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低温热棒散热系统---阿拉斯加管道与永冻土和谐共处的核心技术

晨怡热管 王昌尧 2008/4/4 13:14:45
 在西伯利亚和阿拉斯加,永冻土是那的根基,在这个极其脆弱的环境中还有许许多多的生物在这里生存,任何一项破坏永冻土的工程都将导致这里的生态环境遭受毁灭性的打击,用美国佛罗里达大学植物学专家特德·舒尔的话来说就是“就像从冰箱里拿出食物来……在餐桌上放几天,它就腐败了。”那里的永冻土层一旦解冻,动植物的生存问题即将面临着考验,而且随着解冻的进行原来埋在永冻土里的动植物尸体就会被细菌分解成二氧化碳,进入全球大气中,俄罗斯和美国科学家说,这两个地区的永冻土解冻可能释放数十亿吨二氧化碳进入大气层,会大大加快全球变暖的进程。当然没有人要去刻意破坏它,但是那里的石油工业的发展给世界储运学者带来了一把刀,让我们用刀在那片脆弱的身体上狠狠划过!自1968年发现阿拉斯加北坡油田后,贯穿阿拉斯加的管道建设规划就开始了,我们先来看看阿拉斯加北坡油田的原油概况,原油比重为0.89,凝点为-2.5℃,含蜡量6.3%(重量),运动粘度在21.1℃时为26厘沲,37.8℃时为12.6厘沲。可以采用密闭流程不加热输送。虽然原油凝固点在0℃以下,但在冬季时仍然大大高于外界气温。采用大于3米/秒的流速输油,利用管道内沿程摩擦产生的热量,维持沿线的油品温度在60℃左右。虽然阿拉斯加原油没有大庆原油那样高达的30多度的凝点,但要是全部采用地下埋设的方案,运送过程中的油温在长年累月的扩散下足以把半个阿拉斯加(欢迎储运学者给我具体的参数)的永冻土融化,于是部分管段采用架空敷设的方案被提了出来,架空也会有支架接触到永冻土层,热量还是可以通过支架传到永冻土层,于是在支架下端安装散热器被研究出来了,散热器第一次被大规模用于石油管道上,金属导热,水传热等等各种方案纷纷出马!专门的实验室为这些方案进行了实验并作出了比较科学的结论和评价(我国的实验室是不是有所感触),学者没有查到具体的实验数据成果(有机会学者一定要去拜访这些实验研究者),据说液氨的传热效果比其他的效果大出很多倍,也很适合那里的温度,设计人员设计了8万多个装有散热片的液氨散热器系统,热量从架空管道通过支架传到永冻土地面,热量再通过中空装有液氨的导热管导到上部的两组大散热片上,没有散热片的话热量不易迅速扩散,下面看看热量的走向是如何进行的:

    很简单吧?其实真正的文章在导热管里的液氨上,液氨吸收热量后迅速汽化成气体散到装有散热片的一端,散热后有转化为液态,回落到下部的支架与永冻土接触处再次吸热,如此反复!再来看看液氨在导热管里的精彩舞动:

    这样一套液氨散热系统就出炉了,大传热效果让储运学者胆敢在阿拉斯加冻土层上大刀阔斧,为所欲为(为油气储运学者自豪)!阿拉斯加管道多年的运行结果证明这种设计方案为能源与环境的和谐发展提供了有力的保障。

    我们学者也许都没亲眼参观过阿拉斯加管道,这套液氨散热系统更是没机会目睹,不过没关系,可以看看高端电脑用的高级散热器就明白了:

    电脑用的大都是电风扇加铜散热的,图上的是铜导用一组散热片散热(电脑要静音效果也好)也有液冷(水冷)散热器(两千多元的价格),和液氨散热制冷系统相比学者们认为怎么样(可以研究研究)?一方面要原油在管道中绝对不能凝固(凝管事故!!!我校的魏博士说后果很严重,只能重建),另一方面管道的热量又不能传给永冻土,永冻土上管道架空和采用液氨散热制冷的设计巧妙地解决这两个矛盾!工程是建得越来越有意思了,可是经济上的问题呢?任何一项工程都不可能回避经济评估!投资预算从当初的不足10亿美元到后来建成实际上共花去了80亿美元!难怪美国人后来窃喜提早从日本买管道最划算(才花1亿多美元),当然这些费用并不是仅仅由于要装散热系统而多出的,更多的考虑有很多方面。区区一千多公里的管道,但里面还是有很多的东西值得我们油气储运学者去认真研究的。例如管道所采用的API5LX标准中X60、X65和X70高强度耐低温的钢材,以及现在管道出现的故障等等。总之阿拉斯加管道的设计让我们油气储运学者大开了眼界再来欣赏一下阿拉斯加管道长龙上的龙刺:

   

笔直笔直地树立在那里,是不是觉得它是油气储运行业的一座座丰碑!

                                          储运学者:王昌尧

                                         2006 年 12月 2日 午

附研究题材(来自网上的可靠消息):阿拉斯加管道是世界上第一条伸入北极圈的原油管道。起自美国阿拉斯加最北部北坡的普拉德霍湾,纵贯整个阿拉斯加地区,终止于南部阿拉斯加湾的不冻港瓦尔迪兹。管道全长1277公里,管径为1220毫米。沿线翻越1460多米高的布鲁克斯岭、近1100米高的阿拉斯加山脉和近900米高的楚加奇山脉。穿越主要河流34条,其中最大河流为育空河,管道吊挂在公路桥上。管道还通过700公里左右的永冻土地带;所经地区的冬季气温一般在-48℃至-51℃之间,最低气温为-57℃。1968年发现阿拉斯加北坡油田,1973年底开始准备修建管道。从1974年4月到1977年4月,三年间修建了沿线的公路、8座中间泵站、1座终点站和全部管道工程;输油能力达到每年 5600万吨。设计年输油能力最大为1亿吨,共需建12座中间泵站。每个泵站设4台专为这条管道设计的13500马力航空改型燃气轮机,经变速后带动双级离心泵机组,泵的转速为3250转/分,泵组并联运行。北部地区的4座泵站,利用专用的天然气管道输来油田气作为动力燃料;另外有3座中间泵站用从拔顶装置抽出的油品作为动力燃料。全部泵站的总装机容量近 650万马力。在输油管道的终点站,设有18座油罐,总的罐容近150万立方米,相当于最大输送能力7.5天的输量。终点站码头有3个固定泊位和1个浮动泊位,利用12和16英寸的装油臂,可装1.6~26.5万吨的油船,将原油运往美国的西部海岸。管道采用API 5 L X标准中X60、X65和 X70高强度耐低温的钢材,管壁厚为11.7和14.3毫米;管道的90%采用直缝钢管,设计工作压力为84.5千克力/厘米2。通过永冻土地区的管道有681公里是架空敷设的,用100毫米厚的绝热层保温。保温管道架设在 8万多个装有散热片的液氨“热管”系统的管架上,以防止管道系统的热量传入永冻土。其余的 600公里左右管道是埋在地下敷设的,其中有大约6公里长的永冻土区的管道,采用两边带有冷冻液体伴冷管的敷设方式。阿拉斯加输油管道敷设方式,还考虑到了北极地区环境保护要求,并注意到不干扰北极驯鹿的迁移途径、产仔和自然栖息条件等。

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