基于CFD的深海管匯傳熱數(shù)值模擬研究*

祁明華 李 揚(yáng) 李自力 王菲菲 琚選擇 石 磊 丁小勇

(1.中國石油大學(xué)(華東)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院；2.中國石油大學(xué)勝利學(xué)院；3.海洋石油工程股份有限公司；4.中國石油北京油氣調(diào)控中心)

基于CFD的深海管匯傳熱數(shù)值模擬研究*

祁明華**1李 揚(yáng)1李自力1王菲菲2琚選擇3石 磊3丁小勇4

(1.中國石油大學(xué)(華東)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院；2.中國石油大學(xué)勝利學(xué)院；3.海洋石油工程股份有限公司；4.中國石油北京油氣調(diào)控中心)

以深海水下管匯為對象，建立管匯在海水中的傳熱模型，并通過CFD軟件模擬了管匯的溫度分布情況。結(jié)果表明：未施加保溫層的管匯整體溫度較低，不能滿足正常的生產(chǎn)要求；施加保溫層后，管匯溫度明顯升高，支管溫度梯度逐漸平緩；隨著保溫層厚度的增加，管匯溫度不斷升高，而當(dāng)保溫層厚度超過50mm后，整個(gè)管匯溫度升高幅度變小。

深海管匯 傳熱模型 保溫措施 CFD數(shù)值模擬

海底石油儲(chǔ)量極為豐富，在海洋礦產(chǎn)資源中居首位[1]。由于陸地油氣儲(chǔ)量不斷減少，開采難度逐漸增加，因此油氣資源開發(fā)從陸地轉(zhuǎn)向海洋、從淺海灘轉(zhuǎn)向深海已成為必然趨勢[2]。

管匯是應(yīng)用于深海石油開發(fā)的水下生產(chǎn)系統(tǒng)中的重要組成部分，主要由一條匯管和幾條支管構(gòu)成，負(fù)責(zé)將各油井產(chǎn)出的原油匯集在一起并進(jìn)行輸送。然而在實(shí)際運(yùn)行過程中，管匯不可避免地會(huì)遭遇油田停電、管線維修等意外事故，這將導(dǎo)致管線停輸。停輸后管匯中原油的流速變慢，溫度快速降低，容易發(fā)生結(jié)蠟甚至凝管的現(xiàn)象，造成管匯堵塞。而對于深海管匯，由于靜水壓力很高，一旦發(fā)生堵塞，解堵疏通將極其困難，因此做好保溫工作對于深海管匯的正常運(yùn)行至關(guān)重要。對于水下管匯，目前主要有干式保溫和濕式保溫兩種技術(shù)，相比于傳統(tǒng)的干式保溫，濕式保溫具有保溫效果好、結(jié)構(gòu)簡單及運(yùn)行安全等優(yōu)點(diǎn)，所以在現(xiàn)場得到了廣泛應(yīng)用。在濕式保溫中，關(guān)鍵因素是確定合適的保溫層厚度。保溫層過薄，可能造成熱量流失，不能滿足安全生產(chǎn)的要求；保溫層過厚則會(huì)導(dǎo)致保溫費(fèi)用過高。因此，通過對管匯進(jìn)行準(zhǔn)確的傳熱數(shù)值模擬，設(shè)計(jì)合適的管匯保溫層厚度，對降低成本、提高能源利用效率至關(guān)重要[3]。

對于管匯傳熱的數(shù)值模擬，傳熱計(jì)算方法主要包括基于FEA的傳熱計(jì)算方法和基于CFD的傳熱計(jì)算方法[4]。相比于FEA計(jì)算，采用CFD計(jì)算方法可以充分考慮管道內(nèi)部流體的對流情況，使計(jì)算結(jié)果更加精確，但是計(jì)算量較大[5,6]。Stein S和Randi M利用CFD軟件對一個(gè)簡單的水下管匯進(jìn)行了傳熱模擬計(jì)算，并設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了對比，模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差較小，證明了CFD方法在管匯傳熱研究方面的可行性和準(zhǔn)確性[7]。

在此，筆者采用CFD數(shù)值模擬軟件，以500m水深的海底管匯的一種危險(xiǎn)工況為例，建立管匯在海水中的傳熱模型；對比研究了施加保溫層與否對管匯整體溫度場的影響，并通過改變管匯保溫層厚度，研究管匯溫度場和總散熱量隨保溫層厚度的變化規(guī)律。

1 物理模型

深海水下管匯的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，管匯由一條匯管和4條支管組成，匯集4口井產(chǎn)出的原油，匯管直徑12in(1in=25.4mm)，支管直徑均為6in。

圖1 深海水下管匯的結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)管匯的4條支管中只有一條支管正常運(yùn)行(其他3條支管停輸)，且此狀態(tài)達(dá)到穩(wěn)定后，最后一條支管也發(fā)生停輸時(shí)，將產(chǎn)生管匯運(yùn)行中一種非常危險(xiǎn)的工況。筆者以此工況為例，即在初始狀態(tài)下令支管1～3處于停輸狀態(tài)中，只有支管4正常運(yùn)行，達(dá)到穩(wěn)定后，支管4突然停輸，研究管匯的溫度分布和散熱情況。

由于深海環(huán)境的特殊性，深海海底管道的保溫材料必須具有導(dǎo)熱系數(shù)小、耐高靜水壓的特點(diǎn)和在長時(shí)間服役條件下保持良好狀態(tài)的性能。目前通常選用的有聚丙烯、聚氨酯、環(huán)氧樹脂、氣凝膠及相變儲(chǔ)能材料等[8]，其中聚氨酯彈性體因具有良好的性能，在深海海底管道中被廣泛應(yīng)用[9～12]。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1控制方程

流體流動(dòng)要受到物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律[13],表達(dá)式分別如下：

式中c——流體的比熱容，J/(kg·K)；

F——流體質(zhì)量力，N；

p——流體壓力，Pa；

q——流體所吸收的熱量，W；

T——流體溫度，K；

t——時(shí)間，s；

v——流體流動(dòng)速度，m/s；

μ——流體動(dòng)力粘度，Pa·s；

φ——能量耗散函數(shù)；

λ——導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；

ρ——流體密度，kg/m3。

2.2邊界條件

在模擬中，管匯入口選擇為速度入口，速度依據(jù)油井在該工況下的產(chǎn)量確定，管匯出口設(shè)置為壓力出口，壓力為5.67MPa。管內(nèi)流體采用k-ε標(biāo)準(zhǔn)湍流模型進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)考慮到管道流體和管道內(nèi)壁之間的流體變化較為劇烈，采用標(biāo)準(zhǔn)的壁面函數(shù)來處理傳熱和流動(dòng)邊界層。

保溫層外表面和海水之間的換熱屬于對流換熱，該換熱屬于強(qiáng)制對流換熱中的流體外掠圓管。根據(jù)海洋環(huán)境并結(jié)合理論公式可以計(jì)算海水和保溫層之間的換熱系數(shù)[14]，其計(jì)算式為：

式中C、n——常數(shù)；

d——保溫層的當(dāng)量直徑，m；

Prw——海水的普朗特?cái)?shù)；

Re——海水流動(dòng)雷諾數(shù)；

λw——海水的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)。

2.3數(shù)值計(jì)算方法

建立管匯在海洋環(huán)境中的傳熱模型，主要包括海洋環(huán)境以及保溫層、鋼管和原油之間的耦合傳熱。原油、保溫層和鋼管的物性參數(shù)見表1。

表1 物性參數(shù)

由于管匯是一個(gè)復(fù)雜的三維模型，并不具備很好的對稱性，為準(zhǔn)確模擬管匯的傳熱規(guī)律，應(yīng)建立三維模型進(jìn)行模擬。使用Fluent中的前處理程序Gambit建立幾何模型并劃分網(wǎng)格[15]。在劃分網(wǎng)格時(shí)，考慮到管匯結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，很難進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，經(jīng)過對比選擇，確定合適的網(wǎng)格尺寸后，選擇非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行劃分。在計(jì)算中，壓力插值格式為標(biāo)準(zhǔn)差值，壓力速度耦合采用SIMPLE算法[16]。

3 模擬結(jié)果分析

3.1未保溫管匯的溫度場和速度場分析

首先對管匯沒有進(jìn)行保溫的情況進(jìn)行模擬研究。對未保溫的水下管匯進(jìn)行穩(wěn)態(tài)生產(chǎn)和事故停輸情況下的傳熱模擬計(jì)算，設(shè)管內(nèi)原油溫度為327.150K，外部海水溫度為277.150K，當(dāng)海水流速為0.6m/s時(shí)，保溫層外表面和海水之間的換熱系數(shù)為1 555W/m2。取管匯原油的橫截面進(jìn)行分析，在穩(wěn)態(tài)情況下的溫度云圖如圖2所示。可以看出，管匯的流動(dòng)區(qū)域溫度較高，包括匯管和其中一條支管，而在停輸?shù)闹Ч苌?，由于流體基本靜止，散熱很快，支管的流體溫度從三通連接處到管匯端部顯著降低，存在著明顯的軸向溫度梯度；在停輸支管的端部溫度很低，低于原油的結(jié)蠟溫度和凝點(diǎn)，這將會(huì)造成管匯堵塞。

圖2 穩(wěn)態(tài)情況下的管匯溫度云圖

在停輸8h后，匯管中心溫度為281.231K，各條支管溫度都接近海水溫度(圖3)。匯管和支管的溫度都低于原油的結(jié)蠟溫度和凝點(diǎn)，說明未采取保溫措施的管匯不能滿足8h保溫的基本要求。所以對于水下管匯，必須施加保溫層進(jìn)行保護(hù)。

圖3 管匯停輸8h后的溫度云圖

為研究管匯內(nèi)流體速度場對管匯溫度的影響，取整體管匯未停輸時(shí)原油的橫截面進(jìn)行分析(圖4)，對比圖2可知，管匯的主管和支管4由于內(nèi)部流體流動(dòng)較快，所以溫度較高，而3條停輸支管受主管流體流動(dòng)滲透的影響，入口存在一定的流動(dòng)，所以各條停輸支管入口處溫度也較高。

圖4 穩(wěn)態(tài)情況下的管匯速度分布

3.2有保溫管匯的溫度場分析

對水下管匯施加40mm厚的保溫層并對它進(jìn)行穩(wěn)態(tài)生產(chǎn)和事故停輸情況下的傳熱模擬計(jì)算。取管匯原油的橫截面進(jìn)行分析，在穩(wěn)態(tài)生產(chǎn)情況下，與未采取保溫措施的管匯進(jìn)行對比分析發(fā)現(xiàn)，在施加濕式保溫層后，管匯的整體溫度顯著上升(圖5)，匯管中心溫度達(dá)到320K，支管1～3端部溫度分別為314、308、302K，相比于流動(dòng)區(qū)域，停輸?shù)闹Ч軠囟忍岣吒?，且明顯高于管匯未保溫時(shí)的情況。

圖5 有保溫管匯的穩(wěn)態(tài)溫度分布

為研究支管溫度分布規(guī)律并對比管匯保溫對支管溫度的影響，選擇3條支管中長度最長的支管3作為研究對象，分別在無保溫層(0mm)和保溫層40mm的支管3軸線上設(shè)置監(jiān)控點(diǎn)，每隔350mm設(shè)置一個(gè)監(jiān)控點(diǎn)，共9個(gè)監(jiān)控點(diǎn)，得到其溫度曲線如圖6所示?？梢钥闯觯诠軈R未保溫時(shí)，支管3從三通連接處到支管端部，溫度不斷下降，下降梯度由快變慢且逐漸趨于平緩，說明在添加保溫層后，支管溫度下降梯度明顯變小，端部溫度明顯提高。

圖6 支管3軸線監(jiān)控點(diǎn)上的溫度曲線

停輸8h后，管匯上的溫度顯著下降(圖7)，相對于匯管，支管上的溫度更低，支管1～3端部中心點(diǎn)的溫度分別為303、298、295K。為進(jìn)一步研究支管長度對散熱的影響，在3個(gè)支管端部中心設(shè)置監(jiān)控點(diǎn)(圖8)，監(jiān)測支管端部中心點(diǎn)溫度隨停輸時(shí)間的變化，得到的溫度曲線如圖9所示。對比3條支管端部中心溫度可以發(fā)現(xiàn)，隨著支管長度的增加，支管溫度越來越低，并且在停輸8h后，3條支管的端部溫度依然存在明顯差異，說明支管應(yīng)該更加注意保溫，尤其對于長度較長的支管。

圖7 管匯停輸8h后的溫度分布

圖8 管匯原油橫截面和監(jiān)控點(diǎn)位置

圖9 支管端部溫度曲線

3.3保溫層厚度對管匯保溫的影響

為研究保溫管匯的溫度分布和保溫層外表面散熱量隨保溫層厚度的變化規(guī)律，對水下管匯分別施加不同厚度(50、60、80mm)的保溫層，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)生產(chǎn)和事故停輸情況下的傳熱計(jì)算。

對管匯保溫層外表面的總散熱量進(jìn)行監(jiān)測(圖10)，發(fā)現(xiàn)隨著保溫層厚度的增加，保溫層外表面總散熱量不斷減小，并且下降的速度逐漸減小。同時(shí)對管匯中心和支管3的端部中心點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控(圖11)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)保溫層厚度從40mm增加到80mm時(shí)，管匯中心溫度變化不大，而支管上的溫度逐漸升高；當(dāng)保溫層小于50mm時(shí)，整個(gè)管匯溫度增加的速度較大，超過50mm后，溫度增加速度逐漸平緩。

圖10 管匯總散熱量隨保溫層厚度的變化曲線

圖11 匯管中心和支管端部溫度隨

4 結(jié)論

4.1未施加保溫層的管匯，其整體溫度較低，支管上存在明顯的軸向溫度梯度，不能滿足正常的生產(chǎn)要求。施加保溫層后，管匯的溫度明顯升高，支管上的溫度梯度比較平緩，說明保溫層對于海底管匯的穩(wěn)定生產(chǎn)運(yùn)行具有顯著作用。

4.2當(dāng)對匯管和支管施加相同的保溫層厚度時(shí)，管匯的低溫部分主要集中在停輸?shù)闹Ч芏瞬浚摬糠譁囟让黠@低于匯管溫度，并且隨著支管長度的增加，支管端部溫度越來越低。說明對于管匯需要更加注意支管的保溫，特別是對于長度較長的支管。

4.3隨著保溫層厚度的增加，管匯散熱量不斷減小，下降速度也逐漸減小，整個(gè)管匯的溫度逐漸升高。當(dāng)保溫層厚度小于50mm時(shí)，隨保溫層厚度的增加管匯溫度升高速度較大；當(dāng)保溫層厚度超過50mm后，隨著保溫層厚度的增加管匯溫度升高速度逐漸平緩。

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NumericalSimulationofHeatTransferofManifoldinDeep-seaBasedonCFD

QI Ming-hua1, LI Yang1, LI Zi-li1, WANG Fei-fei2, JU Xuan-ze3, SHI Lei3, DING Xiao-yong4

(1.CollegeofPipelineandCivilEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China; 2.ShengliCollege,ChinaUniversityofPetroleum,Dongying257097,China; 3.OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300450,China; 4.PetroChinaBeijingOilandGasControlCenter,Beijing100007,China)

Taking a manifold in deep-sea as the object of study, the manifold’s heat transfer model was established and the CFD software was applied to simulate manifold’s temperature distribution. The results show that the temperature of manifold without insulation layer is lower and this fails to satisfy the production; when the manifold is equipped with an insulation layer, its temperature would rise obviously and the branch pipe’s temperature gradient keeps smooth; with the increase of insulation layer’s thickness, the manifold’s temperature would increase all the time. The increase extent of manifold’s temperature would diminish when the insulation layer’s thickness exceeds 50mm.

deep-sea manifold, heat transfer model, insulation measures, CFD numerical simulation

*國家工業(yè)和信息化部海洋工程裝備項(xiàng)目(E-0813C003)。

**祁明華，男，1991年4月生，碩士研究生。山東省青島市，266580。

TQ053.6

A

0254-6094(2016)03-0350-07

2015-08-21，

2016-05-12)

(Continued from Page 271)

AbstractThrough analyzing fouling classification and characteristics in heat exchangers and the investigation of cleaning technologies applied in Yanshan Petrochemical Co., the commonly-used cleaning technologies for heat exchangers were discussed and selected to provide technical reference for enterprises concerned, including new vision and thoughts in developing it.

Keywordsheat exchanger, fouling, mechanical cleaning, chemical cleaning