冷熱原油長距離順序輸送動態(tài)傳熱特性數(shù)值研究

青樹勇代 卿郭鴻雁杜明俊崔 奇揚(yáng)子寧

(1.中國石油集團(tuán)工程設(shè)計有限責(zé)任公司北京分公司,北京100000;2.中國石油集團(tuán)工程設(shè)計有限責(zé)任公司西南分公司,四川成都610000;3.中國石油集團(tuán)工程設(shè)計有限責(zé)任公司華北分公司,河北任丘062552)

冷熱原油長距離順序輸送動態(tài)傳熱特性數(shù)值研究

青樹勇1,代 卿2,郭鴻雁1,杜明俊3,崔 奇3,揚(yáng)子寧3

(1.中國石油集團(tuán)工程設(shè)計有限責(zé)任公司北京分公司,北京100000;2.中國石油集團(tuán)工程設(shè)計有限責(zé)任公司西南分公司,四川成都610000;3.中國石油集團(tuán)工程設(shè)計有限責(zé)任公司華北分公司,河北任丘062552)

冷熱原油順序輸送對土壤溫度場的要求及其嚴(yán)格,這也是確保冷油過后,熱油能否安全進(jìn)站的關(guān)鍵?；趥鳠釋W(xué)和流體動力學(xué),建立了埋地管道流動與傳熱控制方程,數(shù)值模擬了冷熱原油順序輸送過程中管道沿線不同位置軸向油溫及土壤溫度場的動態(tài)變化過程。研究表明,隨著出站油溫的冷熱交替周期運(yùn)行,管道沿線不同位置的管內(nèi)油溫及周圍一定范圍內(nèi)的土壤溫度場呈現(xiàn)周期性變化,并存在一定的時間或空間滯后性,且對于低輸量運(yùn)行的管道來說,超過一定輸送距離后,輸送溫度趨于一致;在熱油-冷油交替輸送過程中,熱油受前端冷油的影響,熱油頭進(jìn)站溫度最低,這是管道安全運(yùn)行方案應(yīng)考慮的主要因素。

長輸管道; 冷熱原油; 順序輸送; 動態(tài)傳熱

隨著國際石油貿(mào)易的快速發(fā)展,國內(nèi)進(jìn)口原油總量不斷提高,煉化企業(yè)的油源也形成了多元化供給模式。與國產(chǎn)原油不同,進(jìn)口原油多為低黏度、低凝點、流動性好的油品,與國產(chǎn)原油摻混加熱輸送顯然是不經(jīng)濟(jì)的[1],且不同性質(zhì)的原油直接摻混容易造成管內(nèi)油品分層,析出瀝青質(zhì),造成局部沉積,直接影響下游儲煉設(shè)施的安全[2]。冷熱原油順序輸送將成為今后原油管道的主要運(yùn)行方式。因此,對于工程設(shè)計單位來說,開展冷熱原油順序輸送工藝的技術(shù)研究至關(guān)重要。

與成品油管道順序輸送不同,冷熱原油順序輸送對土壤溫度場的要求及其嚴(yán)格,這也是確保冷油過后,熱油能否安全進(jìn)站的關(guān)鍵。目前,國內(nèi)外已有部分學(xué)者對冷熱原油順序輸送技術(shù)進(jìn)行了較為深入的研究,并取得一定成果[3-5]。崔秀國等[6]建立了冷熱原油交替輸送過程非穩(wěn)態(tài)水力、熱力數(shù)學(xué)模型。李傳憲等[7]建立了冷熱原油順序輸送水力準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)、熱力非穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型,數(shù)值模擬了冷熱原油交替輸送過程中土壤溫度場的變化規(guī)律。王凱等[8]在一定假設(shè)的前提下建立了順序輸送非穩(wěn)態(tài)傳熱數(shù)學(xué)模型,并采用熱力特征線法和有限容積法相結(jié)合的數(shù)值算法對模型進(jìn)行了求解。筆者從工程設(shè)計角度出發(fā),基于有限差分和有限單元法,研究了冷熱原油順序輸送過程的動態(tài)傳熱特性,所得結(jié)果可為實際工程設(shè)計提供一定的理論指導(dǎo)。

1 數(shù)學(xué)模型

基于一維流動理論,假設(shè)管內(nèi)油溫在同一截面上均勻分布,僅為時間和管道軸向距離的函數(shù)。由于冷熱原油的黏度差異較大,故二者交匯處假設(shè)為活塞式驅(qū)油(即不考慮混油段),通過求解連續(xù)性方程、動量方程、能量方程及流體面積方程可得出管道瞬態(tài)水力、熱力參數(shù)。

建立的控制方程:

式中,A為流體面積,m2;z為管道軸向距離,m;v為軸向Z方向的流體速度,m/s;ρo為流體密度, kg/m3;t為管道運(yùn)行時間,s;gc為量綱常數(shù);p為管道內(nèi)流體的壓力,Pa;f為摩阻系數(shù);h為熱膨脹系數(shù),1/℃;d為管道內(nèi)徑,m;U為流體的內(nèi)能,J;h為流體與管內(nèi)壁的對流換熱系數(shù),W/(m2·℃);T為流體溫度,℃;Tk為管內(nèi)壁溫度,℃;A0為管道橫截面積,m2;Am為面積系數(shù);pm為壓力系數(shù);p0為密閉輸送基準(zhǔn)壓力,Pa;T0為密閉輸送基準(zhǔn)溫度,℃。

忽略土壤的軸向傳熱,只考慮徑向傳熱。埋地?zé)嵊凸艿赖膹较騻鳠嵊扇糠纸M成,即管內(nèi)油流以對流方式將熱量傳給管道內(nèi)壁,經(jīng)管壁、保溫層將熱量傳遞給周圍土壤,再經(jīng)地表與大氣進(jìn)行對流換熱[6-8]。這里忽略水分遷移和冰水相變(計算時采用實測的含水土壤導(dǎo)熱系數(shù))對土壤溫度場的影響,建立的管道徑向非穩(wěn)態(tài)傳熱數(shù)學(xué)模型如下:

管內(nèi)壁對流換熱方程:

式中,T為流體溫度,℃;λ1為油品的導(dǎo)熱系數(shù),W/ (m·℃);h為流體與管內(nèi)壁的對流換熱系數(shù),W/ (m2·℃);Tk為管內(nèi)壁溫度,℃

管道壁、保溫層傳熱方程:

式中,i=1、2分別表示鋼管及保溫層;ρi為第i層的密度,kg/m3;ci為第i層的比熱容J/(kg·℃);Ti為各層的溫度,℃;λi為第i層的導(dǎo)熱系數(shù),W/ (m·℃);r為徑向位置,m;θ為環(huán)向弧度。

土壤導(dǎo)熱方程:

式中,ρc為土壤的密度,kg/m3;cc為土壤的比熱容, J/(kg·℃);Tc為土壤的溫度,℃;λc為土壤的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·℃)。

2 數(shù)值計算及結(jié)果分析

以東北某輸油管道為例,管線全長150 km,管徑D406 mm×7 mm,設(shè)計壓力6.3 MPa,管道中心埋深1.6 m,保溫層厚30 mm,輸送介質(zhì)為俄羅斯原油和國產(chǎn)原油,輸送方式為冷熱順序輸送,冬季最冷月管道沿線埋深處平均地溫4℃,地表環(huán)境平均溫度-15℃,平均風(fēng)速2 m/s。油品、土壤及保溫層的物性參數(shù)見表1,油品50 s-1剪切速率下的黏溫曲線見圖1。

表1 油品、土壤及保溫層物性參數(shù)表Table 1 Oil product,soil and insulation physical property parameter table

圖1 冷熱原油的黏溫特性曲線Fig.1 Viscosity temperature characteristic curve of cold&hot crude oil

目前,管道處于低輸量運(yùn)行狀態(tài),輸送流量300 m3/h,熱油出站溫度55℃,冷油出站溫度20℃,熱油頭進(jìn)站油溫不低于18℃,順序輸送周期為8 d(即冷熱原油各輸送4 d)。

2.1 冷熱原油順序輸送管道軸向溫降變化

圖2(a)給出了熱油過后,輸送冷油不同時刻管內(nèi)軸向油溫變化規(guī)律。由圖2(a)可知,隨著冷油的不斷注入,冷油頭受前端熱油和周圍土壤溫度場的作用很快被加熱。根據(jù)管輸量核算,輸送冷油12 h后,冷油頭應(yīng)到達(dá)管道29.8 km處,從軸向油溫來看,此時冷油溫度與輸送熱油時的溫度基本相同,冷油被加熱的現(xiàn)象十分明顯,這主要是由于冷油出站時,前端的熱油溫度(55℃)較高,冷熱原油溫差大,傳熱快,加之周圍土壤蓄積的熱量多,進(jìn)一步加快了油品的傳熱,使冷油前緣很快升高了一定的溫度。冷油輸送初期由于冷熱原油接觸時間短,雖然傳熱速率快,但傳遞熱量有限。因此,輸送初期管道軸向油溫過度段變化較為劇烈。隨著后續(xù)冷油的不斷注入,冷油前緣繼續(xù)吸收熱油和周圍土壤的熱量,并向冷油尾端傳遞,被加熱的冷油段不斷延長,使得管道軸向油溫過度段變化越來越平緩。管道輸送60.3 h后,冷油頭到達(dá)末站,進(jìn)站油溫39.9℃;此時整個管道內(nèi)超過20℃的原油長度約62.5 km,進(jìn)一步表明了熱油及管道周圍土壤溫度場對冷油動態(tài)傳熱特性的影響。

圖2 輸送冷/熱油時的軸向油溫變化Fig.2 The axial temperature variation of hot or cold crude oil transportation

冷油輸送96 h后,開始輸送熱油,輸送熱油時不同時刻管內(nèi)軸向油溫變化規(guī)律見圖2(b)。由圖2 (b)可以看出,管內(nèi)軸向輸送熱油與輸送冷油的油溫變化正好相反。輸送熱油時,熱油頭不斷被前端的冷油尾冷卻,加之熱油需要不斷的向土壤散熱,故熱油前緣溫降較快,輸送12 h后,熱油頭到達(dá)管道29.8 km處,油溫降至20.4℃。隨著熱油注入時間的延長,熱油前緣不斷向土壤散熱并被冷油尾冷卻降溫。60.3 h后熱油頭到達(dá)末站,進(jìn)站油溫18.2℃,即冷油尾溫度18.2℃。若該管道只輸送熱油,則進(jìn)站油溫39.8℃,與順序輸送熱油進(jìn)站油溫相差21.6℃,這部分熱損失主要用于加熱冷油尾及向土壤散熱。結(jié)合圖2可知,在冷油-熱油順序輸送過程中,冷油運(yùn)行96 h后,溫降只有1.8℃,進(jìn)一步說明了冷油對熱油輸送的影響。

圖3給出了管道沿線不同位置冷熱原油順序輸送過程中管道截面油溫變化規(guī)律。由圖3可知,隨著出站冷熱原油的周期交替輸送,管道沿線不同位置的油溫呈現(xiàn)周期性變化,但是振幅不同,并表現(xiàn)出一定的時間滯后性。這主要是受空間距離的影響,管內(nèi)冷油頭或熱油頭向前運(yùn)行需要一定的時間。由圖3不難看出,距出站距離越遠(yuǎn),管內(nèi)油溫變化幅度相對越小,這主要是由于油流從出站口開始向前運(yùn)行過程中不斷與前端油品及周圍土壤進(jìn)行熱交換,熱交換的程度越來越大,強(qiáng)度相對減弱。仔細(xì)觀察圖3還會發(fā)現(xiàn),順序輸送過程中,沿線不同位置高溫油品流經(jīng)管道截面的時間要長于低溫油品,即冷油段被加熱的長度大于熱油段被冷卻的長度。這主要是由于冷油-熱油順序輸送過程中,前端熱油及土壤傳遞給冷油的熱量多,使冷油前緣溫度升高較快,形成較長的高溫區(qū)。

圖3 順序輸送管道不同位置的油溫變化Fig.3 The oil temperature change in different positions of pipeline in sequential transportation

2.2 管道周圍土壤溫度場的變化

圖4、5分別給出了管道順序輸送4個周期后的首末站土壤溫度場云圖。結(jié)合計算的數(shù)據(jù)分析可知,管道周圍一定范圍內(nèi)的等溫線隨著出站油溫的周期變化,呈現(xiàn)周期性移動,一定范圍以外的等溫線受輸送周期及土壤傳熱滯后性的影響,等溫線波動不明顯。

圖4 輸送熱油后的首末站土壤溫度場Fig.4 The first and last station soil temperature field after the hot oil transportation

圖5 輸送冷油后的首末站土壤溫度場Fig.5 The first and last station soil temperature field after the cold oil transportation

輸送冷油前,上一批次熱油形成了較高的土壤溫度場,冷油出站后油流溫度小于土壤溫度,土壤向油流放熱,隨著輸送時間的延長,土壤溫度場逐漸降低,高溫等溫線不斷向管中心方向移動。

當(dāng)輸送熱油時,上一批次的冷油形成低溫溫度場,熱油出站后油流溫度大于土壤溫度,油流向土壤放熱,隨著輸送時間的延長,土壤溫度場重新建立,高溫等溫線不斷向遠(yuǎn)離管中心方向移動。綜上所述:隨著出站油溫的循環(huán)周期變化,沿線不同位置的管內(nèi)油溫及周圍一定范圍內(nèi)的土壤溫度場也呈現(xiàn)周期性循環(huán)變化。

圖6給出了管道首末站正上方0.5 m處,土壤溫度隨冷熱原油順序輸送過程的變化規(guī)律。由圖6可知,隨著冷熱原油周期順序輸送的進(jìn)行,首末站管道正上方0.5 m處的土壤溫度呈周期性變化。但受保溫層及土壤傳熱滯后性的影響,冷熱原油輸送過程中該處的土壤溫度波動不大,且隨著循環(huán)周期的增加,該處的溫度波動幅度進(jìn)一步減小,并逐漸趨于平穩(wěn)。循環(huán)4個周期后,首站管道正上方0.5 m處的最大波動溫差只有1.4℃。末站管道正上方0.5 m處的最大波動溫差只有1.1℃,這也進(jìn)一步說明了保溫層對熱油管道傳熱特性的影響是非常明顯的。

圖6 管道正上方0.5 m處的土壤溫度變化Fig.6 The soil temperature changes above the pipeline 0.5 m

3 結(jié)論及建議

(1)當(dāng)管道低輸量運(yùn)行時,超過一定輸送距離后,無論是冷油-熱油還是熱油-冷油順序輸送,原油溫度都趨于一致,這主要是由于隨著輸送距離和時間的延長,熱交換程度充分的緣故。(2)在分析了各類制約因素后,發(fā)現(xiàn)熱油-冷油交替輸送過程中,受前端冷油的影響,熱油頭進(jìn)站溫度最低,這是管道安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方案應(yīng)考慮的主要因素。合理確定冷油的出站溫度對整個管道安全平穩(wěn)運(yùn)行及其重要。(3)從計算的土壤溫度場來看,隨著出站油溫的交替運(yùn)行,沿線管道不同位置周圍土壤的等溫線呈周期性移動,且振幅不同,并存在空間滯后性,這主要是受不同距離處管內(nèi)油溫與土壤換熱的影響。(4)目前,關(guān)于冷熱原油順序停輸再啟動的研究還不多,且考慮的多為停輸過程的溫降變化,對其啟動壓力及啟動過程對混油的影響研究還很少。(5)對于已建的管道若想進(jìn)行冷熱原油順序輸送必須測定管道周圍的土壤溫度場,并進(jìn)行冷熱原油順序輸送數(shù)值計算,從而判斷其輸送可行性、冷熱油最佳出站溫度及順序輸送周期。6)冷熱原油順序輸送因其復(fù)雜性,致使計算過程仍需要進(jìn)行多方面的假設(shè)。因此,開展先導(dǎo)性試驗,進(jìn)一步優(yōu)化計算模型是必要的。

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(編輯 王戩麗)

Numerical Study on Dynamic Heat Transfer Characteristics of Cold and Hot Crude Oil in Long Distance Transportation

Qing Shuyong1,Dai Qing2,Guo Hongyan1,Du Mingjun3,Cui Qi3,Yang Zining3
(1.China Petroleum Engineering Co.Ltd.Beijing Company,Beijing100000,China; 2.China Petroleum Engineering Co.Ltd.Southwest Company,Chengdu Sichuan610000,China; 3.China Petroleum Engineering Co.Ltd.North Company,Renqiu Hebei062552,China)

Cold and hot crude oil orderly transportation is very strict to the temperature field of the soil,which is also the key for the hot oil to enter the station safely after the cold oil is transported.Based on heat transfer and fluid dynamics,the governing equations of flow and heat transfer of buried pipelines have been established,and the numerical simulation of the dynamic change process of cold and hot crude oil orderly transportation process along the pipeline in different axial position of the oil temperature and soil temperature field have been done.The results show that with the alternating cycle operation of temperature of the outbound crude oil,there is a periodic variation in the oil temperature of different locations along the pipeline and a certain range around the soil temperature field but a certain time or space lag.For the low throughput operation of the pipeline,more than a certain distance,the transmission temperature tends to be consistent.There is a main factor which should be considered in the pipeline safe operation plan that in the process of hot-cold oil batch transportation,hot oil inlet temperature drops to a minimum which is affected by the previous cold oil.

Long pipeline;Cold and hot crude oil;Order delivery;The dynamic heat transfer

TE832

:A

10.3969/j.issn.1006-396X.2017.01.018

1006-396X(2017)01-0092-05投稿網(wǎng)址:http://journal.lnpu.edu.cn

2016-11-08

:2016-12-18

中國石油工程設(shè)計公司管道技術(shù)改進(jìn)項目(2016JG-13)。

青樹勇(1983-),男,工程師,從事油氣管道及油氣田地面工程設(shè)計與研究;E-mail:cpebj-qingsy@163.com。

杜明俊(1983-),男,碩士,工程師,從事石油天然氣工程設(shè)計及系統(tǒng)仿真研究;E-mail:dmj260750009@163.com。