埋地?zé)嵊凸艿垒S向溫降仿真分析

包日東， 趙騰飛， 李珊珊

(沈陽(yáng)化工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng) 110142)

埋地?zé)嵊凸艿垒S向溫降仿真分析

包日東， 趙騰飛， 李珊珊

(沈陽(yáng)化工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng) 110142)

為了降低熱油管道輸送中的運(yùn)行能耗，在考慮大氣溫度和管道埋深處土壤自然溫度場(chǎng)的準(zhǔn)周期變化規(guī)律、總傳熱系數(shù)、油品流速對(duì)沿程溫降影響的條件下，建立油流溫降模型,并給出解析解,詳細(xì)分析了長(zhǎng)輸熱油管道加熱站出站油溫、油流沿線溫降變化規(guī)律.這對(duì)熱油管道生產(chǎn)運(yùn)行工作制度的制定具有重要的理論價(jià)值，為埋地?zé)嵊凸艿赖钠椒€(wěn)低耗運(yùn)行提供可靠的理論依據(jù).

埋地?zé)嵊凸艿溃?沿程溫降； 土壤溫度； 仿真分析

目前在易凝高黏油品管道輸送過(guò)程中，通常將油品進(jìn)行加熱輸送，降低黏度，使其在管道輸送時(shí)不凝固，以降低輸送過(guò)程中的動(dòng)力損耗[1].加熱油品沿管道流動(dòng)，油品中的熱量不斷向周圍的介質(zhì)中傳遞，導(dǎo)致油品溫度不斷下降.由于油品沿程溫度與油品的質(zhì)量流量、油品與管道外部的溫差、管道總熱阻等參數(shù)有關(guān)，且不容易準(zhǔn)確確定，因此，為了保證安全輸送，油品初始溫度一般較高.在輸送過(guò)程中周圍環(huán)境對(duì)其溫度變化影響很大，其溫降過(guò)程一般為非穩(wěn)態(tài)的傳熱過(guò)程[2].另外，大氣溫度的周期性交替變化也會(huì)影響管道環(huán)境溫度的變化，從而影響到油品的沿程溫度.本文考慮大氣溫度和管道埋深處土壤自然溫度場(chǎng)的準(zhǔn)周期變化規(guī)律[3]，采用管道分段計(jì)算的方法，仿真分析長(zhǎng)輸熱油管道加熱站出站油溫、油流沿線溫降變化規(guī)律，旨在為埋地?zé)嵊凸艿赖钠椒€(wěn)低耗運(yùn)行提供理論依據(jù).

1 熱油管道沿程溫降

油品在加熱站中加熱之后進(jìn)入輸油管道，油品在管道輸送過(guò)程中，由于油品不斷向周圍散熱，所以，油流溫度有所降低.在實(shí)際工程中，由于土壤自身熱容量比較大，土壤溫度場(chǎng)變化比較慢，使得輸油管道在工作一些時(shí)間后才能達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)[4]，因此，對(duì)于熱油管道軸向溫降，需要在熱力、水力相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)的前提下進(jìn)行模擬計(jì)算.

1.1 土壤自然溫度場(chǎng)隨季節(jié)的變化

據(jù)統(tǒng)計(jì)，以年為周期的大氣溫度隨時(shí)間呈周期性變化，其規(guī)律可以近似看為簡(jiǎn)諧波動(dòng)[5]:

(1)

式中：Ta為大氣溫度，℃；Tam為年平均氣溫，℃;Ta max為一年內(nèi)日平均最高氣溫，℃；t1為一年內(nèi)日平均溫度最高日算起的時(shí)間，s；t0為一年計(jì)算時(shí)間，s.

可以把大氣向土壤的傳熱過(guò)程視為半無(wú)限大均勻介質(zhì)中的一維傳熱問(wèn)題，其微分方程為:

(2)

式中：α為土壤導(dǎo)溫系數(shù)，m2/s；h為距地表距離，m.

取大氣-土壤邊界為第三類邊界條件，得時(shí)間與深度對(duì)土壤自然溫度的影響的變化規(guī)律為:

T0(h,t1)=Tam+(Ta max-Tam)φ·

(3)

(4)

(5)

1.2 管道軸向溫降

穩(wěn)定工況下，在長(zhǎng)度為dl的微元管段上能量平衡方程式如下：

KπD(T-T0)dl=-GcdT+gGidl

(6)

式中：T為微元段上油溫，℃；G為油品質(zhì)量流量，kg/s；i為油流水力坡降；dT為流經(jīng)dl長(zhǎng)度后，油流產(chǎn)生的溫降.

在管道長(zhǎng)度為L(zhǎng)的管段上，設(shè)總傳熱系數(shù)K為一個(gè)常數(shù)，則對(duì)等式(6)整理并積分，能夠得到沿程溫降計(jì)算公式，即列賓宗公式：

T=Tzexp(aΔL)+(T0+b)·

[1-exp(aΔL)]

(7)

式中：G為油品的質(zhì)量流量，kg/s;c為輸油平均溫度下油品比熱容，J/(kg·℃)；D為管道外直徑，m；L為管道輸送的長(zhǎng)度，m；K為管道總傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；T為管段開(kāi)端處油溫，℃；Tz為管段終端處油溫，℃；T0為周圍介質(zhì)溫度，其中埋地管道取管中心埋深處自然地溫，℃；g為重力加速度，m2/s.

將式(3)代入式(7)，可得一年內(nèi)管道沿線油溫隨時(shí)間變化的計(jì)算式：

T=Tzexp(aΔL)+[1-exp(aΔL)]{Tam+

(8)

2 仿真模型

管道埋深、油溫高低、流速大小、原油的物性參數(shù)、管道直徑以及土壤的物理性質(zhì)、管道和土壤接觸的緊密程度、管道內(nèi)壁結(jié)蠟的厚度等等，都是影響油品向外傳遞熱量的因素，鑒于埋地管道周圍溫度計(jì)算的復(fù)雜性，為便于模擬其求解和分析，做如下一些假設(shè)[6-8]：

(1) 土壤本身存在溫度場(chǎng)，并且在距離底邊深度H=8 m處，地表溫度及輸油管道散熱情況對(duì)該處影響隨時(shí)間變化極小，假設(shè)該處溫度為恒溫；

(2) 在距離輸油管水平上方的一定距離處，管道散熱對(duì)其溫度影響忽略不計(jì)，并且為絕熱邊界，無(wú)熱量交換；

(3) 假設(shè)管道與土壤之間只通過(guò)導(dǎo)熱進(jìn)行熱交換；

(4) 土壤為連續(xù)均勻的介質(zhì)；

(5) 將原油在管道內(nèi)的流動(dòng)情況視為一維流動(dòng)，取油品的溫度、流速、壓力等參數(shù)為管道界面的平均值；

(6) 將原油視為不可壓縮流體；

(7) 忽略原油管道管壁的熱阻；

若直接建立20 km的管道模型，對(duì)計(jì)算機(jī)負(fù)荷太大，無(wú)法進(jìn)行計(jì)算，所以對(duì)物理模型進(jìn)行簡(jiǎn)化：以L=1 000 m為步長(zhǎng)進(jìn)行計(jì)算，距離地表深H=8 m處為恒溫層即絕熱邊界.簡(jiǎn)化模型如圖1所示.

圖1 埋地?zé)嵊凸艿赖暮?jiǎn)化模型

3 仿真分析

3.1 管道埋深處地溫年周期變化

以東北地區(qū)為例進(jìn)行分析，大氣最高溫度出現(xiàn)在一年中的第201天，大氣最低溫度出現(xiàn)在一年中的第20天，空氣最高溫度Tmax=35 ℃，空氣年平均溫度Tam=8 ℃，土壤導(dǎo)熱系數(shù)λs=1.4 W/(m·℃)，土壤導(dǎo)溫系數(shù)α=5.3×10-7m2/s，地表風(fēng)速Va=1.0 m/s，管道埋深h=1.5 m.管道埋深處地溫年周期變化如圖2所示.

圖2 管道埋深處土壤溫度隨大氣溫度的周期變化

從圖2管道埋深處土壤自然溫度隨季節(jié)變化的準(zhǔn)周期規(guī)律看出：管道埋深1.5 m處的土壤的自然溫度比地表溫度的變化趨勢(shì)滯后約35 d左右，且埋深處土壤溫度變化較地表溫度的變化平緩.

3.2 埋地管道沿程溫降仿真分析

設(shè)置管道埋深2 m，管徑0.74 m，管長(zhǎng)20 km，保溫層厚度取30 mm.土壤物性參數(shù)為：密度1 680 kg/m3，比熱容2 100 J/(kg·℃)，導(dǎo)熱系數(shù)1.512 W/(m·℃).保溫層材料為聚氨酯硬質(zhì)泡沫塑料，其密度為60 kg/m3，比熱容700 J/(kg·℃)，導(dǎo)熱系數(shù)0.04 W/(m·℃).傳熱系數(shù)計(jì)算可參考文獻(xiàn)[1].設(shè)管道入口為速度入口，出口處為自由流出，土壤上下層邊界為溫度邊界，上邊界溫度取地表溫度，即20 ℃，下邊界取4 ℃.土壤的初始溫度為8 ℃，管道起點(diǎn)油溫60 ℃.

分別對(duì)不同總傳熱系數(shù)、不同流速時(shí)沿程溫降進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果如圖3和圖4所示.

由圖3可以看出：不同總傳熱系數(shù)K的沿程溫降是不同的，隨著K值的增大，沿程溫降不斷加快，因此，在對(duì)管道軸向溫降進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)，應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)腒值，避免產(chǎn)生不必要的誤差.

圖3 不同總傳熱系數(shù)沿程溫降

圖4 不同流速沿程溫降

由圖4可以看出不同流速時(shí)沿程溫降的對(duì)比，隨著流速的增大，沿程溫降不斷減小，但在管道實(shí)際輸送過(guò)程中還需要考慮其它因素，因此，可以選擇適當(dāng)?shù)挠推妨魉僖赃_(dá)到最佳的經(jīng)濟(jì)輸送效果.

對(duì)夏季地溫20 ℃、冬季地溫-10 ℃時(shí)管道起點(diǎn)處周圍土壤溫度場(chǎng)仿真計(jì)算結(jié)果如圖5和圖6所示.

圖5 夏季土壤溫度場(chǎng)分布

圖6 冬季土壤溫度場(chǎng)分布

通過(guò)圖5與圖6土壤溫度場(chǎng)的對(duì)比可以看出：由于在冬季油品與周圍土壤溫差較大，管道向周圍散熱量大，因此，冬季管道周圍土壤溫度場(chǎng)明顯比夏季密集.同時(shí)由于冬季地表溫度低于土壤恒溫層的溫度，使得管道上方土壤溫度梯度比管道下方大；夏季地表溫度則高于土壤恒溫層溫度，管道下方土壤溫度梯度要比上方大.

將地溫年度變化代入進(jìn)行模擬計(jì)算，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，得到加熱站出站油溫的年變化曲線，如圖7所示.

圖7 加熱站出站油溫的年變化規(guī)律

由圖7可知：加熱站出站油溫在一年內(nèi)是隨時(shí)間波動(dòng)變化的，在各種不同流速下其波動(dòng)的規(guī)律相同，與管道埋深處土壤的自然溫度變化規(guī)律正好相反，即當(dāng)管道埋深處土壤的自然溫度最低時(shí)，所需的加熱站出站油溫最高，當(dāng)管道埋深處土壤的自然溫度最高時(shí)，所需的加熱站出站油溫最低，這主要是由土壤蓄熱量和油流向土壤的散熱量不同所導(dǎo)致.所以，從降低能耗的優(yōu)化運(yùn)行角度出發(fā)，加熱站對(duì)油品的加熱溫度應(yīng)該在一年內(nèi)隨時(shí)間不斷調(diào)整，致少應(yīng)做到隨季節(jié)進(jìn)行必要的調(diào)整.

4 結(jié) 論

管道埋深處的土壤的自然溫度比地表溫度的變化趨勢(shì)滯后35 d左右，為了降低熱油管道加熱能耗,應(yīng)盡量保持進(jìn)站油溫在略高于允許的進(jìn)站溫度的穩(wěn)定狀態(tài)下運(yùn)行,因此，加熱站的出站溫度應(yīng)根據(jù)年內(nèi)管道埋深處土壤溫度的準(zhǔn)周期變化規(guī)律來(lái)做季節(jié)性的調(diào)整，而不應(yīng)該全年只采用一種加熱站出站油溫.對(duì)不同的總傳熱系數(shù)、不同流速，應(yīng)當(dāng)采用不同的出站油溫.當(dāng)管道埋深處的土壤溫度較高時(shí)，降低加熱站的出站油溫；當(dāng)管道埋深處的土壤溫度較低時(shí)，再提高加熱站的出站油溫.

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Simulation Analysis of Buried Heat Oil Pipeline

BAO Ri-dong, ZHAO Teng-fei, LI Shan-shan

(Shenyang University of Chemical Technology, Shenyang 110142， China)

Basis on the aim of reducing energy consumption of heating oil pipeline operation,the mathematical model of temperature during oil transportation was established,considered the influence of the periodic and unsteady temperature of atmosphere and pipeline surrounding soil,the heat transfer coefficients,the flow rates to the on-the-way temperature drop.The outlet temperature of heat operating station,and the changing laws of temperature reducing were simulated using the pipeline segmentation method.The result can provide a scientific basis for actual production and management,significance to pipeline safe operation and energy saving.

buried heat oil pipeline; on the way temperature drop; the oil temperature; simulation analysis

2015-05-20

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51275315)

包日東(1967-)，男，福建上杭人，教授，博士，主要從事輸流管道流固耦合振動(dòng)與控制的研究.

2095-2198(2017)02-0158-04

10.3969/j.issn.2095-2198.2017.02.013

TE832

： A