基于焓溫法的石克管線停輸溫降三維數(shù)值模擬

李慶杰，李媛媛，陳慧萍

（新疆油田油氣儲(chǔ)運(yùn)公司, 新疆 克拉瑪依 834002）

無(wú)論是成品油管道還是原油管道，在輸送過(guò)程中，由于運(yùn)行工況的變化,其停輸是不可避免的。分析原油管道停輸過(guò)程中的沿程降溫，對(duì)確定安全停輸時(shí)間，優(yōu)化管道運(yùn)行管理，提出再啟動(dòng)方案及制定停輸檢修方案具有一定的指導(dǎo)作用。對(duì)于管道停輸溫降過(guò)程，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的工作，且成果顯著。D.E Thomton[1]分別對(duì)有保溫層和無(wú)保溫層管道進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)的數(shù)值計(jì)算，得出了解析解；王敏等[2]利用二維數(shù)學(xué)模型分別模擬了不同土壤導(dǎo)熱系數(shù)、大氣溫度的管道溫度場(chǎng)分布；許丹等[3]數(shù)值模擬了三維非穩(wěn)態(tài)傳熱埋地管道溫度場(chǎng)模擬，該文章考慮了原有物性隨溫度變化的關(guān)系,對(duì)管道采用離散算法；盧濤等[4]建立了土壤、管道與原油相互耦合的傳熱模型并進(jìn)行了停輸期間原油溫降的數(shù)值計(jì)算。本文綜合考慮了析蠟潛熱對(duì)溫降的影響，利用有限容積法進(jìn)行方程離散，采用SIMPLE 算法進(jìn)行求解，且得到了石克管線停輸溫降的演變過(guò)程，為優(yōu)化管道運(yùn)行提供了依據(jù)。

石克D377 管線始建于1996 年,起初為輸送天然氣管道,無(wú)保溫層,其防腐采用瀝青玻璃絲布,后由于實(shí)際工況需要,將其改輸陸梁原油,其首站石西距末站701 站全長(zhǎng)147 km，與石克D273 管線并行輸送；但由于兩條管線間距較大，其溫度場(chǎng)不存在相互影響。由于冬季來(lái)臨，石克線輸量降低，且 D377 管線無(wú)保溫層，故欲進(jìn)行間歇輸送或停輸。為了能夠合理安排輸送時(shí)間，必須對(duì)管道沿線及停輸時(shí)間做詳細(xì)分析。

1 模型的建立

1.1 數(shù)學(xué)模型

由于大氣溫度周期性變化，從而導(dǎo)致埋地管道周?chē)寥罍囟入S之改變，且土壤傳熱是一個(gè)非常復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程，受土壤物性、水文參數(shù)、埋地深度等影響。本文利用管道內(nèi)油品換熱量與土壤導(dǎo)熱量的平衡，建立了油流傳熱與土壤導(dǎo)熱之間的耦合關(guān)系。其基本假設(shè)：

（1） 假設(shè)土壤為各向同性的均勻介質(zhì)；

（2） 管道內(nèi)油品為牛頓流體；

（3） 不計(jì)管道沿線高程差。

1.1.1 土壤傳熱方程[5]：

1.1.2 停輸過(guò)程原油溫降控制方程

“焓溫法”又稱(chēng)焓多孔度法，是將單元網(wǎng)格內(nèi)流體所占有的體積分?jǐn)?shù)定義為多孔度，把固體和流體并存的區(qū)域視作動(dòng)態(tài)的多孔介質(zhì)。因?yàn)樗治隽黧w為多種組分混合物，凝點(diǎn)不一，即在一定的溫度范圍內(nèi)可連續(xù)出現(xiàn)凝固現(xiàn)象，鑒于這一特點(diǎn)，將凝油區(qū)定義為純固區(qū)和混合區(qū)兩相，依照多孔介質(zhì)的傳熱理論，使用凝固區(qū)原油質(zhì)量方程、動(dòng)量方程以及能量方程[4,6]：

固區(qū)原油質(zhì)量方程：

動(dòng)量方程為：

式中：ε 為混合區(qū)液相原油的體積分?jǐn)?shù)，可表示為：

S 為源項(xiàng)，可表示為：

能量方程為：

式中：H 為凝固區(qū)固態(tài)原油和液態(tài)原油的焓，可表示為：

式中： Ci—固相原油的比熱；

Cj—液相原油的比熱；

L—析蠟潛熱；

γ—原油凝固溫度變化范。

1.1.3 邊界條件

保溫層與土壤接觸面：

2 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

2.1 停輸前后溫度場(chǎng)對(duì)比分析

石克 D377 管線全長(zhǎng) 147 km, 管徑 377×7/6 mm，埋深1.8 m，出站油溫41 ℃，進(jìn)站油溫20.1℃，出站壓力3.18 MPa,進(jìn)站壓力0.35 MPa，原油粘度隨溫度的變化關(guān)系見(jiàn)圖2；原油密度859 kg/m3，比熱容2 225 /(kg·K)，導(dǎo)熱系數(shù)0.14 W/(m·K)；土壤參數(shù)：密度1 806 kg/m3，導(dǎo)熱率1.2 W/(m·K)，比熱容1 818 J/(kg·K)，埋地8 m 處地溫恒定，其值為18 ℃；時(shí)限參數(shù)取地表平均風(fēng)速2 m/s，當(dāng)月平均環(huán)境溫度-5 ℃，埋地處管道沿線地溫12 ℃。

圖1 出站41 ℃時(shí)油溫隨軸向距離變化曲線Fig.1 Oil temperature change with axial distance at 41 ℃

石克D377 輸送陸石油，其凝點(diǎn)為16 ℃，根據(jù)輸送要求進(jìn)站溫度需高于凝固點(diǎn)3 ℃以上，通過(guò)計(jì)算進(jìn)站溫度為21 ℃，滿(mǎn)足工藝需求。由圖2 可以看出，溫度高于30 ℃，油品粘度較小，低于30 ℃，粘度大幅度上升，這表明，低于此溫度，油品中的蠟晶開(kāi)始析出，隨著溫度的進(jìn)一步降低，蠟晶大量析出，并形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)為油品粘度增加，低于20 ℃以后，粘溫曲線變得非常陡峭，因此在20℃以下，油品中的蠟晶開(kāi)始大量析出，故在輸油時(shí)，優(yōu)先保證輸油溫度高于20 ℃。

由圖3 可以看出，當(dāng)停輸17 h 后，其管道末端溫度為16 ℃，達(dá)到其凝點(diǎn)溫度，至此可以得出其停輸時(shí)間為17 h，隨著時(shí)間的推移，其溫度將持續(xù)降低，管段油流將沿末端向前逐步凝結(jié)。

由圖 3 可以看出,出站溫度較高時(shí),軸向溫降較快，隨著距離的增加，溫度的降低，其溫降速度明顯減弱。并從圖4-8 可以得出如下結(jié)論：

圖2 油品的粘溫曲線Fig.2 Oil viscosity-temperature curve

圖3 停輸前后溫度變化曲線圖Fig.3 Temperature curve before and after shutdown

圖4 三維數(shù)值模擬局部放大圖Fig.4 Enlarge map of three-dimensional numerical simulation

(1)在穩(wěn)態(tài)條件下，停輸前后距出口越近，管道正下方等溫線越稀疏，而距出口越遠(yuǎn)，其等溫線越密，這主要是由于溫度梯度所造成；

(2)在同一截面處，停輸后的等溫線較停輸前的等溫線密集；

(3)停輸前后，管道正下方同一截面處的相同位置，停輸前的溫度較停輸后的溫度高，由于停輸時(shí)間較短，溫差不明顯，隨著輸送距離的增長(zhǎng)，這種溫差越來(lái)越小；

(4)由于停輸后原油溫度降低，土壤吸收管道熱量減少，從末端開(kāi)始，管道周?chē)鷾囟葓?chǎng)受環(huán)境影響增大。

圖5 停輸前出站溫度場(chǎng)Fig.5 the temperature field at the station before shutdown

圖6 停輸17 h 后出站溫度場(chǎng)Fig.6 The temperature field at the station after shutdow17 h

圖7 停輸前147 km 處溫度場(chǎng)Fig.7 Shutdown temperature field at 147 km

圖8 停輸17 h 后147 km 溫度場(chǎng)Fig.8 The temperature field at 147 km after shutdown 17 h

2.2 出站溫度對(duì)停輸時(shí)間的影響

為了便于分析石克D377 管線的停輸特性，在其他條件不變的情況下，只改變出站溫度，計(jì)算其進(jìn)站油溫和停輸時(shí)間。由表1 可以看出，單純提高出站溫度，延長(zhǎng)停輸時(shí)間效果并不明顯。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)?shù)刈罾湓職庀鬁囟?，得出了在沿線埋地管段為2 ℃的地溫下，欲使管道順利輸送而不凝管，需要將出站油溫增加到78 ℃，這將大大增加輸送成本，不利于管道的優(yōu)化運(yùn)行（圖9，10）。

圖9 不同出站溫度的軸向溫降Fig.9 Axial temperature drop at different outbound temperature

圖10 最冷月的出站溫度Fig.10 Outbound temperature at the coldest month

表1 不同出站溫度的停輸時(shí)間Table 1 Shutdown time at different outbound temperature

3 結(jié)束語(yǔ)

利用焓溫法建立的三維數(shù)學(xué)模型，得到了熱油管道停輸過(guò)程中的溫度場(chǎng)分布，通過(guò)分析可以得出，在其短暫的停輸時(shí)間內(nèi)，管道溫度場(chǎng)變化不明顯，給合理安排停輸時(shí)間及再啟動(dòng)過(guò)程中溫度場(chǎng)恢復(fù)時(shí)間提供了理論依據(jù)。并結(jié)合實(shí)際情況，計(jì)算出不同出站溫度的停輸時(shí)間及最冷月的輸送溫度，能夠給管道優(yōu)化運(yùn)行提供可靠的理論支持。

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