埋地管道原油停輸時(shí)間的計(jì)算*

王 琪，馬貴陽(yáng)，付 麗

（1．廣東石油化工學(xué)院，廣東茂名525000；2.遼寧石油化工大學(xué)，遼寧撫順113001）

埋地管道原油停輸時(shí)間的計(jì)算*

王 琪1，馬貴陽(yáng)2，付 麗2

（1．廣東石油化工學(xué)院，廣東茂名525000；2.遼寧石油化工大學(xué)，遼寧撫順113001）

在建立埋地輸油管道周圍土壤溫度場(chǎng)的物理模型時(shí)，大多認(rèn)為溫度分布是關(guān)于管道中心對(duì)稱的，因此只考慮對(duì)稱的一側(cè)，且都為二維計(jì)算，簡(jiǎn)體化了很多方面，這樣的考慮是不精確的。結(jié)合橫向，縱向建立了三維運(yùn)算模型，使土壤溫度場(chǎng)的模擬更接近現(xiàn)實(shí)，模擬的結(jié)果更加精確。

埋地管道；土壤溫度場(chǎng)；停輸；數(shù)值計(jì)算

石油作為一個(gè)國(guó)家的血液，多采用管道輸送，而為了降低粘度，減少摩阻損失和防止凝管，加熱輸送是國(guó)內(nèi)埋地長(zhǎng)輸管道的主要輸送方式，且長(zhǎng)輸管道大多采用埋地敷設(shè)。但由于受自然環(huán)境、人為因素破壞及輸送工藝變化等的影響，不可避免的發(fā)生停輸事故。在停輸過(guò)程中，當(dāng)管內(nèi)油品溫度降低到一定值后，可能造成凝管事故，給管道再啟動(dòng)帶來(lái)極大困難。因此，準(zhǔn)確計(jì)算出管道的停輸降溫及允許停輸時(shí)間，對(duì)指導(dǎo)油田的輸油生產(chǎn)、管道安全運(yùn)行和節(jié)能降耗具有重要意義[1-6]。研究輸油管道非穩(wěn)態(tài)熱力過(guò)程的關(guān)鍵是分析管道周圍土壤溫度場(chǎng)分布。

1 原油停輸時(shí)間的計(jì)算

1.1 計(jì)算步驟

由于管內(nèi)油品的溫降是由管內(nèi)油品和周圍土壤溫度場(chǎng)相互影響的，所以研究停輸時(shí)油品的溫降必須知道停輸時(shí)土壤溫度場(chǎng)的情況，所以首先我先通過(guò)用有限元的方法編輯三維溫度場(chǎng)的模擬程序，計(jì)算出輸油穩(wěn)定時(shí)土壤溫度場(chǎng)的情況，然后再在這個(gè)基礎(chǔ)上再編輯程序模擬出管內(nèi)油溫的變化，找出溫降最大的斷面和停輸時(shí)間。

1.2 數(shù)學(xué)模型及計(jì)算結(jié)果分析

本文根據(jù)三維非線性熱傳導(dǎo)方程,利用傳熱模型，采用有限單元法，受大氣溫度季節(jié)性變化影響的原油管道土壤溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。導(dǎo)熱方程：

2 土壤溫度場(chǎng)計(jì)算及停輸時(shí)間確定

某熱油管道管徑Φ=529 mm，埋地深度H=1.53 m，土壤的導(dǎo)熱系數(shù)λ1=1.512 W/（m2·℃），土壤的導(dǎo)溫系數(shù)a=0.002 5 m2/h，土壤表面對(duì)大氣的放熱系數(shù)αk=17.5 W/(m2·℃)，管內(nèi)油品與管外壁土壤間的當(dāng)量換熱系數(shù)αh=117 W/(m2·℃)，初始油溫Tw=52℃，土壤初始溫度T0=10℃，計(jì)算下邊界溫度為8℃，地面空氣溫度Tk=-20℃，平均流量為325 m/h，油品凝點(diǎn)為27℃。

圖1 埋深1.38 m軸向溫降圖Fig.1 The axial temperature dropmapatburieddepth1.38 m

計(jì)算輸送熱油一定時(shí)間后的土壤溫度場(chǎng)分布斷面，溫降最大及停輸?shù)拇_定。取地面以下5 m×5 m區(qū)域進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算中采用三節(jié)點(diǎn)三角形單元進(jìn)行單元?jiǎng)澐帧?/p>

圖1為埋深1.38 m，10，40，80，150，180，245，2 50 h的土壤軸向溫降圖。

圖2-6分別管道輸油40，100，150，200，250 h后土壤溫度場(chǎng)的分布曲線。

圖2 輸油40 h后土壤溫度場(chǎng)徑向分布（45 km）Fig.2 Oil transportationforty hours later，the distributionof soil temperature field（45 km）

圖3 輸油100 h后土壤溫度場(chǎng)徑向分布（45 km）Fig.3 Oil transportationone hundredhours later，the distributionof soil temperature field（45 km）

圖4 輸油150 h后土壤溫度場(chǎng)徑向分布（45 km）Fig.4 Oil transportationone hundredandfifty hours later，the distributionof soil temperature

圖5 輸油200 h后土壤溫度場(chǎng)徑向分布（45 km）Fig.5 Oil transportationtwo hundredhours later，the distributionof soil temperature

圖6 輸油250 h后土壤溫度場(chǎng)徑向分布（45 km）Fig.6 Oil transportationtwo hundredandfifty hours later，the distributionof soil temperature field（45 km）

從圖2-圖6中可以看到，土壤溫度場(chǎng)中等溫線大致呈橢圓形并接近圓形。管路周圍的等溫線上密下疏。這主要因?yàn)榻o定的熱油輸送過(guò)程為52，而地面溫度只有-20℃管路往上散失的熱流密度大。由于鋼管的導(dǎo)熱能力強(qiáng)，管外壁在啟輸很短時(shí)間便達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，隨時(shí)間變化溫度值幾乎無(wú)變化。隨著輸送時(shí)間的增加，土壤溫度場(chǎng)受熱油管道的影響半徑明顯增大，靠近輸油管的土壤溫度漸漸升高，而靠近地面土壤中的溫度漸漸降低，在輸油120 h后，由于輸油管對(duì)土壤的加熱作用影響的擴(kuò)大，25 h后，土壤中的10℃溫度線漸漸趨于穩(wěn)定，也就是說(shuō)這以后土壤溫度場(chǎng)趨于穩(wěn)定?？梢栽诖嘶A(chǔ)上計(jì)算停輸問(wèn)題。

通過(guò)圖可看出進(jìn)站處溫度最低，所以要以進(jìn)站溫度為準(zhǔn)，表1為進(jìn)站處1－10 h的油品進(jìn)站溫度。

通過(guò)圖表可以看出4.5 h的時(shí)候油品溫度大于凝點(diǎn)，5 h時(shí)已經(jīng)降至27℃以下了，所以允許停輸時(shí)間為4.5 h。與客觀事實(shí)相符，所以這個(gè)方法可行，可以用這種方法來(lái)計(jì)算停輸時(shí)間。

表1 停輸溫降表Table 1 The temperature droplistof shutdowm

3 結(jié)束語(yǔ)

由上述說(shuō)明可以看出，此三維數(shù)值模擬與客觀事實(shí)相符，比二維考慮更貼近事實(shí)，所以對(duì)現(xiàn)實(shí)更具有指導(dǎo)意義，可以用于指導(dǎo)生產(chǎn)。

[1]蔣洪，朱聰，雷利.土壤導(dǎo)熱系數(shù)法測(cè)定魏荊輸油管道總傳熱系數(shù)[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2006，25（6）：48-51.

[2]邢曉凱，張國(guó)忠.埋地?zé)嵊凸艿劳］斉c再啟動(dòng)過(guò)程研究[J].石油規(guī)劃設(shè)計(jì)，2000，12（3）：21-23.

[3]張國(guó)忠.埋地?zé)嵊凸艿劳］斀禍剡^(guò)程的研究[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)2004，23（12）33-37.

[4]張靜，吳明.用有限元法計(jì)算埋地?zé)嵊凸艿劳寥罍囟葓?chǎng)[J].遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，24（2）：38-40.

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[6]盧濤，姜培學(xué).埋地原油管道停輸期間溫降及原油凝固傳熱模型及數(shù)值模擬[J].熱科學(xué)與技術(shù)，2005，4（4）：298-302.

Calculation of Shutdown Time for Buried Crude Oil Pipeline

WANGQi1，MA Gui-yang2，F(xiàn)U Li2
（1.Guangdong University of Petrochemical Technology，Guangdong maoming 525000，China；2.Liaoning ShihuaUniversity，Liaoning Fushun113001，China）

When establishing the physical model of soil temperature field around buried oil pipeline，it is mostly considered that temperature distribution is symmetrical on the pipe center，so many factors is usually simplified and computing model is two-dimensional，which will result in errors during establishing the physical model.In this paper，a three-dimensional computing model was established，so the simulation of the soil temperature field was closerto reality，andthe simulationresultwas more precise.

Undergroundpipeline；Soil temperature；Shutdown；Numerical calculation

TE832

A

1671-0460（2010）04-0433-03

2010-02-09

王 琪（1982-），女，遼寧撫順人，助教，廣東石油化工學(xué)院，從事油氣儲(chǔ)運(yùn)工程方面的研究。wangqi1982.good@163.com。