埋地保溫管道和非保溫管道停輸溫降規(guī)律對(duì)比研究

聶超飛，蘭 浩，范華平，閆 鋒，李其撫，刁 宇

1.中國(guó)石油管道科技研究中心，河北廊坊 065000

2.北京油氣調(diào)控中心，北京 100083

埋地長(zhǎng)輸原油管道有保溫管道和非保溫管道兩種[1]。管道輸送過程中，軸向?qū)α鲹Q熱遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于徑向?qū)醄2]，相比非保溫管道，保溫管道散熱更少、溫降更小，加熱能耗更低，經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)。管道停輸過程中，軸向?qū)α鲹Q熱幾乎消失，管內(nèi)油溫變化是“徑向熱阻”與“周圍土壤溫度場(chǎng)”共同作用的結(jié)果，并與停輸時(shí)長(zhǎng)有關(guān)[3-4]。對(duì)于非保溫管道，徑向熱阻小，但管內(nèi)原油與周圍土壤間溫差也較?。粚?duì)于保溫管道，徑向熱阻大，但管內(nèi)原油與周圍土壤間溫差也較大[5-6]。針對(duì)埋地非保溫管道、新建保溫管道和在役多年保溫管道三種保溫效果差異性較大的熱油管道，本文通過數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)比研究了此三種管道在停輸過程中管內(nèi)油溫的變化規(guī)律和熱力性能差異。

1 仿真模擬分析

1.1 保溫層導(dǎo)熱系數(shù)選取

埋地管道保溫材料常常采用聚氨酯硬質(zhì)泡沫塑料，其導(dǎo)熱系數(shù)可取0.035～0.047 W/（m·℃）[7]。某保溫管道剛出廠時(shí)整條管道的平均導(dǎo)熱系數(shù)為0.039 W/（m·℃），放置6年后，整管的平均導(dǎo)熱系數(shù)變?yōu)?.052 W/（m·℃），比剛出廠時(shí)增大33%[8-9]。中石油管道工程設(shè)計(jì)文件中也有說明，新建管道保溫層導(dǎo)熱系數(shù)一般在0.027～0.036 W/（m·℃）之間。因此，本文開展仿真模擬過程中，綜合考慮新建管道和在役多年管道的保溫特性，模型中保溫層導(dǎo)熱系數(shù)取0.025、0.055 W/（m·℃）兩種極端工況。

1.2 仿真模擬

1.2.1 算例一

本文中的仿真模擬采用SPS軟件，以代號(hào)為JH線、TJ線、TF線和CH線的四條熱油管道的部分管段的幾何參數(shù)和運(yùn)行工況為建模依據(jù)，并根據(jù)對(duì)比研究的需要作適當(dāng)假設(shè)和調(diào)整。仿真模型中，非保溫管道保溫層厚度取0 mm；管道保溫層導(dǎo)熱系數(shù)取0.025、0.055 W/（m·℃），分別代表新建保溫管道、在役多年保溫管道，而后通過模擬計(jì)算，對(duì)比分析不同類型管道停輸過程中管內(nèi)油溫變化規(guī)律的差異性。模擬管段的具體幾何參數(shù)和運(yùn)行工況見表1，保溫層厚度均為40 mm。

表1 模擬算例一的參數(shù)取值

此四種管道在給定的出站溫度和流量下運(yùn)行至穩(wěn)定工況，然后分別模擬研究其停輸48 h內(nèi)各管段首端和末端油溫的變化情況，計(jì)算結(jié)果如圖1～4所示。

從模擬算例的計(jì)算結(jié)果可以看出：

（1）對(duì)于管段首端的停輸溫降，在停輸時(shí)間較短的情況下（本文算例在20 h以內(nèi)），非保溫管道的停輸溫降速率和溫降幅度要大于保溫管道，即停輸初期保溫管道的熱力安全性更優(yōu)。然而，隨著停輸時(shí)間的延長(zhǎng)，非保溫管道的停輸溫降速率逐漸變小，并且在停輸20 h以后，非保溫管道內(nèi)的油溫開始高于保溫效果較差管道（保溫層導(dǎo)熱系數(shù)0.055 W/（m·℃））的停輸油溫。在停輸48 h終了時(shí)刻，非保溫管道內(nèi)的油溫介于兩種保溫效果之間，而停輸溫降速率已經(jīng)比兩種保溫效果的管道都要小。

圖1 JH線管段首端和末端油溫停輸溫降

圖2 TJ線管段首端和末端油溫停輸溫降

（2）對(duì)于管段末端的停輸溫降，由于停輸前非保溫管道末端的油溫明顯低于保溫管道，因此停輸過程中非保溫管道的油溫始終低于保溫管道。但是，需要注意的是，從溫降曲線的斜率來看，非保溫管道末端的停輸溫降速率總體上要小于保溫管道，這主要是由于非保溫管道末端管內(nèi)外溫差較小所致。

圖3 TF線管段首端和末端油溫停輸溫降

圖4 CH線管段首端和末端油溫停輸溫降

1.1.2 算例二

實(shí)際生產(chǎn)中，保溫管道沿線也可能存在局部非保溫管段，各保溫管段的實(shí)際保溫效果也存在一定差異。以JH管道為例，該管道定向鉆河流穿越管段采用無保溫敷設(shè)，同時(shí)根據(jù)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)反算出的沿線各保溫管段的傳熱系數(shù)也存在較大差異。本節(jié)以JH管道幾何參數(shù)和實(shí)際運(yùn)行工況為依據(jù)進(jìn)行建模，通過模擬計(jì)算，對(duì)比分析不同管段在停輸過程中油溫變化規(guī)律的差異性。JH管道相關(guān)參數(shù)和運(yùn)行工況見表2。

表2 模擬算例二的參數(shù)取值

管道在給定的首端溫度和流量（230 m3/h）下運(yùn)行至穩(wěn)定工況，然后分別模擬研究其停輸48 h內(nèi)各管段首端和末端油溫的變化情況，計(jì)算結(jié)果見圖5。

從圖5可以看出，對(duì)于JH管道沿線各管段的首端油溫，停輸過程中降溫幅度和降溫速率各不相同，如“中間站-6#站”管段首端停輸前油溫較高（55℃），停輸48 h后，該處油溫已基本降至最低，在所有保溫管段中降溫最為明顯，且降溫速率大于“首站-1#站”非保溫管段。對(duì)于JH管道沿線各管段的末端油溫，“中間站-6#站”保溫管段和“首站-1#站”非保溫管段初始停輸過程中降溫速率較快，但由于停輸時(shí)中間站進(jìn)站油溫較低，因此本算例中停輸48 h后，該處仍然是沿線熱力最薄弱的環(huán)節(jié)。

綜合算例一和算例二模擬結(jié)果可知，不能想當(dāng)然地認(rèn)為停輸期間保溫管段一定比非保溫管段溫降慢、溫降小，需要通過模擬計(jì)算科學(xué)地預(yù)測(cè)停輸溫降。

2 結(jié)論

綜上所述，埋地保溫管道與非保溫管道的熱力性能和停輸溫降規(guī)律存在較大差異，而且在正反輸送、間歇輸送、冷熱交替輸送等運(yùn)行工藝下的熱力工況更為復(fù)雜。因此，對(duì)于管道停輸溫降，需要借助仿真模擬計(jì)算，綜合考慮管內(nèi)油溫、徑向熱阻、土壤溫度場(chǎng)、停輸時(shí)長(zhǎng)等各方面因素，給出客觀科學(xué)的預(yù)測(cè)結(jié)果。

圖5 JH管道沿線各管段首端和末端停輸溫降

近年來，圍繞節(jié)能降耗運(yùn)行目標(biāo)，新建埋地保溫管道的數(shù)量不斷增加。對(duì)此，既要充分肯定保溫管道的節(jié)能優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也要注意保溫管道與非保溫管道在停輸過程中的熱力性能差異，不能想當(dāng)然地認(rèn)為停輸期間保溫管道一定比非保溫管道溫降慢、溫降小。在生產(chǎn)運(yùn)行管理過程中，需要結(jié)合仿真模擬具體問題具體分析，科學(xué)決策，杜絕簡(jiǎn)單慣性思維。

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