埋地?zé)嵊凸艿涝腿龝r(shí)間影響因素分析

徐穎 聶鑫 成慶林 劉曉燕

摘 ?????要：針對(duì)寒區(qū)埋地?zé)嵊凸艿溃捎渺省嗫捉橘|(zhì)法建立多場(chǎng)耦合作用下停輸原油熱力模型，以穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的土壤溫度場(chǎng)為土壤熱歷史，利用Fluent 軟件進(jìn)行停輸傳熱數(shù)值模擬與分析。以管道中心點(diǎn)溫度降至凝點(diǎn)為管道內(nèi)原油全凝的判斷依據(jù)，獲得不同工況下的管道中心溫降曲線，開(kāi)展土壤埋深、大氣溫度、原油初始溫度、保溫材料等因素對(duì)管道內(nèi)原油全凝時(shí)間的影響分析。

關(guān) ?鍵 ?詞：埋地管道;含蠟原油;土壤溫度場(chǎng);傳熱模型;影響因素

中圖分類號(hào)：TQ021.3 ?????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ??????文章編號(hào)： 1671-0460（2019）08-1751-04

Abstract： For the buried hot oil pipeline in cold area， the enthalpy-porous medium method was used to establish the thermal model of crude oil in shutdown under multi-field coupling. The soil temperature field in stable operation was taken as the soil thermal history， and Fluent software was used to carry out the numerical simulation and analysis of the heat transfer. The crude oil in the pipeline can be judged to be total freezing by the temperature falling to the freezing point， and the central temperature drop curves of the pipeline under different conditions were obtained. The influence factors such as soil depth， atmospheric temperature， initial temperature of crude oil and thermal insulation materials on the total freezing time of crude oil in the pipeline were analyzed.Key words： Buried pipeline; Waxy crude oil; Soil temperature field; Heat transfer model; Influencing factors

寒區(qū)熱油管道停輸過(guò)程中，由于管道內(nèi)外存在溫差，原油溫度不斷下降，隨著停輸時(shí)間的增加，管道內(nèi)出現(xiàn)凝油。通過(guò)埋地管道停輸溫度場(chǎng)的研究可以合理確定允許停輸時(shí)間、再啟動(dòng)壓力，為停輸及再啟動(dòng)方案的制定提理論依據(jù)，因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者在原油停輸傳熱方面開(kāi)展了大量的研究工作[1-12]。

在埋地?zé)嵊凸艿婪矫?，盧濤等人[13]建立了飽和含水土壤埋地原油管道在低于冰點(diǎn)環(huán)境溫度下的停輸流動(dòng)和傳熱模型，結(jié)果表明土壤水分結(jié)冰界面和管道中原油凝固界面隨停輸時(shí)間向埋深方向推進(jìn)，管道頂部土壤中的結(jié)冰界面較遠(yuǎn)離管道中的結(jié)冰界面緩慢，管內(nèi)原油凝固界面也向埋深方向偏移。劉曉燕等人[14]對(duì)深埋為0.8 m的裸露和保溫集油管線進(jìn)行的模擬計(jì)算結(jié)果表明，按要求進(jìn)行保溫后，集油管線對(duì)土壤溫度場(chǎng)影響很小。Bo Yu等人[15]提出了一個(gè)物理模型來(lái)研究正常操作下埋地?zé)嵊凸艿赖膫鳠岷陀土?。該方法可以在一年中不同月份的運(yùn)行條件下，在不同的生產(chǎn)量和不同的出口溫度下進(jìn)行準(zhǔn)確的模擬。Enbin Liu等人[16]結(jié)合邊界條件，連接條件和初始條件，將熱油管道，管壁和土壤中的油的傳熱方程組合起來(lái)，構(gòu)成熱油管道停機(jī)后降溫分析的微分方程。獲得了熱油管道停機(jī)后的溫度變化，為合理確定安全停機(jī)時(shí)間和所需的再啟動(dòng)壓力提供了計(jì)算依據(jù)。Archer[17]通過(guò)比較半空間和有效圓柱幾何問(wèn)題的解決方案，對(duì)于深埋管道，有效圓柱半徑趨向于管道埋地深度的兩倍。Ovuworie[18]介紹了完全埋藏和部分埋藏管道的穩(wěn)態(tài)傳熱的近似解析解，結(jié)果表明，完全掩埋的形狀因子與數(shù)值結(jié)果符合2.5%。James W[19]采用有限差分模型計(jì)算了埋管與周?chē)?、半無(wú)限地面間流體間歇流動(dòng)的熱傳遞情況。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，采用焓—多孔介質(zhì)方法建立埋地?zé)嵊凸艿劳］斚嘧儌鳠崮Ｐ?，利用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。重點(diǎn)分析土壤埋深、大氣環(huán)境溫度、原油初始溫度、保溫材料因素對(duì)管道內(nèi)原油全部凝固時(shí)間的影響。

1 ?物理及數(shù)學(xué)模型

忽略埋地停輸熱油管道軸向傳熱，其埋地管道二維物理模型如圖1所示。管道外壁分別為保溫層和瀝青層，瀝青層外為土壤，下邊界為土壤恒溫層，上邊界為大氣，左右兩側(cè)為絕熱邊界。管道內(nèi)原油初始停輸時(shí)刻，溫度均勻分布，各層之間緊密接觸，大氣溫度取平均溫度，為定值。

將管道內(nèi)固相原油視作骨架，液態(tài)原油是存在于骨架縫隙中的流體。凝固區(qū)的原油質(zhì)量和動(dòng)量方程分別凝固區(qū)的液相原油的體積分?jǐn)?shù)X可定義用焓法表達(dá)凝固區(qū)的能量方程，其形式凝固區(qū)的液體原油和固態(tài)原油的焓凝固區(qū)的密度和導(dǎo)熱系數(shù)通過(guò)采用加權(quán)平均獲純液相系（液態(tài)原油）和純固相系（包括完全凝固的原油、管道和土壤）的焓為[7]邊界條件分別凝固區(qū)（0< X<1）分別與固相原油區(qū)（X=0）和液相原油區(qū)（X=1）之間的界面為內(nèi)部移動(dòng)邊界，由式（8）確定。數(shù)學(xué)模型中，管道及外部的保溫層、瀝青層，根據(jù)柱狀多層導(dǎo)熱理論，其當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)λpipeline為

2 ?影響因素分析

以Φ274 mm×4 mm鋼管為例，埋深1.5 m，鋼管、保溫層、瀝青等材質(zhì)相關(guān)如表1所示。大氣環(huán)境溫度-5 ℃，原油析蠟點(diǎn)47 ℃，凝點(diǎn)32 ℃，原油初始溫度60 ℃，原油其他物性參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)[20]。土壤表面與大氣之間的綜合換熱系數(shù)25 W/（m2·K）。以下對(duì)比分析中，除特別說(shuō)明外，其他參數(shù)均不變。利用fluent 軟件計(jì)算，獲得停輸前管道土壤溫度場(chǎng)如圖2所示（埋深1.5 m），以此作為停輸初始時(shí)刻土壤熱歷史，開(kāi)展停輸傳熱研究。管道中心溫度點(diǎn)最高，因此以該處溫度降為凝點(diǎn)溫度時(shí)為管道內(nèi)原油全凝的判斷依據(jù)，開(kāi)展不同因素對(duì)全凝時(shí)間影響的分析。

2.1 ?埋地深度對(duì)全部凝固時(shí)間的影響

管道與土壤相互耦合作用，分別以2、1 m埋深管道為例，分析管道內(nèi)原油中心溫度變化，其溫降曲線如圖3所示。管道中心溫度降為305 K時(shí)，可視為管道內(nèi)原油全部凝固，以此討論管道內(nèi)原油全凝時(shí)間的變化。

由圖3可知，埋深越深，管道中心位置處原油溫降速率越大。對(duì)于埋深1 m的管道內(nèi)的原油，全凝時(shí)刻約為停輸后162 h，而埋深2 m的原油全凝時(shí)刻約為244 h，凝固時(shí)間延遲了82 h。這是由于土壤蓄熱能力大，管道外土壤層相當(dāng)于增加了管道外部的熱阻，減小了管道與大氣的換熱。埋深越深，徑向熱阻越大，散熱越慢。但對(duì)于管道內(nèi)的原油，埋深改變了溫降的速率，但整體溫降變化趨勢(shì)不變。

2.2 ?大氣溫度對(duì)全部凝固時(shí)間的影響

土壤外界大氣溫度不僅決定土壤恒溫層的深度，還影響管道外土壤溫度場(chǎng)，由此影響管道內(nèi)熱油的溫降過(guò)程。分別以大氣環(huán)境溫度為263、268和273 K為例，獲得管內(nèi)中心油溫隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖4所示。

由圖4可知，三種溫度下，原油全凝時(shí)間分別約為167、208及245 h。大氣溫度越低，土壤溫度越低，管道內(nèi)原油與外界的溫差越大，則散熱越快。大氣溫度依次提高5 K，管道內(nèi)原油全凝時(shí)間分別增加了41和38 h。顯然，隨著大氣環(huán)境溫度的升高，相同的外界溫度升幅下，凝油時(shí)間的變化幅度有減小的趨勢(shì)。這是由于隨著停輸過(guò)程中原油溫度逐漸降低，原油與環(huán)境間的溫差逐漸降低，其對(duì)換熱速度的影響程度逐漸削弱。

2.3 ?原油初溫對(duì)全部凝固時(shí)間的影響

管內(nèi)原油的初始油溫越高，原油溫度到達(dá)凝固點(diǎn)的時(shí)間就越長(zhǎng)，管內(nèi)初始油溫分別為333和318 K時(shí)，管道中心處原油溫度隨時(shí)間的變化曲線見(jiàn)圖5。

由圖5可知，初始油溫分別為318和333 K時(shí)，管道內(nèi)原油全部凝固所需的時(shí)間分別約為245 h及125 h。溫度提高15 K，管道內(nèi)凝油時(shí)間明顯延長(zhǎng)，但兩條曲線變化趨勢(shì)不同。這是由于原油的析蠟點(diǎn)為318 K，由于潛熱的釋放，333 K溫度的原油溫降速率在析蠟點(diǎn)處開(kāi)始減緩，當(dāng)析蠟潛熱釋放基本完畢后，溫降速率再次增大，因此可以將管道內(nèi)原油的溫降速率分為三個(gè)階段。而對(duì)于初始溫度為318K的原油，停輸初始階段便有潛熱開(kāi)始釋放，其溫度變化速率非常緩慢。

2.4 ?保溫材料對(duì)全部凝固時(shí)間的影響

不同的管道保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)不同，因此管道內(nèi)原油溫降速率不同。分別以玻璃棉及聚氨酯為保溫材料，其導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.05 W/（m2·℃）及0.02 W/（m2·℃），獲得管道中心點(diǎn)溫降曲線如圖6所示。

保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)越大，原油與大氣之間的熱阻越小，保溫效果越差。兩種保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)相差0.03 W/（m2·℃），由圖6中可知，管道內(nèi)原油全凝時(shí)間相差約35 h。因此，工程應(yīng)用中，保溫材料的選取是影響管道內(nèi)原油的溫度變化的主要因素。

3 ?結(jié) 論

（1）利用焓—多孔介質(zhì)法，建立了大氣—土壤—管道原油多場(chǎng)耦合作用下埋地停輸熱油管道停輸熱力模型，利用Fluent軟件開(kāi)展模擬計(jì)算與分析;

（2）以管道中心點(diǎn)溫度降至凝點(diǎn)為管道內(nèi)原油全部凝固的判斷依據(jù)，分析了管道埋深、大氣溫度、原油初始溫度、保溫材料等因素對(duì)凝固時(shí)間的影響;

（3）針對(duì)不同原油初始溫度對(duì)溫降曲線變化趨勢(shì)的影響，重點(diǎn)分析了原油停輸初始溫度為析蠟點(diǎn)時(shí)的曲線變化特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] Nagano Y， Sun Y， Hishida M. Inward solidification of a high prandtl number fluid in a cooled horizontal pipe[J]. Acta Petrolei Sinica， 1985， 51（467）：2184-2192.

[2] Athanasios， Sassos， Asterios， et al. Convection in the Rayleigh-Bénard Flow with all Fluid Properties Variable[J].. Journal of Thermal Science， 2011， 20（5）：454-459.

[3] Lee H S， Singh P， Thomason W H， et al. Waxy Oil Gel Breaking Mechanisms： Adhesive versus Cohesive Failure[J].. Energy & Fuels， 2008， 22（1）：480-487.

[4] Sahand Majidia ， Ali Ahmadpour. Thermally assisted restart of gelled pipelines： A weakly compressible numerical study[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer2018， 118： 27–39.