Hi ngh khoa hc và công ngh ln th 9, Trng i hc Bách khoa Tp. HCM, 11/10/2005 236 N NH NHIT TRONG NG NG DN DU–KHÍ HEAT STABILIZATION FOR OIL AND GAS PIPELINES Trn Th Mai Hng Khoa K thut a cht & Du khí, i hc Bách khoa TP. HCM, Vit Nam ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- TÓM TT Trong quá trình thit k và vn hành các tuyn ng dn du-khí, vic duy trì nhit cho dòng cht lu chuyn đng là mt yêu cu quan trng hàng đu và đó cng là chc nng ca h thng n đnh nhit. Yêu cu này phi đc tính toán ngay t giai đon thit k và kéo dài trong sut quá trình phát trin ca m, đm bo các ch tiêu v công nghip, thng mi và dân sinh. Qua bài báo, tác gi mun mô t cu to ca h thng n đnh nhit cng nh c ch truyn nhit trên các tuyn ng vn chuyn du khí đã và đang đc áp dng trong ngành công nghip du 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. M U S phát trin ca công nghip du – khí, nht là công nghip khí đng ngha vi s phát trin ca các h thng tuyn ng, đây là phng tin r tin và an toàn nht. Hin nay, trên th gii đã có nhiu phng tin vn chuyn thay th nhng tuyn ng vn gi v trí quan trng nht đnh. Tuy vy, vn có nhiu vn đ đt ra cho h thng tuyn ng nh các vn đ chính tr, xã hi, môi trng,… và công ngh . Các tuyn ng thng đc lp đt ngm di đáy bin hay tri dài trên din rng hay theo thi gian b chng chéo lên nhau,…. to môi trng thoát nhit ln, đ an toàn thp,… Trong các đ tài nghiên cu v tuyn ng thng đi sâu v vn đ công ngh, an toàn, riêng vn đ thit k chúng ta ch quan tâm đn b dày, chiu dài tuyn ng vì nó liên quan đn hai vn đ ln trên. Vn đ đt ra là: Nhit đ dòng sn phm, các tác đng môi trng nh hng trc tip hay gián tip nh th nào đn cht lng tuyn ng 2. C CH TRUYN NHIT VÀ CÁC YU T LÀM THAY I NHIT  TRONG H THNG NG NG NGM VÀ B MT D đoán s phân b nhit đ trong h thng đ ng ng vn chuyn du khí cng quan trng nh áp sut. Nhit đ hiđrat hoá khí, đc tính ca pha hi - lng và hàm lng nc ca khí là các đi lng nhy cm vi nhit đ. D đoán nhit đ là giai đon đu tiên ca quá trình tính Hi ngh khoa hc và công ngh ln th 9, Trng i hc Bách khoa Tp. HCM, 11/10/2005 237 toán. Nhit đc truyn theo 3 c ch: S dn nhit, trao đi nhit đi lu và trao đi nhit bc x th hin trên các tuyn ng dn du khí đc lp đt ngm và trên mt đt. S dn nhit xut hin khi có s tip xúc vt lý. Nhit đc truyn rt tt qua hu ht các kim loi vì kim loi là cht dn nhit tt. Mt vt liu cách nhit tt là mt vt liu dn nhit kém và ngc li. Nhit đ  các đim khác nhau có th d đoán đc nh ng dng cân bng nhit nng. Nu th nng và đng nng không đáng k và công bng 0, khi đó t đnh lut cân bng th nht đi vi h tr ng thái n đnh đc gin lc thành: ∆ H = Q i vi cht lng, entapy hu nh không ph thuc vào áp sut. Do đó entapy  mt s đim ph thuc c vào áp sut ti các đim này và nhit nng mt đi hoc thêm vào qua thành ng dn. T đnh lut truyn nhit, có: Q = UA∆ t m (1) Entanpy ca khí tng khi gim áp sut, có phng trình sau: Q = (U) (π dL) (∆T m ) (2) Trong đó: Q - Lng nhit mt đi trong đon ng dn dài L. A - Hng s (A = 0,372) L - Chiu dài đon ng L = L s – L i L i , L s - Là đim đu và đim cui đon ng cn xét ∆T m – Giá tr trung bình, ∆T m = (∆T i - ∆T s )/ln(∆T i /∆T s ) ∆T i = T i - T g ∆T s = T s - T g T g - Nhit đ ca đt hay nc ti đim đó T i , T s - Nhit đ đu và cui ca tuyn ng cn xét U - H s truyn nhit tng. Hình 1: S ph thuc gia chiu dài ca đon ng và nhit đ gia các đim Nu nhit đ ca dòng cao hn T g thì lng nhit truyn đi s âm còn nu nh hn T g thì lu lng s dng và đng cong s gn vi T g t phía di. ng A áp dng khi nh hng ca áp sut lên entapy đc b qua. ây là quá trình truyn nhit đn gin và nhit đ dòng du không h xung thp hn T g . ng B phn ánh s thay đi ph thêm ca nhit đ do nh hng ca áp sut lên entanpy. Trong thc t, trong các h thng đng ng vn chuyn khí, đng này h xung thp hn T g khong 2 – 3 0 C đi vi trng hp gim áp sut thun túy. Nu tuyn ng không gi đc nhit ca dòng sn phm có th to st áp dòng ln gây tc ng, bp ng dn đn n,… thit hi rt ln. Trao đi nhit đi lu, xy ra khi có s chuyn đng ca không khí bên trên hoc xung quanh b mt ca ng vn chuyn d u khí. H s truyn nhit tng (U) trong phng trình (1) và (2) din t tt c các yu t làm thay đi nhit đ dòng sn phm, c ch truyn nhit này th hin rõ qua h thng ng dn ngm. 1. H s màng gia dòng và thành ngoài ng ngoài ng 2. Thành ngoài ng 3. Lp ph ng (n đnh nhit) T i T s T g T L A B L i L s Hi ngh khoa hc và công ngh ln th 9, Trng i hc Bách khoa Tp. HCM, 11/10/2005 238 a a T h R T += π 4. Lp bê tông hoc mi ni 5. Cát đp 6. t t nhiên gn ng dn có nhit đ cao hn nhit đ thng i vi các ng dn ngm chôn di đt các yu t 1, 2, 3, 5, 6 và các ng ngm chôn di đáy bin có tr lc 1, 2, 3, 6 làm thay đi nhit đ dòng sn phm trong ng Tr lc 6 cn đc chnh sao cho vic tng nhit đ xung quanh ng dn cao hn T g . Theo các nghiên cu, nhit đ đt trong khong cách 5m t thành ng dn ra cao hn nhit đ đt. ây là yu t ln làm gim nhit đ dòng . H s (U) đc tìn thy qua thc nghim, các ng thu gom và ng dn không có lp n đnh nhit cho thy U = 5 ÷ 20 kJ/gi.m 3 .K. Phn ln các giá tr xác đnh đc thng thp hn giá tr này 1/3. Nhit đ T g không phi là giá tr c đnh, mà  mc đ nào đó ph thuc vào nhit đ không khí. Nhit đ cc đi ca đt chm hn nhit đ ca không khí 1 hoc 2 tháng. ng ng chôn trong nc  đ sâu > 30m có nhit đ gn nh nhau, Mt s đáy h có nhit đ thay đi không quá 3 0 C trong mt nm. Vì T g thay đi nên giá tr (U) cng thay đi . Trong mùa hè (U) có th cao hn mùa đông 50 ÷ 60% Trao đi nhit bc x trên tuyn ng đc mô t vi hin tng: Bn cm thy m lên khi đng di mt tri hoc hoc bên cnh mt lò la. C ch truyn nhit này th hin rõ  ng dn trên mt đt. Phng trình (1) và (2) không áp dng cho ng dn trên mt đt do không có giá tr T g . D đoán nhit đ cc đi ca dòng chy trong ng dn (T) là kt qu ca vic nhn nhit ban ngày t mt tri do bc x và mt nhit do đi lu vi không khí. Nhit đ ph thuc vào các yu t nh: - Thi gian ban ngày - iu kin khí quyn - Nhit đ không khí (T a ) - Tc đ gió - Màu và tính cht ca b mt ng - Vn tc chy và tính cht ca dòng trong ng dn Trong đó: T - Nhit đ cc đi ca dòng, 0 F T a - Nhit đ không khí môi trng, 0 F R - Lng bc x mt tri, Btu.gi/ft 2 h a - h s màng ca không khí cho quá trình đi lu, Btu /ft 2 .gi. 0 F Giá tr T thng không vt giá tr trung bình t 10 ÷ 16 0 F. Nhit đ thc thng thp hn nhit đ trung bình tr phi xét trên đon ng trn rt dài. c tính ca dòng chy, vn tc, chiu dài ng, mùa trong nm, điu kin đa lý,… đu nh hng đn giá tr T. Giá tr T luôn thay đi theo thi gian. Hình 2: Tuyn ng vn chuyn khí đt trên mt đt Hi ngh khoa hc và công ngh ln th 9, Trng i hc Bách khoa Tp. HCM, 11/10/2005 239 3. H THNG N NH NHIT: CU TO VÀ TÍNH TOÁN THIT K S thay đi nhit đ trong ng dn du khí cho ta thy cn phi có mt cht gì đó (hóa hc) làm gim s trao đi nhit ca dòng sn phm ra bên ngoài. Tuy nhiên, điu đó s làm gim tính cht dòng và sn phm cui phi mt thêm 1 khâu tinh ch li.  đn gin, chúng ta làm cho ng dày lên. Vn đ n đnh nhit tuyn ng thc cht có t  lâu trên th gii, chúng đc quan tâm t khâu thit k đn khâu vn hành. Mt vt liu hoc t hp các vt liu đc dùng đ cn tr dòng nhit đc gi là h thng n đnh nhit. Mc đích là làm gim vn tc trao đi nng lng qua ng dn. Hin nay có hai dng n đnh nhit 1 lp và nhiu lp (hình 4). Mi d ng ph thuc vào gii hn c hc ca vt liu và tính kinh t C ch truyn nhit qua lp n đnh nhit đc đánh giá bng mi quan h hàm s gia nhit to ca lp n đnh nhit theo đ dày, nhit đ làm vic ca b mt, các đc tính b mt ca lp màng mng bao bên ngoài và các điu kin môi trng xung quanh. * Nhit truyn qua ng có 1 lp vt liu n đnh nhi t: () i si r r TTKL U 0 ln 2 − = π (3) Trong đó: K - H s dn nhit (Btu.in/(h.ft 2 . 0 F) L - Chiu dài ng (ft) T i , T s - Nhit đ bên trong và bên ngoài ng ( 0 F) r i , r 0 – Bán kính b mt trong ng và b mt lp n đnh nhit (in) *Nhit truyn qua ng có nhiu lp vt liu n đnh nhit: T (3) ta có: fK rrr K rrr TT U i 1/ln/ln 3 233 1 13 21 + ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ + − = (4) Trong đó: r 1 , r 2 , r 3 – Bán kính b mt ngoài ca các lp n đnh nhit tính t trong ra ngoài 1/f - H s nhit tr b mt (nhit tr đi lu) a phn các vt liu đng nht dn nhit tt. Giá tr ca nó không ph thuc vào din tích, đ dày, hình dng,… ca vt liu. Các cht này có nhit tr b mt ln hn nhit tr tng cng và ngc li. Còn s truyn nhit li ph thuc vào hình dáng ca vt n đnh nhit và đc bit b chi phi bi đ dày ca lp n đnh nhit. Khi giá tr mt đ dòng nhit truyn t b mt ra không khí cao hn thì nhit tr b mt thp hn và ngc li. Khi nhit truyn qua mt vt liu đc ra môi tr ng ngoài s to ra s đi pha gia lp khí ti b mt giao tip vi lp khí quyn bên ngoài. Do đó lng nhit truyn t b mt s ít hn nu nh nhit tr không có ti đim này 4. CÁC DNG H THNG N NH NHIT ÁP DNG  VIT NAM * ng mt lp vt liu n đnh nhit th ng áp dng trên các ng đn gin nh chân giàn khoan, các đng ng dn khí nh,… phc v trên các giàn khoan hay trong ni b nhà máy. n đnh nhit mt lp áp dng nhiu trong công tác bo dng ng đnh k. Vi nhng loi ng này ch yu s dng các lp sn ph. Do các lp sn rt mng (micron) nên thc t vn Hình 3: Mt ct ngang ca h  thng n đnh nhit 1 lp (a) và nhiu lp (b) ng r i r 0 (a) (b) Các lp n đnh nhit r 3 r 1 r i r 2 Hi ngh khoa hc và công ngh ln th 9, Trng i hc Bách khoa Tp. HCM, 11/10/2005 240 coi đây là ng n đnh nhit 1 lp. Trc khi tin hành sn ph cn lu ý: + ánh sch ng sau đó quét mt lp nh trng (spirit) lên b mt ng + Tin hành sn lót, lp sn lót phi mng + Các lp sn tip theo phi tuân th các yêu cu đt ra. Bng 1: Các bc tin hành sn ph Loi sn  dày lp sn (micron) S lp Thi gian sn lp sau (gi) SDZin 1500 (nguyên cht) 65 1 24 Eromarine Ex500 25 2 8 Eromarine Ex500 75 3 8 Retan 6000 100 4 8 Retan 6000 40 5 6 Tng cng 350 5 54 * ng nhiu lp vt liu n đnh nhit: Sn phm vn chuyn trong các tuyn ng du khí đc coi là các cht lng truyn nhit đã đc gia nhit hay làm mát ti giá tr nhit đ thit k và đc duy trì n đnh trong sut quá trình vn chuyn. iu này ph thuc nhiu vào thit b vn chuyn. Vi ng n đnh nhit nhiu lp s truyn nhit ra bên ngoài ng s gim theo s gia c các lp n đnh nhit to môi trng n đnh cho dòng sn phm. Các vt liu dùng trong ng n đnh nhit du khí thng là bông khoáng, silicat hoc thy tinh th. Trong hu ht các trng hp do dao đng nhit đ ln  mi lp, đòi hi h th ng n đnh nhit tng hp. Vi ng có hai lp vt liu n đnh nhit, khi kt hp các vt liu bông khoáng và thu tinh th còn có th phc v cho yêu cu bo v, vt liu bông khoáng s to ra mt vùng đm gia lp kim loi và lp thy tinh th, và lp thy tinh s chng đc quá trình bc hi khi nhit đ trong h th ng xung thp hn môi trng bên ngoài ng tránh hin tng st áp ln. Vi ng có trên hai lp n đnh nhit cng tng t nh vy nhng cn phi xem xét môi trng đt ng đ tránh mi nguy him v cháy nu chúng hp th vào vt liu n đnh nhit có kh nng thm thu Ngoài ra, tu thuc vào các điu kin đa cht, môi trng bên ngoài ng, sn phm vn chuyn,… mà tng lp vt liu n đnh nhit cho tuyn ng. ng vn chuyn khí hai pha Nam Côn Sn có 3 lp n đnh nhit (không k lp sn) còn ng vn chuyn khí Rng ông Bch H ch có 2 lp n đnh nhit (không k lp sn) Bng 2: Nhit đ ca mt s vt liu cách nhit đang áp dng Vt liu cách nhit Nhit đ chu đng cc đi 0 F Nhit đ chu đng cc tiu 0 F  thm thu Silicat Canxi 1000 250 NA Thy tinh th 900 - 450 0,005 Bt elastom 200 - 40 0,3 Bông thy tinh 850 42 75 Bông khoáng 1200 42 150 Perlite (đá trân châu) 1000 250 18 Bt Phend 300 75 6 - 7 5. KT LUN Qua bài báo, tác gi đã mô t cu to ca h thng n đnh nhit cng nh c ch truyn nhit trên các tuyn ng vn chuyn du khí đã và đang đc áp dng trong ngành công nghip du khí. Vic hiu bn cht ca dòng vn chuyn, c ch truyn nhit cng nh nguyên lý hot đng ca các h thng n đnh nhit s h tr đc lc cho vic xây dng các tuyn ng hin đi, tit kim và đm bo an toàn. Các h thng n đnh nhit s dng nhiu lp hin đang đc s dng nhiu  Vit Nam trong các ng vn chuyn du khí cng nh các sn Hi ngh khoa hc và công ngh ln th 9, Trng i hc Bách khoa Tp. HCM, 11/10/2005 241 phm lnh, nóng khác có yêu cu v đ an toàn cao. Còn các vt liu nhit 1 lp thng đc ng dng trong công tác bo dng tuyn ng du khí đnh k hay làm lp n đnh đnh cho các sn phm trong các ngành dân dng, dân sinh. T bài báo này, tác gi hy vng s nghiên cu sâu hn v các yu t nh hng, góp phn tính toán thit k và xây dng các tuyn ng an toàn và gim đc din tích phân b quá rng nh hin nay ca ng dn du khí. TÀI LIU THAM KHO 1. Lu Cm Lc, 1997, Công ngh ch bin khí, Trung tâm khoa hf t nhiên và công ngh quc gia – Phân vin khoa hc vt liu ti thành ph H Chí Minh. 2. Lê Phc Ho, Nguyn Kiên Cng, 2003, Phng pháp phân tích h thng ng dng trong k thut du khí, Nhà xut bn i hc quc gia thành ph H Chí Minh 3. Lê Xuân Lân, 1997, i cng v thit b du khí, trng đi hc M a cht, Hà Ni 4. T sách K thut lp đt công nghip, 2001, Sn xut và lp ráp đng ng, Nhà xut bn lao đng – Xã hi 5. Nguyn Thanh Liêm, 2005, Công nghip khí Vit Nam tim nng và đnh hng phát trin, Tp chí du khí (6/2005), tr 15-19 6. Công ty Ch bin và kinh doanh sn phm khí, 1996, quy trình vn hành và bo dng h th ng ng dn khí Bch H - Bà Ra, Vng Tàu 7. John M. Campbell, 1983, Petroleum fluid flow sytems Printed and Bound in U.S.A. 8. Japan – Vienam Petroleum company – VietsovPetro join venture – Petro Vietnam gas company, 2001, Operational procesdures for Rang Dong – Bach Ho gas pipeline, Vung Tau. . NHIT VÀ CÁC YU T LÀM THAY I NHIT  TRONG H THNG NG NG NGM VÀ B MT D đoán s phân b nhit đ trong h thng đ ng ng vn chuyn du khí. gim áp sut, có phng trình sau: Q = (U) (π dL) (∆T m ) (2) Trong đó: Q - Lng nhit mt đi trong đon ng dn dài L. A - Hng s (A = 0,372) L - Chiu