埋地含蠟原油管道停輸溫降最新進展

陳順江，王為民，董珊珊

（遼寧石油化工大學(xué) 石油與天然氣學(xué)院，遼寧 撫順 113001）

埋地含蠟原油管道停輸溫降最新進展

陳順江，王為民，董珊珊

（遼寧石油化工大學(xué) 石油與天然氣學(xué)院，遼寧 撫順 113001）

梳理了我國含蠟原油停輸溫降的最新研究進展，強調(diào)了停輸過程中析蠟潛熱對原油溫度場的影響以及合理處理凝固潛熱的必要性；在傳熱學(xué)的理論基礎(chǔ)之上，研究了用顯熱容法建立的新的數(shù)學(xué)模型。熱油管道停輸溫降過程是輸油管道中常見的現(xiàn)象，研究含蠟原油管道停輸過程的溫度變化規(guī)律,為原油輸送管道的科學(xué)設(shè)計和安全、經(jīng)濟運行提供了一定的理論參考。

含蠟原油管道；停輸；溫度變化；顯熱容法；新進展

與世界上許多產(chǎn)油國不同，我國所生產(chǎn)的石油大多為易凝高黏原油。經(jīng)過多年的研究和探索，含蠟原油的輸送工藝逐漸成為我國油氣儲運技術(shù)的特色。近年來，國外易凝高黏原油輸送技術(shù)及相關(guān)的理論發(fā)展較快[1]。含蠟原油的流動性較差，加熱輸送是最為常見的含蠟原油管道輸送工藝，各國都特別重視含蠟高黏原油輸送及流動保障技術(shù)研究。在管道運輸過程中，停輸問題是無法避免的。當(dāng)管道停輸后，管內(nèi)含蠟原油的粘度隨著溫度下降而急劇上升。當(dāng)油溫低于析蠟點時，原油中還會有蠟晶逐漸析出。由于蠟晶不斷析出，蠟晶之間會形成交聯(lián)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),使原油結(jié)構(gòu)強度增大，降低原油的流動性，長時間的停輸會給管道的再啟動帶來巨大困難,嚴(yán)重的會導(dǎo)致凝管[1]。所以，為了確保含蠟熱油管道安全經(jīng)濟運行,深入研究停輸后管內(nèi)原油的溫度變化規(guī)律至關(guān)重要。

隨著計算機技術(shù)和計算方法的發(fā)展，目前求解熱油管道非穩(wěn)態(tài)流動傳熱問題多運用數(shù)值求解方法。與解析法相比,數(shù)值解法使用的假設(shè)條件較少，通過使用合適的數(shù)值計算方法，進行控制網(wǎng)格的劃分，可得出高精度的解，因此，在分析埋地含蠟原油管道停輸溫降時通常采用數(shù)值解法。

1 埋地原油管道停輸溫降過程的分析

由于管道周圍土壤中蓄積的熱量要比管中存油的熱容量大上百倍，埋地原油管道停輸后溫降變化主要取決于周圍土壤的冷卻情況，故埋地含蠟原油管道停輸后的溫降過程大體上分為兩個階段[1]：

第一階段，管內(nèi)油溫較快的冷卻到略高于周圍土壤溫度，靠近管壁處的油溫下降很快，管壁與管中心的油溫差別較大，是自然對流傳熱為主的階段；第二階段，管內(nèi)存油和管外土壤作為一個整體緩慢冷卻，該階段自然對流強度減弱直至消失，只剩導(dǎo)熱，此階段包括自然對流和導(dǎo)熱共同控制階段以及純導(dǎo)熱階段[1]。

前人對埋地管內(nèi)原油溫降過程研究的主要核心內(nèi)容有兩個方面：原油的自然對流和具有移動邊界的原油析蠟相變傳熱[2]。解決這兩方面的問題，大多采用數(shù)值模擬的方法來求解[3]，建立數(shù)學(xué)和物理模型，應(yīng)用FLUENT軟件模擬熱油管道溫降過程[4]。

關(guān)于停輸過程中管道內(nèi)熱油溫度場的求解，早期的研究者試圖對管道停輸問題采用解析求解的方法，但由于問題的復(fù)雜性，解析求解過程中要作很多簡化處理，因而求解結(jié)果往往偏離實際。

楊晶[5]等在傳熱學(xué)的理論基礎(chǔ)上，分析了原油管道停輸后的溫降過程及其影響因素，并運用ANSYS軟件對埋地輸油管道停輸后的原油溫降過程進行了數(shù)值模擬，分別計算出了不同管徑情況下停輸溫降情況，得出了關(guān)于埋地管道的停輸，提高輸油初始溫度和增大管徑均能延長安全停輸時間。但是文中沒有分析管道材料的物性等其他影響素對停輸過程的影響，對計算結(jié)果會產(chǎn)生一定的影響。

李偉[2]等分析了埋地含蠟原油管道停輸后的溫降過程以及停輸溫降的影響因素，提出了一些關(guān)于停輸溫降計算方面的關(guān)鍵問題，分析了幾種常見的停輸溫降的數(shù)學(xué)模型，并分別比較了埋地原油管道與輸水管道、稠油輸送管道等的異同之處，為后來的研究者提供比較好理論研究基礎(chǔ)。

杜明俊[3]等對多年凍土區(qū)環(huán)境下運行的輸油管道進行了研究，采用有限容積法對控制方程進行離散，運用SIMPLE算法求解溫度場，但是文中將流體和固體并存的過渡區(qū)域看成動態(tài)的多空孔質(zhì)進行處理，并將物理模型簡化為二維非穩(wěn)態(tài)傳熱模型，對研究結(jié)果的準(zhǔn)確性有一定的影響。

劉剛[4]等通過分析熱油管道停輸后管內(nèi)油流的物理傳熱過程，提出介質(zhì)溫度低于析蠟點時，原油中的蠟會在整個管道截面上析出。通過假設(shè)環(huán)境水溫不變，采用FLUENT軟件模擬溫降過程，劃分控制網(wǎng)格，得到更加精確的解。計算過程中對一些影響因素作了理想化假設(shè)，與實際結(jié)果有些許差別，需要進一步優(yōu)化完善模型和計算方法。

2 傳熱模型的建立與數(shù)值模擬計算

在傳熱模型研究方面，邢曉凱[6]等分別建立了土壤、凝油和液油能量方程，但未考慮管道各層對傳熱的影響，對研究結(jié)果有一定的影響；盧濤[7]等通過模擬正常輸油時埋地原油管道的穩(wěn)態(tài)溫度場，結(jié)合邊界條件對停輸過程進行數(shù)值模擬求得停輸溫度場，但文中是通過假設(shè)原油凝固區(qū)是固相和液相的多孔介質(zhì)區(qū)域，所得結(jié)果與實際有一定的偏差，需要做進一步的完善。

有關(guān)停輸溫降過程中析蠟潛熱的處理方法有多種，早期研究者忽略蠟晶潛熱對原油溫降的影響，這直接影響求解原油溫度場的準(zhǔn)確性；還有一些學(xué)者將蠟晶潛熱當(dāng)作是一內(nèi)熱源，采用當(dāng)量導(dǎo)溫系數(shù)來考慮其影響；隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，有學(xué)者采用實際測量含蠟原油的比熱容一溫度關(guān)系計算溫降，將蠟晶潛熱對原油溫降的影響通過原油的比熱容隨溫度的變化來反映[8]。然而，這些方法都是在一定假設(shè)的情況下建立的，所得計算結(jié)果都有些偏離實際工況，只能對實際停輸溫降過程進行近似計算。

含蠟原油在停輸時，管內(nèi)溫降過程非常復(fù)雜，主要是因為存在析蠟潛熱，對溫度變化有一定的影響，對于相變潛熱的處理，前人有很多的研究和探討。有的學(xué)者對停輸過程進行分區(qū)研究，但是分析過程太過復(fù)雜，計算起來不太方便。張園園[9]等利用Fluent軟件模擬計算含蠟熱油管道停輸過程，將析蠟潛熱轉(zhuǎn)化為附加原油比熱容，不需要跟蹤固液相界面的移動，計算過程得到了很大的簡化。

許康[10]等使用焓法方程計算埋地?zé)嵊凸艿赖耐］敎亟挡⑦M行了詳細的數(shù)學(xué)描述，在建立數(shù)學(xué)模型時將停輸溫降看作是二維非穩(wěn)態(tài)傳熱問題，這與實際情況有所不同，需要進一步的研究。

焓法方程的微分形式為

式中：ρ—原油密度，kg/m3；

h—原油焓，J/kg；

K—原油導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m℃)；

T—原油溫度，℃；t為停輸時間，s。

通過采用上述方法計算的埋地原油管道停輸溫降與實測數(shù)據(jù)偏差不大，說明此法是可行的，且具有一定的準(zhǔn)確性。

劉曉燕[11]等分析并研究了幾種現(xiàn)有的關(guān)于求解停輸溫降的數(shù)學(xué)模型，提出了用顯熱容法建立了新的數(shù)學(xué)模型，用顯熱容法表示能量方程和傳熱方程，簡化了計算過程，為埋地含蠟原油管道停輸溫降過程的研究提供了新的思路。

3 新模型的建立——顯熱容模型

顯熱容模型原理：由于架空管道里原油的相變不是嚴(yán)格地在某一特定的溫度下發(fā)生，而是一個小的溫度范圍內(nèi)發(fā)生[12]（如圖1所示）的。所以將相變潛熱看作是在這個小溫度范圍內(nèi)有一個很大的顯熱容，顯熱容的大小由相變潛熱和相變溫度范圍來確定[11]。

用顯熱容法表示凝固區(qū)原油能量方程為

圖1 非純物質(zhì)相變區(qū)Fig.1 Phase transition of non pure substance

能量方程簡化為

式中：ρ—原油密度；

c—原油比熱容；

L—原油平均析蠟潛熱；

U—原油固相率。

3.2 管壁、保溫層、防水層的傳熱方程

式中：ρn—管道第n層材料密度；

cn—管道第n層材料熱容；

Tn—管道第n層材料溫度；

λn—管道第n層材料導(dǎo)熱系數(shù)。

根據(jù)顯熱容法，認為模糊兩區(qū)內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化呈線性分布，熱容量按平均法取值，且相變潛熱熱不隨溫度變化，在發(fā)生相變的溫度范圍內(nèi)構(gòu)造等價比熱容與等效導(dǎo)熱系數(shù)函數(shù)區(qū)。

原油析蠟相變的特點，決定了顯熱容模型更適用于原油管道停輸溫降過程中有關(guān)相變導(dǎo)熱的計算。在計算時，需要考慮如何確定固相率，從理論上講，固相率可以通過蠟晶析出率來解釋，所以有必要求出析蠟量與溫度間的定量關(guān)系，計算出管內(nèi)原油的結(jié)蠟狀況的定量結(jié)果，但這個過程的研究與求解目前是一個難點，分析過程相對比較復(fù)雜，因此，顯熱容模型目前仍處于理論研究階段，運用到實際工況計算中還需要進一步深入研究和探討。

4 結(jié) 論

當(dāng)前對于埋地含蠟原油管道停輸溫降的研究方法依然比較單一，大多采用數(shù)值計算的方法，對于處理停輸后管內(nèi)原油析蠟相變傳熱問題大多數(shù)學(xué)者使用分區(qū)建立數(shù)學(xué)模型，計算過程不夠簡化。對于顯熱容法處理這類問題，尚不夠完善，仍然在理論研究階段，還沒人運用到埋地含蠟原油管道以及海底管道的停輸溫降研究中，仍需要進一步深入研究，得到更精確地結(jié)果，為埋地含蠟原油管道的停輸溫降過程的研究提供更多簡便的方法。

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

［2］李偉，張勁軍,等.埋地含蠟原油管道停輸溫降規(guī)律[J].油氣儲運，2004,23(1):4-8.

［3］杜明俊,等：凍土區(qū)埋地?zé)嵊凸艿劳］敎亟禂?shù)值模擬[J].天然氣與石油，2010，28(4):55-57.

［4］劉剛，張國忠,等.熱含蠟原油管內(nèi)停輸溫降計算[J].中國石油大學(xué)學(xué)報，2010，34（5）:136-140.

［5］楊晶，趙興民,等.熱油管道停輸溫降過程的數(shù)值模擬[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2011,11（16）:3797-3780.

［6］邢曉凱,等.，埋地?zé)嵊凸艿劳］斣賳舆^程研究[J].石油規(guī)劃設(shè)計，2000,11(5):21-23.

［7］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）:299-303.

［8］祖耀.埋地輸油管道中熱油溫度場數(shù)值模擬.南充：西南石油大學(xué)碩士學(xué)位論文，2003.

［9］張園園.利用FLUENT軟件模擬計算含蠟原油管道的停輸溫降過程[J].管道技術(shù)與設(shè)備，2009(06):1-4.

［10］許康,等.采用焓法方程計算埋地管道含蠟原油停輸溫降[J].石油大學(xué)學(xué)報，2009，29（1）:84-88.

［11］劉曉燕，王海燕,等.熱油管道停輸介質(zhì)溫度分布數(shù)學(xué)模型分析與新模型的建立[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2010,10（28）:6874-6877.

［12］王海燕.停輸介質(zhì)徑向傳熱研究[D].大慶：東北石油大學(xué)，2011.

［13］韓善鵬，等. 管道蠟沉積模型中擴散系數(shù)的研究［J］.當(dāng)代化工，2014, 43（10）：2178-2180.

Research Progress in the Shutdown Temperature Drop of Buried Wax Oil Pipelines

CHEN Shun-jiang , WANG Wei-min, DONG Shan-shan
（Department of Oil&Gas Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China）

New research progress in shutdown temperature crop of buried wax oil pipelines in China was introduced. Influence of latent heat of wax precipitation during the shutdown on crude oil temperature field was discussed as well as the necessity of dealing with solidification latent heat. Based on the heat transfer theory, a new mathematical model was established with the method of apparent heat capacity. The temperature drop of hot oil pipelines is a common phenomenon in oil pipelines, research on the temperature variation of wax oil pipelines will provide some theoretical references for scientific design and economic-safe running of oil pipelines.

waxy oil pipeline; shutdown; temperature variation ; apparent heat capacity method; new progress

TE 832

A

1671-0460（2014）11-2299-03

2014-05-15

陳順江（1990-），女，湖北黃岡人，遼寧石油化工大學(xué)油氣儲運專業(yè)在讀碩士，研究方向：油氣儲運技術(shù)研究。E-mail：1068cjx@163.com。