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2018-09-08 05:51:06金鈺昕姚安林吳宏雷
天然氣與石油 2018年4期
金鈺昕 姚安林 周 剛 劉 楊 吳宏雷
1. 西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院, 四川 成都 610500; 2. 中國石油工程建設(shè)有限公司西南分公司， 四川 成都 610041; 3. 中國電建集團(tuán)山東電力建設(shè)有限公司, 山東 濟(jì)南 250014; 4. 中國石化勝利油田石油開發(fā)中心有限公司, 山東 東營 257000
0 前言
目前，國內(nèi)大部分油田已處于開發(fā)中后期,油田產(chǎn)能下降,導(dǎo)致原油管道處于低輸量運(yùn)行狀態(tài)。尤其是東部地區(qū)原油具有“三高”的特點(diǎn),造成原油低輸量運(yùn)行時產(chǎn)生凝管停輸?shù)奈ｋU大大增加[1-5]。解決管道低輸量問題的一種有效方法是進(jìn)行正反輸送,如任京線、魏荊線等管道均開展過正反輸送[6-7]。目前,對正反輸送工藝的研究較少,大多集中在對正反輸運(yùn)行方案制定及經(jīng)濟(jì)性等方面的分析[8-9]。未見對正反輸送工藝溫降影響因素進(jìn)行分析,而正反輸送工藝溫降變化，對正確、合理、安全地制定反輸方案具有重要的指導(dǎo)作用。因此,對原油管道正反輸溫降影響因素進(jìn)行研究具有重要意義。本文運(yùn)用管內(nèi)油流的熱平衡方程及周圍環(huán)境的傳熱微分方程，建立輸油管道的正反輸非穩(wěn)態(tài)計算模型,并對反輸運(yùn)行時的各種溫降影響因素進(jìn)行詳細(xì)分析。
1 正反輸計算模型的建立
1.1 模型假設(shè)
實(shí)際正反輸工況中油流在管內(nèi)的流動及與周圍環(huán)境的傳熱是復(fù)雜的三維非穩(wěn)態(tài)傳熱模型,為了簡化對正反輸非穩(wěn)態(tài)計算模型的求解,做如下假設(shè)[10-14]:
1)管道橫截面上的流速相等,管內(nèi)的流動當(dāng)作一維流動。
2)油流在管內(nèi)的熱效應(yīng)只影響到周圍土壤的有限區(qū)域。
3)忽略管內(nèi)油流和周圍土壤在軸向上的傳熱。
4)管內(nèi)油溫取平均油溫,管道截面上的油溫均勻分布。
5)忽略水分運(yùn)移等對埋地溫度的影響,沿線埋地溫度取為定值。
1.2 數(shù)學(xué)模型
基于以上假設(shè)建立正反輸非穩(wěn)態(tài)計算物理模型[15-18]，見圖1。
圖1 正反輸非穩(wěn)態(tài)計算物理模型
正反輸送工藝計算模型的數(shù)學(xué)描述為:
1.2.1 管內(nèi)油流的熱平衡方程
(1)
1.2.2 結(jié)蠟層及保溫層的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程
(2)
(3)
1.2.3 土壤的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程
(4)
1.2.4 連接條件
Tbr=(R+δ0+δb)-=Tsr=(R+δ0+δb)+
(5)
(6)
Twr=(R+δ0)-=Tbr=(R+δ0)+
(7)
(8)
1.2.5 邊界條件
Ty=H=Tn
(9)
(10)
(11)
(12)
1.2.6 初始條件
Ta=φ()
(13)
Tb=fb(r,θ)
(14)
Tw=fw(r,θ)
(15)
Ts=fs(x,y)
(16)
以上正輸切換為反輸時,反輸模型周圍土壤的溫度場為正輸結(jié)束時形成的穩(wěn)態(tài)溫度場,反輸油流的熱平衡方程及周圍環(huán)境的傳熱微分方程與正輸時相同,反輸切換為正輸時原理類似。因此,僅需討論反輸開始到反輸穩(wěn)定時各因素對反輸溫降的影響。
2 實(shí)例應(yīng)用
2.1 基礎(chǔ)參數(shù)
某原油管道全長44.7 km,管徑219 mm×5.6 mm,全線設(shè)有首站、末站,輸送介質(zhì)為原油,末站進(jìn)站壓力為0.2 MPa。管道和環(huán)境相關(guān)參數(shù)見表1。
表1管道和環(huán)境相關(guān)參數(shù)
項目導(dǎo)熱系數(shù)/(W·m-1·℃-1)厚度/mm比熱容/(kJ·kg-1·℃-1)密度/(kg·m-3)管道405.60.467 800保溫層0.045402.3400土壤1.41 6001.841 300
2.2 反輸運(yùn)行溫降計算
反輸運(yùn)行溫降是以正輸切反輸操作結(jié)束時的溫降為初始條件的非穩(wěn)態(tài)過程,通過計算整個反輸運(yùn)行過程中管道每10 km距離處每一時刻管內(nèi)原油沿線的油溫,得到反輸運(yùn)行油溫隨時間變化規(guī)律,見圖2。
由圖2可知,反輸運(yùn)行開始后冷油被熱油頂擠,反向推進(jìn),并逐漸向周圍土壤散熱。冷油到達(dá)進(jìn)站口的溫度要低于正輸時的進(jìn)站溫度,這是由于管道保溫層的隔熱特性引起的,反輸時保溫層隔絕了土壤向冷油頭傳熱,使冷油頭在管道輸送過程中沒有出現(xiàn)溫升現(xiàn)象,反而出現(xiàn)了進(jìn)一步溫降。
圖2 反輸運(yùn)行油溫隨時間變化規(guī)律
另外,反輸運(yùn)行開始后出站油溫與土壤溫度之間的溫差較大,出現(xiàn)較大的溫降梯度使油溫迅速降低,隨著運(yùn)行時間的積累,由于熱油頭在管道內(nèi)不斷向前推移,出現(xiàn)溫降梯度較大的管段部分也隨之向前推移,同時,不斷有新的熱油頭對周圍土壤進(jìn)行傳熱,進(jìn)而使熱油頭與土壤之間的溫差減小,最終在20 h左右反輸運(yùn)行管道內(nèi)油溫達(dá)到穩(wěn)態(tài)。
3 反輸運(yùn)行溫降影響因素分析
3.1 出站油溫對反輸溫降的影響
由于反輸運(yùn)行開始后的溫降，不僅包括反輸運(yùn)行時冷油頭向周圍土壤的散熱，還包括反輸運(yùn)行后注入管道的熱油頭向周圍土壤的散熱,溫降變化過程較復(fù)雜。為了對反輸溫降的過程進(jìn)行更詳細(xì)的分析,根據(jù)反輸溫降特點(diǎn),將反輸溫降變化過程分為反輸溫降非穩(wěn)態(tài)階段和反輸溫降穩(wěn)態(tài)階段(見圖3 Ⅳ階段)兩個階段,其中反輸溫降非穩(wěn)態(tài)階段又可細(xì)分為反輸初始階段、冷油頭控制階段和熱油頭控制階段。以下簡稱為Ⅰ階段、Ⅱ階段、Ⅲ階段。
詳細(xì)分析不同出站油溫、輸量、埋地溫度及管徑對反輸溫降的影響,其中不同出站油溫下的反輸溫降變化規(guī)律見圖3。
圖3 不同出站油溫下的反輸溫降變化規(guī)律
由圖3可知,不同出站油溫下Ⅰ階段溫降均迅速升高,且出站油溫越高,溫降升高越快。之后在Ⅱ階段溫降逐漸升高,由于此階段進(jìn)站溫度由冷油頭的溫度形成,反輸出站油溫的變化對冷油頭的溫降沒有影響,因此隨著出站油溫的升高,不同的出站油溫的溫降趨勢變化相似。當(dāng)冷油頭被全部頂出管道時,溫降達(dá)到最大。之后在Ⅲ階段隨著熱油頭對周圍土壤的不斷蓄熱,使反輸溫降逐漸減小,并漸漸達(dá)到反輸穩(wěn)定狀態(tài)。由于出站油溫的升高,使熱油頭在管道中流動時對周圍土壤的散熱能力也增大,導(dǎo)致在Ⅲ階段反輸溫降之間的溫度差逐漸減小。
3.2 反輸輸量對反輸溫降的影響
不同反輸輸量下的反輸溫降變化規(guī)律見圖4。
圖4 不同反輸輸量下的反輸溫降變化規(guī)律
由圖4分析可知,在Ⅰ階段反輸溫降的增大速度幾乎相同,反輸輸量的增大對Ⅰ階段的反輸溫降影響很小。在Ⅱ階段由于反輸輸量的增大導(dǎo)致反輸總傳熱系數(shù)增大,冷油頭溫降增大,且反輸輸量越大溫降梯度越大;另一方面由于反輸輸量的增大,使冷油頭在管道內(nèi)的時間減小,更快地被頂出管道,這也導(dǎo)致了反輸溫降最大值的不同和出現(xiàn)時間的不同。在Ⅲ階段當(dāng)熱油頭的反輸輸量較大時,其與周圍土壤的換熱量也較大,使這一階段的反輸溫降下降也較快,更快地達(dá)到反輸穩(wěn)定狀態(tài)。
3.3 埋地溫度對反輸溫降的影響
不同埋地溫度下的反輸溫降變化規(guī)律見圖5。
圖5 不同埋地溫度下的反輸溫降變化規(guī)律
由圖5可知,在Ⅰ階段反輸溫降的增大速度幾乎相同的,埋地溫度的升高對Ⅰ階段的反輸溫降影響很小。在Ⅱ階段,一方面隨著冷油頭與周圍土壤之間的換熱,使反輸溫降逐漸增大；另一方面由于埋地溫度的升高使冷油頭與周圍土壤之間的溫差減小,使反輸總傳熱系數(shù)減小,冷油頭反輸溫降梯度減小,進(jìn)一步導(dǎo)致了在冷油頭被全部頂出管道時最大反輸溫降變小。由于熱油頭與周圍土壤之間的溫差與埋地溫度的升高產(chǎn)生的溫差相比要大得多,因此,在Ⅲ階段雖然埋地溫度較高的反輸溫降梯度較小,但不明顯。
3.4 管徑對反輸溫降的影響
不同管徑下的反輸溫降變化規(guī)律見圖6。
圖6 不同管徑下的反輸溫降變化規(guī)律
由圖6可知,在Ⅰ階段和Ⅱ階段,反輸運(yùn)行時冷油頭向周圍土壤散熱,使反輸溫降增大,且管徑變小后,管道總傳熱系數(shù)變大,冷油頭與周圍土壤之間的換熱變強(qiáng),導(dǎo)致管徑小的反輸溫降梯度也較大。反輸運(yùn)行時,管徑越小,油流流速越快，冷油頭被頂出管道需要的時間越短。同理,在Ⅲ階段,管徑越小,熱油頭與周圍土壤換熱越強(qiáng),反輸溫降梯度越大,達(dá)到反輸運(yùn)行穩(wěn)定所需的時間越短。
4 結(jié)論
本文將正反輸非穩(wěn)態(tài)過程進(jìn)行合理的簡化假設(shè),建立正反輸?shù)姆欠€(wěn)態(tài)傳熱計算模型,并求解。創(chuàng)新性地將反輸溫降過程分為反輸初始階段、冷油頭控制階段、熱油頭控制階段和反輸溫降穩(wěn)定階段四個階段進(jìn)行分析,得出:
1)對于保溫管道,反輸運(yùn)行最低溫度為冷油頭全部被頂出管道時的進(jìn)站溫度。
2)增大反輸輸量,在夏季進(jìn)行反輸運(yùn)行均能有效地提高反輸時的最低溫度,而提高出站油溫及變換管徑對升高反輸運(yùn)行最低溫度幾乎沒有作用。
3)增大反輸輸量及縮小反輸管徑均能較好地縮短反輸運(yùn)行達(dá)到穩(wěn)定所需的時間,而提高出站油溫及季節(jié)變換對反輸運(yùn)行達(dá)到穩(wěn)定所需時間的影響很小。
4)增大反輸輸量對正反輸運(yùn)行具有最積極的影響,在夏季進(jìn)行反輸更易實(shí)現(xiàn),采用小管徑管道進(jìn)行反輸運(yùn)行,反輸溫降達(dá)到穩(wěn)定所需時間較短。
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0 前言
目前，國內(nèi)大部分油田已處于開發(fā)中后期,油田產(chǎn)能下降,導(dǎo)致原油管道處于低輸量運(yùn)行狀態(tài)。尤其是東部地區(qū)原油具有“三高”的特點(diǎn),造成原油低輸量運(yùn)行時產(chǎn)生凝管停輸?shù)奈ｋU大大增加[1-5]。解決管道低輸量問題的一種有效方法是進(jìn)行正反輸送,如任京線、魏荊線等管道均開展過正反輸送[6-7]。目前,對正反輸送工藝的研究較少,大多集中在對正反輸運(yùn)行方案制定及經(jīng)濟(jì)性等方面的分析[8-9]。未見對正反輸送工藝溫降影響因素進(jìn)行分析,而正反輸送工藝溫降變化，對正確、合理、安全地制定反輸方案具有重要的指導(dǎo)作用。因此,對原油管道正反輸溫降影響因素進(jìn)行研究具有重要意義。本文運(yùn)用管內(nèi)油流的熱平衡方程及周圍環(huán)境的傳熱微分方程，建立輸油管道的正反輸非穩(wěn)態(tài)計算模型,并對反輸運(yùn)行時的各種溫降影響因素進(jìn)行詳細(xì)分析。
1 正反輸計算模型的建立
1.1 模型假設(shè)
實(shí)際正反輸工況中油流在管內(nèi)的流動及與周圍環(huán)境的傳熱是復(fù)雜的三維非穩(wěn)態(tài)傳熱模型,為了簡化對正反輸非穩(wěn)態(tài)計算模型的求解,做如下假設(shè)[10-14]:
1)管道橫截面上的流速相等,管內(nèi)的流動當(dāng)作一維流動。
2)油流在管內(nèi)的熱效應(yīng)只影響到周圍土壤的有限區(qū)域。
3)忽略管內(nèi)油流和周圍土壤在軸向上的傳熱。
4)管內(nèi)油溫取平均油溫,管道截面上的油溫均勻分布。
5)忽略水分運(yùn)移等對埋地溫度的影響,沿線埋地溫度取為定值。
1.2 數(shù)學(xué)模型
基于以上假設(shè)建立正反輸非穩(wěn)態(tài)計算物理模型[15-18]，見圖1。
圖1 正反輸非穩(wěn)態(tài)計算物理模型
正反輸送工藝計算模型的數(shù)學(xué)描述為:
1.2.1 管內(nèi)油流的熱平衡方程
(1)
1.2.2 結(jié)蠟層及保溫層的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程
(2)
(3)
1.2.3 土壤的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程
(4)
1.2.4 連接條件
Tbr=(R+δ0+δb)-=Tsr=(R+δ0+δb)+
(5)
(6)
Twr=(R+δ0)-=Tbr=(R+δ0)+
(7)
(8)
1.2.5 邊界條件
Ty=H=Tn
(9)
(10)
(11)
(12)
1.2.6 初始條件
Ta=φ()
(13)
Tb=fb(r,θ)
(14)
Tw=fw(r,θ)
(15)
Ts=fs(x,y)
(16)
以上正輸切換為反輸時,反輸模型周圍土壤的溫度場為正輸結(jié)束時形成的穩(wěn)態(tài)溫度場,反輸油流的熱平衡方程及周圍環(huán)境的傳熱微分方程與正輸時相同,反輸切換為正輸時原理類似。因此,僅需討論反輸開始到反輸穩(wěn)定時各因素對反輸溫降的影響。
2 實(shí)例應(yīng)用
2.1 基礎(chǔ)參數(shù)
某原油管道全長44.7 km,管徑219 mm×5.6 mm,全線設(shè)有首站、末站,輸送介質(zhì)為原油,末站進(jìn)站壓力為0.2 MPa。管道和環(huán)境相關(guān)參數(shù)見表1。
表1管道和環(huán)境相關(guān)參數(shù)
項目導(dǎo)熱系數(shù)/(W·m-1·℃-1)厚度/mm比熱容/(kJ·kg-1·℃-1)密度/(kg·m-3)管道405.60.467 800保溫層0.045402.3400土壤1.41 6001.841 300
2.2 反輸運(yùn)行溫降計算
反輸運(yùn)行溫降是以正輸切反輸操作結(jié)束時的溫降為初始條件的非穩(wěn)態(tài)過程,通過計算整個反輸運(yùn)行過程中管道每10 km距離處每一時刻管內(nèi)原油沿線的油溫,得到反輸運(yùn)行油溫隨時間變化規(guī)律,見圖2。
由圖2可知,反輸運(yùn)行開始后冷油被熱油頂擠,反向推進(jìn),并逐漸向周圍土壤散熱。冷油到達(dá)進(jìn)站口的溫度要低于正輸時的進(jìn)站溫度,這是由于管道保溫層的隔熱特性引起的,反輸時保溫層隔絕了土壤向冷油頭傳熱,使冷油頭在管道輸送過程中沒有出現(xiàn)溫升現(xiàn)象,反而出現(xiàn)了進(jìn)一步溫降。
圖2 反輸運(yùn)行油溫隨時間變化規(guī)律
另外,反輸運(yùn)行開始后出站油溫與土壤溫度之間的溫差較大,出現(xiàn)較大的溫降梯度使油溫迅速降低,隨著運(yùn)行時間的積累,由于熱油頭在管道內(nèi)不斷向前推移,出現(xiàn)溫降梯度較大的管段部分也隨之向前推移,同時,不斷有新的熱油頭對周圍土壤進(jìn)行傳熱,進(jìn)而使熱油頭與土壤之間的溫差減小,最終在20 h左右反輸運(yùn)行管道內(nèi)油溫達(dá)到穩(wěn)態(tài)。
3 反輸運(yùn)行溫降影響因素分析
3.1 出站油溫對反輸溫降的影響
由于反輸運(yùn)行開始后的溫降，不僅包括反輸運(yùn)行時冷油頭向周圍土壤的散熱，還包括反輸運(yùn)行后注入管道的熱油頭向周圍土壤的散熱,溫降變化過程較復(fù)雜。為了對反輸溫降的過程進(jìn)行更詳細(xì)的分析,根據(jù)反輸溫降特點(diǎn),將反輸溫降變化過程分為反輸溫降非穩(wěn)態(tài)階段和反輸溫降穩(wěn)態(tài)階段(見圖3 Ⅳ階段)兩個階段,其中反輸溫降非穩(wěn)態(tài)階段又可細(xì)分為反輸初始階段、冷油頭控制階段和熱油頭控制階段。以下簡稱為Ⅰ階段、Ⅱ階段、Ⅲ階段。
詳細(xì)分析不同出站油溫、輸量、埋地溫度及管徑對反輸溫降的影響,其中不同出站油溫下的反輸溫降變化規(guī)律見圖3。
圖3 不同出站油溫下的反輸溫降變化規(guī)律
由圖3可知,不同出站油溫下Ⅰ階段溫降均迅速升高,且出站油溫越高,溫降升高越快。之后在Ⅱ階段溫降逐漸升高,由于此階段進(jìn)站溫度由冷油頭的溫度形成,反輸出站油溫的變化對冷油頭的溫降沒有影響,因此隨著出站油溫的升高,不同的出站油溫的溫降趨勢變化相似。當(dāng)冷油頭被全部頂出管道時,溫降達(dá)到最大。之后在Ⅲ階段隨著熱油頭對周圍土壤的不斷蓄熱,使反輸溫降逐漸減小,并漸漸達(dá)到反輸穩(wěn)定狀態(tài)。由于出站油溫的升高,使熱油頭在管道中流動時對周圍土壤的散熱能力也增大,導(dǎo)致在Ⅲ階段反輸溫降之間的溫度差逐漸減小。
3.2 反輸輸量對反輸溫降的影響
不同反輸輸量下的反輸溫降變化規(guī)律見圖4。
圖4 不同反輸輸量下的反輸溫降變化規(guī)律
由圖4分析可知,在Ⅰ階段反輸溫降的增大速度幾乎相同,反輸輸量的增大對Ⅰ階段的反輸溫降影響很小。在Ⅱ階段由于反輸輸量的增大導(dǎo)致反輸總傳熱系數(shù)增大,冷油頭溫降增大,且反輸輸量越大溫降梯度越大;另一方面由于反輸輸量的增大,使冷油頭在管道內(nèi)的時間減小,更快地被頂出管道,這也導(dǎo)致了反輸溫降最大值的不同和出現(xiàn)時間的不同。在Ⅲ階段當(dāng)熱油頭的反輸輸量較大時,其與周圍土壤的換熱量也較大,使這一階段的反輸溫降下降也較快,更快地達(dá)到反輸穩(wěn)定狀態(tài)。
3.3 埋地溫度對反輸溫降的影響
不同埋地溫度下的反輸溫降變化規(guī)律見圖5。
圖5 不同埋地溫度下的反輸溫降變化規(guī)律
由圖5可知,在Ⅰ階段反輸溫降的增大速度幾乎相同的,埋地溫度的升高對Ⅰ階段的反輸溫降影響很小。在Ⅱ階段,一方面隨著冷油頭與周圍土壤之間的換熱,使反輸溫降逐漸增大；另一方面由于埋地溫度的升高使冷油頭與周圍土壤之間的溫差減小,使反輸總傳熱系數(shù)減小,冷油頭反輸溫降梯度減小,進(jìn)一步導(dǎo)致了在冷油頭被全部頂出管道時最大反輸溫降變小。由于熱油頭與周圍土壤之間的溫差與埋地溫度的升高產(chǎn)生的溫差相比要大得多,因此,在Ⅲ階段雖然埋地溫度較高的反輸溫降梯度較小,但不明顯。
3.4 管徑對反輸溫降的影響
不同管徑下的反輸溫降變化規(guī)律見圖6。
圖6 不同管徑下的反輸溫降變化規(guī)律
由圖6可知,在Ⅰ階段和Ⅱ階段,反輸運(yùn)行時冷油頭向周圍土壤散熱,使反輸溫降增大,且管徑變小后,管道總傳熱系數(shù)變大,冷油頭與周圍土壤之間的換熱變強(qiáng),導(dǎo)致管徑小的反輸溫降梯度也較大。反輸運(yùn)行時,管徑越小,油流流速越快，冷油頭被頂出管道需要的時間越短。同理,在Ⅲ階段,管徑越小,熱油頭與周圍土壤換熱越強(qiáng),反輸溫降梯度越大,達(dá)到反輸運(yùn)行穩(wěn)定所需的時間越短。
4 結(jié)論
本文將正反輸非穩(wěn)態(tài)過程進(jìn)行合理的簡化假設(shè),建立正反輸?shù)姆欠€(wěn)態(tài)傳熱計算模型,并求解。創(chuàng)新性地將反輸溫降過程分為反輸初始階段、冷油頭控制階段、熱油頭控制階段和反輸溫降穩(wěn)定階段四個階段進(jìn)行分析,得出:
1)對于保溫管道,反輸運(yùn)行最低溫度為冷油頭全部被頂出管道時的進(jìn)站溫度。
2)增大反輸輸量,在夏季進(jìn)行反輸運(yùn)行均能有效地提高反輸時的最低溫度,而提高出站油溫及變換管徑對升高反輸運(yùn)行最低溫度幾乎沒有作用。
3)增大反輸輸量及縮小反輸管徑均能較好地縮短反輸運(yùn)行達(dá)到穩(wěn)定所需的時間,而提高出站油溫及季節(jié)變換對反輸運(yùn)行達(dá)到穩(wěn)定所需時間的影響很小。
4)增大反輸輸量對正反輸運(yùn)行具有最積極的影響,在夏季進(jìn)行反輸更易實(shí)現(xiàn),采用小管徑管道進(jìn)行反輸運(yùn)行,反輸溫降達(dá)到穩(wěn)定所需時間較短。
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