tiện dòng sản phẩm, các tác động môi trường ảnh
rẻ tiền và an toàn nhất. Hiện nay, trên thế giới đã hưởng trực tiếp hay gián tiếp như thế nào đến
có nhiều phương tiện vận chuyển thay thế nhưng chất lượng tuyến ống
tuyến ống vẫn giữ vị trí quan trọng nhất định. 2. CƠ CHẾ TRUYỀN NHIỆT VÀ CÁC YẾU
Tuy vậy, vẫn có nhiều vấn đề đặt ra cho hệ TỐ LÀM THAY ĐỔI NHIỆT ĐỘ TRONG
thống tuyến ống như các vấn đề chính trị, xã HỆ THỐNG ĐƯỜNG ỐNG NGẦM VÀ BỀ
hội, môi trường,… và công nghệ. Các tuyến ống MẶT
thường được lắp đặt ngầm dưới đáy biển hay trải
Dự đoán sự phân bố nhiệt độ trong hệ thống
dài trên diện rộng hay theo thời gian bị chồng
đường ống vận chuyển dầu khí cũng quan trọng
chéo lên nhau,…. tạo môi trường thoát nhiệt lớn,
như áp suất. Nhiệt độ hiđrat hoá khí, đặc tính
độ an toàn thấp,…
của pha hơi - lỏng và hàm lượng nước của khí là
Trong các đề tài nghiên cứu về tuyến ống các đại lượng nhạy cảm với nhiệt độ. Dự đoán
thường đi sâu về vấn đề công nghệ, an toàn, nhiệt độ là giai đoạn đầu tiên của quá trình tính
236
Hội nghị khoa học và công nghệ lần thứ 9, Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM, 11/10/2005
toán. Ti, Ts - Nhiệt độ đầu và cuối của tuyến ống
cần xét
Nhiệt được truyền theo 3 cơ chế: Sự dẫn
nhiệt, trao đổi nhiệt đối lưu và trao đổi nhiệt bức U - Hệ số truyền nhiệt tổng.
xạ thể hiện trên các tuyến ống dẫn dầu khí được
T
lắp đặt ngầm và trên mặt đất.
Sự dẫn nhiệt xuất hiện khi có sự tiếp xúc vật
Ti
lý. Nhiệt được truyền rất tốt qua hầu hết các kim
loại vì kim loại là chất dẫn nhiệt tốt. Một vật
A
liệu cách nhiệt tốt là một vật liệu dẫn nhiệt kém Ts
và ngược lại. Nhiệt độ ở các điểm khác nhau có Tg
thể dự đoán được nhờ ứng dụng cân bằng nhiệt B
năng. Nếu thế năng và động năng không đáng kể L
và công bằng 0, khi đó từ định luật cân bằng thứ Li Ls
nhất đối với hệ trạng thái ổn định được giản Hình 1: Sự phụ thuộc giữa chiều dài của đoạn
lược thành: ∆H = Q ống và nhiệt độ giữa các điểm
Đối với chất lỏng, entapy hầu như không phụ Nếu nhiệt độ của dòng cao hơn Tg thì lượng
thuộc vào áp suất. Do đó entapy ở một số điểm nhiệt truyền đi sẽ âm còn nếu nhỏ hơn Tg thì lưu
phụ thuộc cả vào áp suất tại các điểm này và lượng sẽ dương và đường cong sẽ gần với Tg từ
nhiệt năng mất đi hoặc thêm vào qua thành ống phía dưới. Đường A áp dụng khi ảnh hưởng của
dẫn. Từ định luật truyền nhiệt, có: áp suất lên entapy được bỏ qua. Đây là quá trình
Q = UA∆tm (1) truyền nhiệt đơn giản và nhiệt độ dòng dầu
không hạ xuống thấp hơn Tg. Đường B phản ánh
Entanpy của khí tăng khi giảm áp suất, có
sự thay đổi phụ thêm của nhiệt độ do ảnh hưởng
phương trình sau:
của áp suất lên entanpy. Trong thực tế, trong các
Q = (U) (π dL) (∆Tm) (2) hệ thống đường ống vận chuyển khí, đường này
hạ xuống thấp hơn Tg khoảng 2 – 3 0C đối với
Trong đó:
trường hợp giảm áp suất thuần túy. Nếu tuyến
Q - Lượng nhiệt mất đi trong đoạn ống dẫn ống không giữ được nhiệt của dòng sản phẩm có
dài L. thể tạo sụt áp dòng lớn gây tắc ống, bẹp ống dẫn
A - Hằng số (A = 0,372) đến nổ,… thiệt hại rất lớn.
L - Chiều dài đoạn ống Trao đổi nhiệt đối lưu, xảy ra khi có sự
chuyển động của không khí bên trên hoặc xung
L = Ls – Li quanh bề mặt của ống vận chuyển dầu khí. Hệ
Li, Ls - Là điểm đầu và điểm cuối đoạn số truyền nhiệt tổng (U) trong phương trình (1)
và (2) diễn tả tất cả các yếu tố làm thay đổi nhiệt
ống cần xét độ dòng sản phẩm, cơ chế truyền nhiệt này thể
∆Tm – Giá trị trung bình, hiện rõ qua hệ thống ống dẫn ngầm.
∆Tm = (∆Ti - ∆Ts)/ln(∆Ti/∆Ts) 1. Hệ số màng giữa dòng và thành ngoài ống
ngoài ống
∆Ti = Ti - Tg
2. Thành ngoài ống
∆Ts = Ts - Tg
3. Lớp phủ ống (ổn định nhiệt)
Tg - Nhiệt độ của đất hay nước tại điểm đó
237
Hội nghị khoa học và công nghệ lần thứ 9, Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM, 11/10/2005
4. Lớp bê tông hoặc mối nối - Nhiệt độ không khí (Ta)
5. Cát đắp - Tốc độ gió
6. Đất tự nhiên gần ống dẫn có nhiệt độ cao - Màu và tính chất của bề mặt ống
hơn nhiệt độ thường
- Vận tốc chảy và tính chất của dòng trong
Đối với các ống dẫn ngầm chôn dưới đất các ống dẫn
yếu tố 1, 2, 3, 5, 6 và các ống ngầm chôn dưới R
đáy biển có trở lực 1, 2, 3, 6 làm thay đổi nhiệt T= + Ta
π ha
độ dòng sản phẩm trong ống
Trở lực 6 cần được chỉnh sao cho việc tăng Trong đó:
nhiệt độ xung quanh ống dẫn cao hơn Tg. Theo T - Nhiệt độ cực đại của dòng, 0F
các nghiên cứu, nhiệt độ đất trong khoảng cách
Ta - Nhiệt độ không khí môi trường, 0F
5m từ thành ống dẫn ra cao hơn nhiệt độ đất.
Đây là yếu tố lớn làm giảm nhiệt độ dòng . R - Lượng bức xạ mặt trời, Btu.giờ/ft2
Hệ số (U) được tìn thấy qua thực nghiệm, các ha - hệ số màng của không khí cho quá trình
ống thu gom và ống dẫn không có lớp ổn định đối lưu, Btu /ft2.giờ. 0F
nhiệt cho thấy U = 5 ÷ 20 kJ/giờ.m3.K. Phần lớn
các giá trị xác định được thường thấp hơn giá trị
này 1/3. Nhiệt độ Tg không phải là giá trị cố
định, mà ở mức độ nào đó phụ thuộc vào nhiệt
độ không khí. Nhiệt độ cực đại của đất chậm
hơn nhiệt độ của không khí 1 hoặc 2 tháng.
Đường ống chôn trong nước ở độ sâu > 30m có
nhiệt độ gần như nhau, Một số đáy hồ có nhiệt
độ thay đổi không quá 3 0C trong một năm. Vì
Tg thay đổi nên giá trị (U) cũng thay đổi . Trong
mùa hè (U) có thể cao hơn mùa đông 50 ÷ 60%
Trao đổi nhiệt bức xạ trên tuyến ống được
mô tả với hiện tượng: Bạn cảm thấy ấm lên khi
đứng dưới mặt trời hoặc hoặc bên cạnh một lò
lửa. Cơ chế truyền nhiệt này thể hiện rõ ở ống
dẫn trên mặt đất. Hình 2: Tuyến ống vận chuyển khí đặt trên
mặt đất
Phương trình (1) và (2) không áp dụng cho
ống dẫn trên mặt đất do không có giá trị Tg. Dự
đoán nhiệt độ cực đại của dòng chảy trong ống Giá trị T thường không vượt giá trị trung
dẫn (T) là kết quả của việc nhận nhiệt ban ngày bình từ 10 ÷ 16 0F. Nhiệt độ thực thường thấp
từ mặt trời do bức xạ và mất nhiệt do đối lưu với hơn nhiệt độ trung bình trừ phi xét trên đoạn ống
không khí. Nhiệt độ phụ thuộc vào các yếu tố trần rất dài. Đặc tính của dòng chảy, vận tốc,
như: chiều dài ống, mùa trong năm, điều kiện địa
- Thời gian ban ngày lý,… đều ảnh hưởng đến giá trị T. Giá trị T luôn
thay đổi theo thời gian.
- Điều kiện khí quyển
238
Hội nghị khoa học và công nghệ lần thứ 9, Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM, 11/10/2005
3. HỆ THỐNG ỔN ĐỊNH NHIỆT: CẤU Ti, Ts - Nhiệt độ bên trong và bên ngoài ống
0
TẠO VÀ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ( F)
Sự thay đổi nhiệt độ trong ống dẫn dầu khí ri, r0 – Bán kính bề mặt trong ống và bề mặt
cho ta thấy cần phải có một chất gì đó (hóa học) lớp ổn định nhiệt (in)
làm giảm sự trao đổi nhiệt của dòng sản phẩm ra
*Nhiệt truyền qua ống có nhiều lớp vật liệu
bên ngoài. Tuy nhiên, điều đó sẽ làm giảm tính
ổn định nhiệt:
chất dòng và sản phẩm cuối phải mất thêm 1
khâu tinh chế lại. Để đơn giản, chúng ta làm cho Từ (3) ta có:
ống dày lên. Vấn đề ổn định nhiệt tuyến ống T1 − T2
thực chất có từ lâu trên thế giới, chúng được U= (4)
⎡ r3 ln r1 / ri r3 ln r3 / r2 ⎤ 1
quan tâm từ khâu thiết kế đến khâu vận hành. ⎢ K + ⎥+ f
Một vật liệu hoặc tổ hợp các vật liệu được dùng ⎣ 1 K3 ⎦
để cản trở dòng nhiệt được gọi là hệ thống ổn Trong đó:
định nhiệt. Mục đích là làm giảm vận tốc trao
đổi năng lượng qua ống dẫn. Hiện nay có hai r1, r2, r3 – Bán kính bề mặt ngoài của các lớp
dạng ổn định nhiệt 1 lớp và nhiều lớp (hình 4). ổn định nhiệt tính từ trong ra ngoài
Mỗi dạng phụ thuộc vào giới hạn cơ học của vật 1/f - Hệ số nhiệt trở bề mặt (nhiệt trở đối lưu)
liệu và tính kinh tế
Đa phần các vật liệu đồng nhất dẫn nhiệt tốt.
r3 Các lớp ổn Giá trị của nó không phụ thuộc vào diện tích, độ
r2 định nhiệt
dày, hình dạng,… của vật liệu. Các chất này có
Ống
ri r1 nhiệt trở bề mặt lớn hơn nhiệt trở tổng cộng và
r0 ngược lại. Còn sự truyền nhiệt lại phụ thuộc vào
hình dáng của vật ổn định nhiệt và đặc biệt bị
ri chi phối bởi độ dày của lớp ổn định nhiệt. Khi
(a) (b)
giá trị mật độ dòng nhiệt truyền từ bề mặt ra
Hình 3: Mặt cắt ngang của hệ thống ổn định không khí cao hơn thì nhiệt trở bề mặt thấp hơn
nhiệt 1 lớp (a) và nhiều lớp (b) và ngược lại. Khi nhiệt truyền qua một vật liệu
đặc ra môi trường ngoài sẽ tạo ra sự đổi pha
Cơ chế truyền nhiệt qua lớp ổn định nhiệt
giữa lớp khí tại bề mặt giao tiếp với lớp khí
được đánh giá bằng mối quan hệ hàm số giữa
quyển bên ngoài. Do đó lượng nhiệt truyền từ bề
nhiệt toả của lớp ổn định nhiệt theo độ dày,
mặt sẽ ít hơn nếu như nhiệt trở không có tại
nhiệt độ làm việc của bề mặt, các đặc tính bề
điểm này
mặt của lớp màng mỏng bao bên ngoài và các
điều kiện môi trường xung quanh. 4. CÁC DẠNG HỆ THỐNG ỔN ĐỊNH
NHIỆT ÁP DỤNG Ở VIỆT NAM
* Nhiệt truyền qua ống có 1 lớp vật liệu ổn
định nhiệt: * Ống một lớp vật liệu ồn định nhiệt
2πKL(Ti − Ts ) thường áp dụng trên các ống đơn giản như chân
U= (3) giàn khoan, các đường ống dẫn khí nhỏ,… phục
r
ln 0 vụ trên các giàn khoan hay trong nội bộ nhà
ri
máy. Ổn định nhiệt một lớp áp dụng nhiều trong
Trong đó: công tác bảo dưỡng ống định kỳ. Với những loại
K - Hệ số dẫn nhiệt (Btu.in/(h.ft2. 0F) ống này chủ yếu sử dụng các lớp sơn phủ. Do
các lớp sơn rất mỏng (micron) nên thực tế vẫn
L - Chiều dài ống (ft)
239
Hội nghị khoa học và công nghệ lần thứ 9, Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM, 11/10/2005
coi đây là ống ổn định nhiệt 1 lớp. Trước khi tương tự như vậy nhưng cần phải xem xét môi
tiến hành sơn phủ cần lưu ý: trường đặt ống để tránh mối nguy hiểm về cháy
nếu chúng hấp thụ vào vật liệu ổn định nhiệt có
+ Đánh sạch ống sau đó quét một lớp nhũ
khả năng thẩm thấu
trắng (spirit) lên bề mặt ống
Ngoài ra, tuỳ thuộc vào các điều kiện địa
+ Tiến hành sơn lót, lớp sơn lót phải mỏng
chất, môi trường bên ngoài ống, sản phẩm vận
+ Các lớp sơn tiếp theo phải tuân thủ các yêu chuyển,… mà tăng lớp vật liệu ổn định nhiệt
cầu đặt ra. cho tuyến ống. Ống vận chuyển khí hai pha
Bảng 1: Các bước tiến hành sơn phủ Nam Côn Sơn có 3 lớp ổn định nhiệt (không kể
Độ dày lớp Thời gian lớp sơn) còn ống vận chuyển khí Rạng Đông
Loại sơn sơn Số sơn lớp sau Bạch Hổ chỉ có 2 lớp ổn định nhiệt (không kể
(micron) lớp (giờ) lớp sơn)
SDZin 1500 65 1 24
Bảng 2: Nhiệt độ của một số vật liệu cách nhiệt
(nguyên chất)
đang áp dụng
Eromarine 25 2 8
Ex500 Vật liệu Nhiệt độ Nhiệt độ Độ
cách nhiệt chịu đựng chịu đựng thẩm
Eromarine 75 3 8
cực đại 0F cực tiểu 0F thấu
Ex500
Silicat 1000 250 NA
Retan 6000 100 4 8
Canxi
Retan 6000 40 5 6
Thủy tinh 900 - 450 0,005
Tổng cộng 350 5 54
thể
Bọt 200 - 40 0,3
* Ống nhiều lớp vật liệu ổn định nhiệt: elastom
Sản phẩm vận chuyển trong các tuyến ống dầu Bông thủy 850 42 75
khí được coi là các chất lỏng truyền nhiệt đã tinh
được gia nhiệt hay làm mát tới giá trị nhiệt độ Bông 1200 42 150
thiết kế và được duy trì ổn định trong suốt quá khoáng
trình vận chuyển. Điều này phụ thuộc nhiều vào Perlite (đá 1000 250 18
thiết bị vận chuyển. Với ống ổn định nhiệt trân châu)
nhiều lớp sự truyền nhiệt ra bên ngoài ống sẽ Bọt Phend 300 75 6-7
giảm theo sự gia cố các lớp ổn định nhiệt tạo
môi trường ổn định cho dòng sản phẩm. Các vật 5. KẾT LUẬN
liệu dùng trong ống ổn định nhiệt dầu khí Qua bài báo, tác giả đã mô tả cấu tạo của hệ
thường là bông khoáng, silicat hoặc thủy tinh thống ổn định nhiệt cũng như cơ chế truyền
thể. Trong hầu hết các trường hợp do dao động nhiệt trên các tuyến ống vận chuyển dầu khí đã
nhiệt độ lớn ở mỗi lớp, đòi hỏi hệ thống ổn định và đang được áp dụng trong ngành công nghiệp
nhiệt tổng hợp. Với ống có hai lớp vật liệu ổn dầu khí. Việc hiểu bản chất của dòng vận
định nhiệt, khi kết hợp các vật liệu bông khoáng chuyển, cơ chế truyền nhiệt cũng như nguyên lý
và thuỷ tinh thể còn có thể phục vụ cho yêu cầu hoạt động của các hệ thống ổn định nhiệt sẽ hỗ
bảo vệ, vật liệu bông khoáng sẽ tạo ra một vùng trợ đắc lực cho việc xây dựng các tuyến ống
đệm giữa lớp kim loại và lớp thủy tinh thể, và hiện đại, tiết kiệm và đảm bảo an toàn.
lớp thủy tinh sẽ chống được quá trình bốc hơi
Các hệ thống ổn định nhiệt sử dụng nhiều lớp
khi nhiệt độ trong hệ thống xuống thấp hơn môi
hiện đang được sử dụng nhiều ở Việt Nam trong
trường bên ngoài ống tránh hiện tượng sụt áp
các ống vận chuyển dầu khí cũng như các sản
lớn. Với ống có trên hai lớp ổn định nhiệt cũng
240
Hội nghị khoa học và công nghệ lần thứ 9, Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM, 11/10/2005
phẩm lạnh, nóng khác có yêu cầu về độ an toàn 3. Lê Xuân Lân, 1997, Đại cương về thiết bị
cao. Còn các vật liệu nhiệt 1 lớp thường được dầu khí, trường đại học Mỏ Địa chất, Hà
ứng dụng trong công tác bảo dưỡng tuyến ống Nội
dầu khí định kỳ hay làm lớp ổn định định cho
4. Tủ sách Kỹ thuật lắp đặt công nghiệp, 2001,
các sản phẩm trong các ngành dân dụng, dân
Sản xuất và lắp ráp đường ống, Nhà xuất
sinh.
bản lao động – Xã hội
Từ bài báo này, tác giả hy vọng sẽ nghiên
5. Nguyễn Thanh Liêm, 2005, Công nghiệp
cứu sâu hơn về các yếu tố ảnh hưởng, góp phần
khí Việt Nam tiềm năng và định hướng phát
tính toán thiết kế và xây dựng các tuyến ống an
triển, Tạp chí dầu khí (6/2005), tr 15-19
toàn và giảm được diện tích phân bố quá rộng
như hiện nay của ống dẫn dầu khí. 6. Công ty Chế biến và kinh doanh sản phẩm
khí, 1996, quy trình vận hành và bảo dưỡng
hệ thống ống dẫn khí Bạch Hổ - Bà Rịa,
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Vũng Tàu
1. Lưu Cẩm Lộc, 1997, Công nghệ chế biến
7. John M. Campbell, 1983, Petroleum fluid
khí, Trung tâm khoa họf tự nhiên và công
flow sytems Printed and Bound in U.S.A.
nghệ quốc gia – Phân viện khoa học vật liệu
tại thành phố Hồ Chí Minh. 8. Japan – Vienam Petroleum company –
VietsovPetro join venture – Petro Vietnam
2. Lê Phước Hảo, Nguyễn Kiên Cường, 2003,
gas company, 2001, Operational
Phương pháp phân tích hệ thống ứng dụng
procesdures for Rang Dong – Bach Ho gas
trong kỹ thuật dầu khí, Nhà xuất bản Đại
pipeline, Vung Tau.
học quốc gia thành phố Hồ Chí Minh
241
