油、水混合預(yù)熱投油過程中傳熱數(shù)值計(jì)算

韓秀梅

（中國石油廣西銷售公司，廣西南寧530028）

管道工程中經(jīng)常會(huì)遇到新建或長(zhǎng)期停輸后再啟動(dòng)的埋地?zé)嵊凸艿馈Ｒ蜻@種管道周圍土壤溫度場(chǎng)為自然溫度場(chǎng)，所以其溫度比輸送的熱油要低很多。工程實(shí)際中，有很多高粘易凝的原油需要輸送，如果將其不加處理直接投入冷管中進(jìn)行輸送，油品會(huì)向周圍土壤散熱，導(dǎo)致油溫很快下降，有時(shí)會(huì)引起管道沿程損失急劇升高而導(dǎo)致停輸，嚴(yán)重情況甚至?xí)霈F(xiàn)油管被“凍結(jié)”現(xiàn)象。在實(shí)際生產(chǎn)中，為避免發(fā)生故障，通常都要先對(duì)管道進(jìn)行預(yù)熱，待管道周圍土壤升高一定溫度后再正常輸送加熱的原油。熱油管道在啟輸投產(chǎn)預(yù)熱階段，管道內(nèi)的介質(zhì)和管道周圍土壤的傳熱是不穩(wěn)定傳熱過程。在熱油管道預(yù)熱過程中，為確定合理的啟輸時(shí)間和預(yù)熱介質(zhì)總量，有必要準(zhǔn)確預(yù)測(cè)管內(nèi)介質(zhì)的溫度和周圍土壤溫度場(chǎng)的分布隨時(shí)間的變化規(guī)律。

目前，工程上一般采用熱水對(duì)長(zhǎng)輸管道進(jìn)行預(yù)熱。分析熱油管道預(yù)熱工況是一個(gè)復(fù)雜的問題，許多學(xué)者在這方面做了大量研究，取得了很多有意義的科研成果。M Fremond等［1］和N I Osokin等［2］研究了土壤溫度場(chǎng)，取得研究成果可為管道周圍土壤溫度場(chǎng)研究所借鑒。李長(zhǎng)俊等［3］應(yīng)用傳熱理論，推導(dǎo)出了管道周圍土壤溫度場(chǎng)隨管內(nèi)介質(zhì)和氣候條件變化的解析解，并將其應(yīng)用于熱油管道生產(chǎn)過程中溫度場(chǎng)的研究中，取得了更接近實(shí)際的結(jié)果；后來，李長(zhǎng)俊等［4］以將土壤物性作為隨溫度變化的函數(shù)為前提，應(yīng)用保角變換將半無窮大土壤區(qū)域簡(jiǎn)化成有限矩形區(qū)域，得出了熱油管道啟輸傳熱模型，并得出了問題的數(shù)值解。吳國忠等［5］將大地半無限大區(qū)域簡(jiǎn)化為有界的矩形區(qū)域，建立數(shù)學(xué)模型，并采用數(shù)值求解方法對(duì)該數(shù)學(xué)模型求解，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析得出不同管徑、不同敷設(shè)條件下管道的熱損失變化結(jié)果。蔣綠林等［6］建立了有限區(qū)域內(nèi)熱油管道預(yù)熱過程耦合的數(shù)學(xué)模型，并借助于計(jì)算軟件求解了該模型，取得了有益的結(jié)果。陳國群等［7］通過大量研究，分析總結(jié)了熱油管道啟輸投產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)狀，并以此為基礎(chǔ)推導(dǎo)出了對(duì)熱油管道預(yù)熱投產(chǎn)進(jìn)行熱力計(jì)算的數(shù)學(xué)模型。李偉等［8］建立了描述埋地?zé)嵊凸艿罒崃τ绊憛^(qū)的數(shù)學(xué)模型，用有限元法進(jìn)行計(jì)算，研究了埋地?zé)嵊凸艿涝诓煌\(yùn)行狀態(tài)下的土壤溫度場(chǎng)，并定量分析了管道結(jié)構(gòu)參數(shù)、土壤物性參數(shù)等對(duì)管道水平方向熱力影響范圍影響情況。

以往的研究，有很多近似認(rèn)為管道周圍溫度分布是以管道中心軸對(duì)稱的，以此為依據(jù)，數(shù)值計(jì)算把管道傳熱問題簡(jiǎn)化為一維問題。實(shí)際生產(chǎn)過程中，埋地管道土壤周圍的溫度場(chǎng)并不是軸對(duì)稱的溫度場(chǎng)，而是一個(gè)三維溫度場(chǎng)，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)原油生產(chǎn)過程中的溫度變化，應(yīng)充分考慮到三維傳熱的影響。為了得到更真實(shí)數(shù)據(jù)，在充分考慮土壤的初始條件和土壤表面自然條件的前提下，數(shù)值計(jì)算并分析了油、水混合預(yù)熱過程中管道周圍土壤溫度場(chǎng)和管內(nèi)介質(zhì)溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律。

1 計(jì)算模型

采用傳熱方程對(duì)埋地管道周圍土壤溫度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算：

式中：c 為土壤比熱容，J／（kg·℃）；ρ 為土 壤密度，kg／m3；T 為土壤溫度，℃；λ 為土壤導(dǎo)熱系數(shù)，W／（m2·℃）。

在計(jì)算過程中，對(duì)管道傳熱問題進(jìn)行以下簡(jiǎn)化：

（1）土壤的導(dǎo)熱系數(shù)比管材的導(dǎo)熱系數(shù)小很多，因此忽略管壁的熱阻；

（2）在管道周圍土壤的計(jì)算區(qū)域內(nèi)，認(rèn)為各處土質(zhì)相同，是各向同性的。

2 埋地管道傳熱數(shù)值計(jì)算

2.1 計(jì)算條件

用有限單元法對(duì)圖1所示埋地?zé)嵊凸艿肋M(jìn)行數(shù)值計(jì)算。計(jì)算所用條件如下：熱油管道半徑R1＝350mm，管道中心距地面深度H ＝1.50m，管道周圍土壤密度ρt＝1 700kg／m3、導(dǎo)熱系數(shù)λ1＝1.512 W／（m2·℃）。

圖1 埋地管道周圍土壤區(qū)域截面圖Fig.1 Soil area cross image around buried pipeline

邊界條件：

式中：αh為預(yù)熱介質(zhì)與管壁間的對(duì)流換熱系數(shù)；Tw為預(yù)熱介質(zhì)溫度；αk為地面和周圍大氣之間的對(duì)流換熱系數(shù)；Tk為當(dāng)?shù)貧鉁亍?/p>

計(jì)算中αh取117 W／（m2·℃），αk取21.5 W／（m2·℃），Tk取－15 ℃；土壤的初始溫度取7 ℃；土壤下邊界溫度取5 ℃。

計(jì)算區(qū)域?yàn)橐缘孛嬉韵? m×5 m 范圍，網(wǎng)格劃分采用三角形三節(jié)點(diǎn)單元進(jìn)行。管道分為50段，每段長(zhǎng)度為1 000m。

2.2 熱水預(yù)熱過程傳熱數(shù)值計(jì)算

對(duì)前面給出的埋地?zé)嵊凸艿李A(yù)熱過程中管內(nèi)介質(zhì)和管道周圍土壤溫度變化進(jìn)行了計(jì)算。預(yù)熱介質(zhì)為水，熱水出站溫度為70℃，流速取1.25m／s。圖2給出了不同時(shí)刻管內(nèi)介質(zhì)溫度在管道沿線的分布曲線。

圖2 預(yù)熱介質(zhì)軸向溫降圖Fig.2 The axial temperature drop map

對(duì)圖2中管內(nèi)介質(zhì)沿程溫降分析可知，預(yù)熱介質(zhì)未流到的管處，管內(nèi)溫度與土壤的初始溫度相同。預(yù)熱介質(zhì)流過的位置，管內(nèi)溫度逐漸增加。對(duì)圖2中幾條沿程溫降曲線對(duì)比分析可知，隨著預(yù)熱時(shí)間的增加，管內(nèi)介質(zhì)溫度降低漸緩，預(yù)熱達(dá)到一定時(shí)間后，預(yù)熱介質(zhì)沿線溫度基本達(dá)到穩(wěn)定，這與此時(shí)管道周圍土壤溫度有較大提升有關(guān)，與實(shí)際相符。預(yù)熱達(dá)到一定時(shí)間后，再進(jìn)行預(yù)熱已沒有意義。因此在進(jìn)行熱油管線預(yù)熱啟動(dòng)過程中，準(zhǔn)確計(jì)算出管內(nèi)介質(zhì)沿程溫降和管道周圍土壤溫度場(chǎng)隨時(shí)間變化的詳實(shí)數(shù)據(jù)，依次為依據(jù)確定相應(yīng)的輸油工藝，可有效節(jié)省能源。

2.3 油、水混合預(yù)熱啟輸過程的傳熱數(shù)值計(jì)算

研究采用油、水混合預(yù)熱的方法，即在輸水預(yù)熱一定時(shí)間以后，開始投油，預(yù)熱和輸油同時(shí)進(jìn)行，只要合理選定投油時(shí)間，就可以保證在油品到達(dá)終點(diǎn)時(shí)，終點(diǎn)已預(yù)熱并達(dá)到預(yù)熱溫度要求，通過對(duì)埋地?zé)嵊凸艿绬⑤斶^程中土壤溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬，可以為確定合理的投油時(shí)間提供理論依據(jù)。

對(duì)熱水預(yù)熱一段時(shí)間進(jìn)行投油的情況進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。首先，熱水和油溫都取70 ℃，管內(nèi)介質(zhì)流速取1.25m／s。

圖3（a）、（b）分別給出了預(yù)熱120h和80h后投入熱油的管內(nèi)介質(zhì)溫度在管道沿線的分布。

圖3 當(dāng)熱油溫度為70 ℃時(shí)預(yù)熱介質(zhì)軸向溫降圖Fig.3 The axial temperature drop map at 70 ℃heat oil

從圖3中可以看出，熱水預(yù)熱時(shí)，不同預(yù)熱時(shí)間的軸向溫降線沒有交叉，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，由下到上依次升高；預(yù)熱一段時(shí)間后開始投油，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，油溫會(huì)有一個(gè)逐漸下降的過程，這是因?yàn)橛偷拿芏群捅葻崛荼人南鄳?yīng)參數(shù)小很多所致。由圖3（a）、（b）對(duì)比可以看出，預(yù)熱達(dá)到一定時(shí)間后，輸油時(shí)熱油到達(dá)終點(diǎn)的溫度并沒隨著預(yù)熱時(shí)間增加有較大幅度的增加。使熱油到達(dá)終點(diǎn)時(shí)其溫度達(dá)到一定高度，僅依靠增加預(yù)熱時(shí)間有時(shí)并不可靠。

適當(dāng)提高熱油入站溫度是一個(gè)有效的辦法。將熱油溫度提高到75℃，預(yù)熱熱水溫度還保持70℃，管內(nèi)介質(zhì)流速仍取1.25m／s，將這種工況下預(yù)熱投油過程的管道周圍土壤溫度場(chǎng)和管內(nèi)介質(zhì)沿程溫降進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。圖4（a）、（b）分別給出了預(yù)熱60 h和80h后投入熱油的管內(nèi)介質(zhì)溫度在管道沿線的分布。

圖4 當(dāng)熱油溫度為75 ℃時(shí)預(yù)熱介質(zhì)軸向溫降圖Fig.4 The axial temperature drop map at 75 ℃heat oil

將圖4與圖3對(duì)比后可以看出，改變熱油溫度，對(duì)熱油到達(dá)終點(diǎn)的溫度有一定的影響。提高輸油溫度，熱油到達(dá)終點(diǎn)的溫度有一定程度的提高，當(dāng)預(yù)熱達(dá)到一定時(shí)間后，繼續(xù)預(yù)熱意義并不大。有時(shí)適當(dāng)增加熱油出站溫度，減少預(yù)熱時(shí)間是一個(gè)有效提高終點(diǎn)油溫的辦法。

以上計(jì)算結(jié)果與實(shí)際相符，該研究成果可為合理地確定投油時(shí)間和溫度提供科學(xué)的依據(jù)。確定了合理的、最短的投油時(shí)間，就達(dá)到了節(jié)能的目的。

3 結(jié)論

通過對(duì)預(yù)熱一定時(shí)間開始投油后埋地?zé)嵊凸艿绬⑤斶^程溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬，得出以下結(jié)論：

（1）熱水預(yù)熱一定時(shí)間后開始投油，在預(yù)熱過程中會(huì)出現(xiàn)管內(nèi)介質(zhì)溫度逐漸下降的現(xiàn)象。這是由于水的比熱容要比油的比熱容大得多，從而引起的放熱量減小，溫度降低，結(jié)果符合實(shí)際。

（2）改變熱油溫度，對(duì)熱油到達(dá)終點(diǎn)的溫度有一定的影響。提高輸油溫度，熱油到達(dá)終點(diǎn)的溫度有一定程度的提高，當(dāng)預(yù)熱達(dá)到一定時(shí)間后，繼續(xù)預(yù)熱意義并不大。

（3）為在熱油啟輸過程有效利用能源，有必要準(zhǔn)確預(yù)測(cè)預(yù)熱介質(zhì)溫度和管道周圍土壤隨時(shí)間變化情況，以此為依據(jù)可確定合理啟輸時(shí)間。

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