冷熱原油交替輸送土壤溫度場重建研究

丁晉晉， 劉德俊， 唐紹猛， 任 帥， 于 歡

(1.遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001；2.中國石化股份有限公司金陵分公司 油品儲運部，江蘇 南京 210033；3.內(nèi)蒙古西部天然氣管道運行有限責任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯017000；4.安徽實華工程技術股份有限公司 寧波分公司，浙江 寧波 315000)

冷熱原油交替輸送土壤溫度場重建研究

丁晉晉1,2， 劉德俊1， 唐紹猛1， 任 帥3， 于 歡4

(1.遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001；2.中國石化股份有限公司金陵分公司 油品儲運部，江蘇 南京 210033；3.內(nèi)蒙古西部天然氣管道運行有限責任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯017000；4.安徽實華工程技術股份有限公司 寧波分公司，浙江 寧波 315000)

建立冷熱油輸送管道的土壤截面模型，利用CFD軟件模擬夏冬季節(jié)冷熱原油交替輸送土壤溫度場的變化情況，以及再次改輸熱油時溫度場的重建情況。模擬結(jié)果表明，冬季改輸冷油后熱油管道形成的溫度場120 h基本被破壞；夏季改輸冷油后熱量消耗緩慢，由于地溫較高，可繼續(xù)對冷油放熱，溫度場不能完全被破壞。當冬季土壤溫度場被破壞，再次輸送熱油時，需要提高熱油溫度，以保證輸送安全。以長吉輸油管線冬季情況為例，輸冷油240 h后土壤溫度場完全被破壞，再次輸送熱油時，將出站熱油提高到53 ℃，輸送30 h后，即可以恢復到先前的穩(wěn)定熱油溫度場。在實際輸送過程中，可以把交替輸送中的溫度場變化作為確保輸送安全的參考依據(jù)之一。

交替輸送； 土壤溫度場； 溫度場破壞； 溫度場重建； 輸送安全

冷熱原油順序輸送是高、低凝點原油順序輸送的主要方式。輸送溫度周期性變化，當輸送熱油時，對土壤有加熱過程，土壤在一定的范圍內(nèi)蓄熱；當改輸冷油時，輸送熱油時土壤蓄積的熱量對冷油有加熱的過程，破壞熱油管道形成的溫度場；再次改輸熱油后，溫度場重新被建立。所以，隨著冷熱油的交替輸送，管道和周圍的土壤形成一個周期性的溫度場。影響溫度場的因素有地表溫度、土壤性質(zhì)、原油輸送溫度、輸送流態(tài)、管壁性質(zhì)和埋地深度等[1-2]。

國內(nèi)外很多學者通過數(shù)值計算的方法研究了熱油管道土壤溫度場的變化[3-9]。施雯等[10]針對物理特性差別較大的多種原油在相同管道中順序交替輸送的問題進行了分析研究，并在此基礎上提出了土壤溫度場模型和原油順序輸送時所產(chǎn)生的非穩(wěn)態(tài)溫度場的模型；楊云鵬、鹿廣輝等[11-12]對冷熱輸送埋地管道的土壤傳熱進行了研究，通過建立土壤蓄熱模型，利用CFD模擬軟件，針對不同工況進行模擬，得出了輸送過程中土壤蓄熱和交替過程中溫度場的變化以及溫度場漂移的規(guī)律。

本文從冷熱原油交替輸送過程中土壤溫度場的變化以及溫度場的重建角度出發(fā)，利用CFD軟件模擬了不同季節(jié)溫度場變化情況，并以冬季條件為例，模擬再次改輸熱油時溫度場重建所需要的條件，以期為冷熱油交替輸送安全提供理論支持。

1 模型的建立

1.1 模型及網(wǎng)格劃分

埋地管道和土壤形成一個半無限大環(huán)境，但是熱油管道的熱力影響有一定的范圍。當管道外徑D<1 m時，熱力影響區(qū)域的范圍不超過10 m[13]。以長吉輸油管線某段管道進行實例計算，管道外徑為508.0 mm，壁厚為6.4 mm，管道埋地深度為1.5 m。因此，建立深10 m、寬10 m的模型滿足計算要求。在建模過程中，考慮到計算區(qū)域具有對稱性，設置了對稱邊界條件以減少網(wǎng)格數(shù)量，加快計算速度。建立5 m×10 m的計算區(qū)域，計算區(qū)域的網(wǎng)格模型如圖1所示。網(wǎng)格劃分采用非結(jié)構三角形網(wǎng)格，為了提高管道附近傳熱的模擬效果，在管道周圍進行局部網(wǎng)格加密。

圖1 計算區(qū)域的網(wǎng)格模型

1.2 控制方程和邊界條件

熱傳導方程：

(1)

式中，ρ為密度，kg/m3；c為比熱容，J/(kg·℃)；λx、λy、λz為分別為x、y、z方向的導熱系數(shù)，W/(m·℃);T為溫度，℃；t為時間，s；qi為內(nèi)部熱源密度，W/m2。

邊界條件如下：

(1)絕熱邊界。在x=5 m處，界面與外界不進行換熱。

(2)

(2)換熱邊界。在管道外徑和y軸處進行熱量交換。

(3)

(4)

式中，r為管道的外半徑，mm；λd為管壁當量導熱系數(shù)，W/(m·℃)；Td為管壁溫度，℃；α1為油品與管壁的換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；Ty為原油溫度，℃；λs為土壤導熱系數(shù)，W/(m·℃)；α2為土壤與大氣的換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；Tair為大氣溫度，℃。

(3)恒溫邊界。在y=10 m處，界面溫度恒定。

T=const，y=10m

(5)

1.3 物性與相關參數(shù)設置

在本算例中，大慶油出站溫度為42.0 ℃，進站溫度為35.7 ℃，模擬進站截面土壤溫度，熱油溫度場形成后，改輸俄油的溫度為10.0 ℃。如圖1所示網(wǎng)格模型的頂端邊界為地面，設為對流換熱邊界，與大氣進行對流換熱，對流換熱系數(shù)α2=16.5 W/(m2·℃)；底端邊界為土壤的恒溫層，設恒溫邊界；左邊為對稱邊界；右邊為熱力影響區(qū)末端，設為絕熱邊界；管壁設置為油品與管壁對流換熱，換熱系數(shù)α1=120.0 W/(m2·℃)。土壤密度ρs=1 455 kg/m3，土壤導熱系數(shù)λs=1.5 W/(m·℃)，比熱容cs=2 225 J/(kg·℃)。設置地表溫度：夏季為25.0 ℃，冬季為-10.0 ℃，恒溫層溫度為10.0 ℃。

2 模擬結(jié)果與分析

季節(jié)因素對冷熱順序輸送的影響主要體現(xiàn)在大氣環(huán)境溫度，夏季和冬季的大氣溫度相差比較大，環(huán)境溫度對管道的作用也不盡相同。

2.1 輸送熱油時的溫度場

輸送熱油一段時間后，夏冬季節(jié)輸送熱油進站截面土壤溫度場在自然溫度場和熱油溫度場的共同作用下，土壤溫度場逐步穩(wěn)定并達到平衡，土壤蓄熱達到最大。夏季和冬季輸送熱油時的溫度場如圖2所示。由圖2可以看出，熱油管道形成的高溫溫度場主要在熱油管道附近，管道上下兩側(cè)的熱力分布并不均勻。這是因為：管道上側(cè)靠近地表，土壤與大氣進行對流換熱，熱量散失比較嚴重，導致熱力影響帶比較窄。對比夏冬兩季的溫度場可以發(fā)現(xiàn)，由于地表溫度不同，熱量散失程度也不同，夏季熱力影響區(qū)域大于冬季。

(a) 夏季 (b) 冬季

2.2 改輸冷油時的溫度場

夏季和冬季改輸冷油10、40 h的溫度場云圖如圖3所示。

10 h 40 h

10 h 40 h

(b) 冬季

圖3 夏季和冬季改輸冷油10、40 h的溫度場云圖

隨著冷油的持續(xù)輸送，冷油從土壤吸收熱量，輸送熱油時形成的溫度場開始被破壞。由圖3可知，輸送冷油時溫度場只在一定范圍內(nèi)發(fā)生改變，也從側(cè)面驗證了熱力影響區(qū)的假設是正確的；冬季大氣溫度低，不斷進行對流熱交換，管道上方溫度散失速度比管道下方更快，而夏季大氣溫度高，上下散熱則較均勻。

將模擬的數(shù)據(jù)導出，由于網(wǎng)格和數(shù)據(jù)量比較大，本文只導出模型沿x方向不同輸送時間的數(shù)據(jù)，用Origin軟件繪制折線圖。夏季和冬季改輸冷油x方向的溫度變化曲線如圖4所示。

(a) 夏季

(b) 冬季

從圖4可以看出，季節(jié)因素對改輸冷油后溫度場的破壞影響很大；冬季改輸冷油120 h后，熱油溫度場被破壞殆盡，而夏季在改輸冷油120 h后，雖然熱油溫度場被破壞一部分，但由于土壤溫度高，冷油仍然從土壤吸熱，溫度場不能被完全破壞。

2.3 再次改輸熱油時的溫度場

土壤溫度場被破壞后再次改輸熱油時，需要提高熱油溫度，以滿足安全需求。以熱油進站溫度45.0 ℃為例，模擬冬季再次改輸熱油溫度場。熱油進站溫度為45.0 ℃、改輸時間為30 h的土壤溫度場如圖5所示。當進站熱油溫度為45.0 ℃時，通過反算得出，達到出站溫度53.0 ℃所需的輸送時間約為30 h，此時可恢復到開始時熱油溫度場的蓄熱量。

3 結(jié) 論

(1)在冷熱順序輸送過程中，當先行熱油輸送時，在一定范圍內(nèi)形成的土壤蓄熱、溫度分布與大氣環(huán)境有關。冬季大氣溫度較低，與地表形成強烈的對流場，管道上方熱量散失多，等溫線上密下疏，熱力影響區(qū)形成上窄下寬的近似圓環(huán)型。

(2)冬季改輸冷油后，溫度場的蓄熱作用開始體現(xiàn)，對冷油輸送有加熱過程，熱油管道形成的熱油溫度場開始遭到破壞，120 h后熱油溫度場基本被破壞，蓄熱消耗殆盡。對比冬季，夏季改輸冷油后熱量消耗緩慢，改輸120 h后，先前的熱油溫度場的蓄熱被消耗，但是因為夏季地溫較高，可繼續(xù)對冷油放熱，所以高溫溫度場不能被完全破壞。

(3)當土壤溫度場被破壞，再次輸送熱油時，需要提高熱油溫度，以保證熱油安全。

在實際輸送中，可把交替輸送中的溫度場變化作為參考依據(jù)之一，合理安排冷熱油的加熱溫度和交替輸送的時間，確保輸送安全。

圖5 熱油進站溫度為45.0 ℃、改輸時間為30 h的土壤溫度場

[1] 楊筱蘅.輸油管道設計與管理[M].北京：石油工業(yè)出版社，2006：202-203．

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(編輯 宋錦玉)

Study on Temperature Field Reconstruction of Cold and Hot Crude Oil Transportation

Ding Jinjin1,2， Liu Dejun1， Tang Shaomeng1， Ren Shuai3， Yu Huan4

(1.CollegeofPetroleumEngineering，LiaoningShihuaUniversity，F(xiàn)ushunLiaoning113001，China； 2.DepartmentofOilStorage，SinopecJinlingPetrochemicalCorporation，NanjingJiangsu210033，China； 3.InnerMongoliaWesternNaturalGasPipelineCorporation，EerduosiInnerMongolia017000，China； 4.NingboBranch，AnhuiShihuaEngineeringandTechnologyCorporation，NingboZhejiang315000，China)

The soil section model of cold and hot oil pipelines was established and the CFD software was used to simulate the variation of soil temperature field in summer and winter and soil temperature field reconstruction. The results showed that the hot oil temperature field was destroyed after 120 h after changing to transport cold oil in winter. In summer, the process was slow due to the ground temperature high and the temperature field could not be completely destroyed. When the accumulation of heat was destroyed in winter, the temperature of the hot oil need be raised to ensure the safety of transporting. Taking the example of Changchun to Jilin pipeline in winter, the accumulation of soil heat was completely destroyed after transporting 240 h cold oil .When it was changed to hot oil, the out-station temperature would be increased to 53 ℃ and transport 30 h, which could return to previously stable oil temperature field. In actual, the results could be used as a reference to ensure the transportation safety.

Alternate transportation； Soil temperature field； Temperature field failure； Temperature field reconstruction； Transportation safety

1672-6952(2017)01-0034-04

投稿網(wǎng)址：http://journal.lnpu.edu.cn

2016-06-27

2016-08-29

丁晉晉(1990-)，男，碩士研究生，從事原油順序輸送方面的研究；E-mail：530039052@qq.com。

劉德俊(1967-)，男，碩士，副教授，從事原油及成品油管道輸送技術研究；E-mail：ldj8448@163.com。

TE832.2

A

10.3969/j.issn.1672-6952.2017.01.007