輸油管道順序輸送的熱力模擬研究

施 雯， 王 琪， 王 淳

（1. 廣東石油化工學(xué)院 化工與環(huán)境工程學(xué)院， 廣東 茂名 525000；2. 中國石油化工股份有限公司 遼寧遼陽石油分公司， 遼寧 遼陽 111000）

模擬與計算

輸油管道順序輸送的熱力模擬研究

施 雯1， 王 琪1， 王 淳2

（1. 廣東石油化工學(xué)院 化工與環(huán)境工程學(xué)院， 廣東 茂名 525000；2. 中國石油化工股份有限公司 遼寧遼陽石油分公司， 遼寧 遼陽 111000）

同一管道輸送流變特性差異很大的多種原油，不同凝固點(diǎn)不同出站溫度的原油順序輸送，必然導(dǎo)致土壤溫度場的波動，這是一個不穩(wěn)態(tài)傳熱問題，因此建立了順序輸送不穩(wěn)態(tài)溫度場及土壤溫度場模型進(jìn)行分析。利用有限差分法，使用混合網(wǎng)格，即在差分網(wǎng)格的劃分中使用了混合網(wǎng)格法，在土壤內(nèi)部的大部分區(qū)域使用矩形網(wǎng)格劃分，在管壁附近使用極網(wǎng)格；把模型的熱傳導(dǎo)偏微分方程轉(zhuǎn)化為線性方程組，用迭代法求解。以湛江至茂名輸油管道為例，對其順序輸送不同國家原油的熱力狀況進(jìn)行了模擬計算。通過對混輸中各階段油頭溫度和土壤溫度場的分析可知，該模型可確定順序輸送次序和油品出站溫度等參數(shù)，為制定管輸方案提供理論依據(jù)。

原油；順序輸送；數(shù)學(xué)模型；熱力過程；模擬

為滿足煉油企業(yè)的生產(chǎn)需要，緩解國內(nèi)石油短缺的問題，從國外進(jìn)口原油，是我國的既定政策。一般一個港口或企業(yè)會進(jìn)口多種不同國家不同地區(qū)的原油，數(shù)種不同品種的原油，油品物性流變性差異很大。同一管道輸送多種原油，管內(nèi)原油與土壤中的熱力平衡狀態(tài)被破壞，油溫及土壤溫度將重新分布[1]，因此要建立原油管道順序輸送不穩(wěn)態(tài)溫度場及土壤溫度場模型，為安全運(yùn)行提供決策依據(jù)。

1 湛茂輸油管道概況

湛茂輸油管道1980 年10月建成投產(chǎn)，主要擔(dān)負(fù)從湛江港接卸下來的原油輸送進(jìn)茂名煉油廠。線路全長約104.08 km，管徑為529 mm，壁厚為7 mm，線路設(shè)計最大操作壓力為6.0 MPa，設(shè)計輸油能力1 000×104 t/a，目前實(shí)際輸送量約為 700×104 t/a[2,3]。

湛茂線輸送20余種原油，流變特性差異之大，在國內(nèi)管道中是少見的。比如沙中原油凝固點(diǎn)-30℃，而葦杜里原油凝固點(diǎn)為+43 ℃。

2 原油的順序輸送模型

原油順序輸送過程中，管內(nèi)輸送油品因溫度的不同，將對前一過程（k-1階段）中所建立的土壤溫度場產(chǎn)生影響，前一過程（k-1階段）終了時管內(nèi)油溫及管外土壤溫度為此過程（k階段）的初始條件。管內(nèi)油品溫度變化為冷、熱兩種不同油品的溫度變化，為不穩(wěn)定的熱力變化。假設(shè)前后輸送的兩種油品界面為一平面，兩種油品之間既無質(zhì)量交換也無熱量交換[4]。根據(jù)管內(nèi)油流能量平衡，建立管內(nèi)油品的溫度變化。管內(nèi)油溫的變化將引起管道周圍熱影響區(qū)域內(nèi)土壤溫度的不穩(wěn)定變化。在土壤溫度場模型中將土壤的半無限大區(qū)域轉(zhuǎn)化成有限矩形區(qū)域，在邊界條件中充分考慮了地面溫度的變化以及管徑等參數(shù)的影響。其數(shù)學(xué)模型描述如下[5~11]。

（1）管內(nèi)油流的非穩(wěn)態(tài)傳熱與流動：

（2）土壤導(dǎo)熱方程：

（3）邊界條件：

（4）初始條件：

管內(nèi)油溫：

管道周圍土壤：

式中：Ty—管道沿線各站進(jìn)站油溫，℃；

Tt—管道沿線各站熱影響區(qū)域范圍內(nèi)土壤溫度，℃；

T0(y,t) —自然地溫函數(shù)，℃；

cy—油品比熱容，J/(kg·℃)；

αy—油品的放熱系數(shù)，W/(m2·℃)；

λt—土壤的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；

Ct—土壤的容積熱容量，J/（m3·℃）

D—管道直徑，m；

V—原油流速，m/s；

G—質(zhì)量流量，kg/s；

K—順序輸送階段；

Z—沿線距離，m。

根據(jù)上述數(shù)學(xué)模型，使用有限差分法，對土壤溫度場和管道油流進(jìn)行耦合求解。為了得到高分辨率，在管道表面附近使用極網(wǎng)格，在其他區(qū)域使用矩形網(wǎng)格[12]，土壤溫度場網(wǎng)格劃分如圖1所示。對于順序輸送模型，利用了預(yù)測—校正法的思想，校正其差分方程。

圖1 土壤溫度場的網(wǎng)格劃分方法Fig.1 Mesh method of soil temperature field

3 算例與分析

3.1 算例1

設(shè)湛茂線順序輸送以下幾種原油，每種原油輸送4天，計算運(yùn)行情況。輸送油品物性及輸送次序如表1所示。從初始第1階段至第5階段為第一個循環(huán)周期，第6階段至第9階段為第二個循環(huán)周期。

表1 順序輸送油品次序（算例1）Table 1 Sequence of batch transportation (Example 1)

通過計算，可以得到不同循環(huán)各階段油頭的沿線溫度分布圖。

（1）圖2中第一循環(huán)周期的第2階段阿姆納原油，出站溫度為 45.0 ℃的油頭進(jìn)站溫度為 51.8℃，油頭溫度先明顯升高后有微小降低。主要原因是初始第 1階段輸送的葦杜里原油出站溫度為 55℃，土壤溫度場溫度升高，出口處土壤溫度高于原油出口溫度，相當(dāng)于土壤對原油加熱，油頭溫度不斷升高。隨著距首站距離的增大，土壤溫度場的溫度不斷降低，管道內(nèi)部油品的溫度高于管道外部土壤溫度，油品向土壤傳熱，管道內(nèi)油品溫度有所降低。

圖2 第一個循環(huán)中各階段油頭溫度Fig.2 Oil temperature of various stages in the first loop

圖3 第二個循環(huán)中各階段油頭溫度Fig.3 Oil temperature of various stages in the second loop

（2）第3階段馬力布原油，出站溫度為25.0℃的油頭進(jìn)站溫度為42.1 ℃，油頭溫度顯著升高，但隨著與首站距離的增加，升溫幅度越來越小。主要原因是第2階段輸送的高溫原油使管道沿線靠近管壁處的土壤溫度均高于第 3階段油品的出站溫度，管道外土壤對油頭加熱。在剛出站階段，管道內(nèi)外的溫差很大，此時管道外土壤向油品傳熱強(qiáng)度大，油品溫度快速提升。隨著油頭不斷向前流動，管內(nèi)油品溫度不斷升高，但管道外土壤溫度卻越來越低，此時管道內(nèi)外的溫差越來越小，傳熱強(qiáng)度不斷減小，故油頭溫度的升溫幅度變小。

（3）第4階段阿姆納原油，出站溫度為45.0℃的油頭進(jìn)站溫度為25.1 ℃，油頭溫度顯著降低。由于第3階段低溫原油的影響，管道沿線靠近管壁處的土壤溫度被冷卻，管道內(nèi)油品溫度高于管外壁土壤溫度，相當(dāng)于管道內(nèi)油品對土壤加熱。

（4）第5階段葦杜里原油，出站溫度為55.0℃的油頭進(jìn)站溫度為42.7 ℃，油頭溫度不斷降低。管道內(nèi)油品溫度仍高于管外壁土壤溫度，但由于有第4階段油品對土壤的加熱過程，油頭降溫幅度沒有第4階段大。圖3中第二循環(huán)周期的第6階段阿姆納原油，出站溫度為45.0 ℃的油頭進(jìn)站溫度為50.8 ℃；第7階段馬力布原油，出站溫度為25.0 ℃的油頭進(jìn)站溫度為41.4 ℃；第8階段阿姆納原油，出站溫度為45.0℃的油頭進(jìn)站溫度為24.6 ℃；第9階段葦杜里原油，出站溫度為55.0 ℃的油頭進(jìn)站溫度為42.1℃。

從圖2及圖3兩個循環(huán)可以看出各階段的轉(zhuǎn)輸過程順利，各階段沿線油頭溫度均高于油品的凝點(diǎn)，管道沿程不會出現(xiàn)凝油現(xiàn)象，可實(shí)現(xiàn)油品的正常輸送。

3.2 算例2

將第3階段馬力布原油的出站溫度由25 ℃降為15℃進(jìn)行輸送，其它條件同算例1(表2)。

從圖4中可看出第3階段馬力布出站溫度改為 15℃后第3階段的輸送可順利進(jìn)行。而在第4階段阿姆納油頭的進(jìn)站溫度已低于此油品的凝點(diǎn)，在約距首站52 km處油頭的溫度已低于凝點(diǎn)（20.8 ℃），油品將產(chǎn)生凝固而發(fā)生凝管現(xiàn)象。主要原因是第 3階段的油品出站溫度為 15 ℃時，此階段輸送末端沿線油溫較低，而在第4階段剛剛轉(zhuǎn)輸時沿線油溫?zé)o法有較大恢復(fù)。因此，第3階段油溫為15 ℃不能保證混輸油品的正常輸送。

表2 順序輸送油品次序（算例2）Table 2 Sequence of batch transportation (Example 2)

圖4 降溫輸送后各階段油頭溫度Fig.4 Oil temperature of various stages after cooling transportation

4 結(jié) 論

（1）通過對湛茂線原油管道的實(shí)際運(yùn)行進(jìn)行分析，建立湛茂線原油管道順序輸送的熱力模型。

（2）通過有限差分法對原油的初始狀態(tài)、轉(zhuǎn)輸熱力過程進(jìn)行求解。

（3）通過實(shí)例對湛茂線原油順序輸送進(jìn)行模擬，為實(shí)際工作中制定管輸方案提供理論依據(jù)。

［1］姜篤志．輸油管道非穩(wěn)定熱力過程數(shù)值分析[J]．油氣儲運(yùn)，1996,15(8)：1-5．

［2］吳世逵，梁朝林，李大上，等．易凝原油低溫?zé)彷斔偷难芯縖J]．油氣儲運(yùn)，2004,23(5)：13-16．

［3］古才榮．湛茂線高比例混輸高凝原油的可靠性分析[J]．安全、健康和環(huán)境，2008,8(3)：2-5；10．

［4］周詩崠．原油管道順序輸送熱力過程模擬[J]．油氣田地面工程，2010,28(4)：12-13．

［5］楊筱衡．輸油管道設(shè)計與管理[M]．東營：中國石油大學(xué)出版社，2006．

［6］崔秀國，張勁軍．埋地?zé)嵊凸艿婪€(wěn)定運(yùn)行條件下熱力影響區(qū)的確定[J]．石油大學(xué)學(xué)報，2004,28 (2)：75-78．

［7］丁芝來，梁靜華．冷熱油交替順序輸送中熱力問題分析[J]．油氣儲運(yùn)，2005,24 (10)：46-49．

［8］田娜，陳保東，何利民，等．并行埋地管道準(zhǔn)周期土壤溫度場的數(shù)值模擬[J]．科技導(dǎo)報，2011,29(8)：44-48．

［9］Song W K. Thermal transfer analysis of unpaved and paved freezing soil media including buried pipelines [J]. Numerical Heat Transfer, Part A:Applications, 2005,48(6)：567-583．

［10］李長?。竦剌斢凸艿赖臒崃τ嬎鉡J]．西南石油學(xué)院學(xué)報，1997, 19(1)：79-84．

［11］吳玉國．冷熱原油順序輸送技術(shù)研究[D]．山東東營：中國石油大學(xué)，2010．

［12］吳明，江國業(yè)，安丙威．輸油管道土壤溫度場的數(shù)值計算[J]．石油化工高等學(xué)校學(xué)報，2001, (12)：54-57．

Research on Thermodynamic Simulation of Crude Oil Batch Transportation Pipeline

SHI Wen1，WANG Qi1，WANG Chun2
（1. Guangdong University of Petrochemical Technology, Guangdong Maoming 525000，China；
2. PetroChina Liaoyang Branch, Liaoning Liaoyang 111000，China）

Only one pipeline is used to transport many kinds of crude oils whose rheological properties are great different, it was the batch transportation of crude oil with different freezing points and departure temperature. The temperature field must be fluctuated; it is a problem of unsteady thermodynamic process. So the temperature model of unsteady transportation and the one of soil were established. The finite difference theory was used for calculation. A mixed mesh method was applied,the rectangular mesh was used in the inner field, and normal line mesh was used near the pipe surface. Taking the pipeline of Zhanjiang to Maoming as an example, the thermodynamic process of batch transportation was simulated and calculated. Through analyzing data of oil and soil temperature, the batch and departure temperature can be defined. The mathematical model can provide a theory evidence for project of pipeline transportation.

Crude oil; Batch transportation; Mathematical model; Thermodynamic process; Simulation

TE 832

A

1671-0460（2012）05-0533-04

廣東石油化工學(xué)院自然科學(xué)研究項目，項目號：511002。

2012-02-24

施雯（1983-），女，遼寧本溪人，講師，碩士，2006年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)油氣儲運(yùn)工程專業(yè)，研究方向：從事油氣儲運(yùn)工程專業(yè)教學(xué)與研究工作。E-mail：shiwen7117315@163.com。