基于聚光太陽能的油品管道減阻與節(jié)能研究*

常州大學(xué)石油工程學(xué)院

近年來，我國的工業(yè)化進(jìn)程持續(xù)快速發(fā)展，石油在我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占據(jù)重要地位。代曉東等[1]研究分析了BP公司每年發(fā)布的世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒和能源展望，預(yù)計(jì)到2040年石油、天然氣、煤炭和非化石能源將各占世界能源的四分之一，其中石油穩(wěn)定發(fā)展。我國的石油運(yùn)輸有管道運(yùn)輸、水路運(yùn)輸、鐵路運(yùn)輸和公路運(yùn)輸?shù)容斔头绞?，管道運(yùn)輸因其具有安全性好、效率高、運(yùn)輸量大、成本低等優(yōu)點(diǎn)成為石油運(yùn)輸?shù)闹饕绞?。石油管道運(yùn)輸是最適宜于輸送石油的一種運(yùn)輸方式，是連接上游石油資源與下游石油商品的有效途徑，是石油運(yùn)輸業(yè)重要的一部分[2]。孫玉龍[3]提出長(zhǎng)輸管道是我國能源消耗較大的行業(yè)，在輸送石油時(shí)需要有效地降低輸送過程中的摩擦阻力以及散熱損耗。迄今為止很多學(xué)者對(duì)如何降低石油在管道運(yùn)輸中的阻力進(jìn)行了研究。杜勇等[4]和胡景磊[5]使用DRIVE原油萃取劑進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，DRIVE原油萃取劑具有良好的原油清洗力，可改善原油品質(zhì)，減小原油在集輸過程中的流動(dòng)阻力。同時(shí)也有很多人對(duì)管道減阻劑進(jìn)行了研究，馬永義[6]對(duì)EP系列減阻劑的應(yīng)用進(jìn)行了相應(yīng)的探究。車福利等[7]通過實(shí)驗(yàn)研究了聚丙烯酰胺（PAM）溶液減阻劑的減阻性能。李恩田等[8]自行設(shè)計(jì)了管道流動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)和PIV測(cè)試系統(tǒng)，并與平板表面對(duì)比發(fā)現(xiàn)肋條具有減阻效果，并且減阻率與歸一化肋高h(yuǎn)+、雷諾數(shù)Re有關(guān)。崔迪等[9]和譚德金[10]對(duì)降凝劑、降凝技術(shù)革新進(jìn)行了一定的探討，對(duì)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展情況進(jìn)行了分析。JING和QI等[11]研究了表面潤(rùn)濕性對(duì)湍流水平流動(dòng)摩擦阻力的影響，并且對(duì)5種不同的管材進(jìn)行了研究，通過實(shí)驗(yàn)證明，表面潤(rùn)濕性對(duì)宏觀管道中流體的摩擦因數(shù)有一定影響。齊紅媛等[12]還用實(shí)驗(yàn)證明了對(duì)于相同的管輸液體，可通過更換管輸?shù)牟馁|(zhì)改變潤(rùn)濕性，進(jìn)而降低流動(dòng)阻力。

為了響應(yīng)國家“十三五”規(guī)劃中加大可再生能源的利用政策，提出了利用聚光太陽能加熱油品的減阻系統(tǒng)。利用ANSYS有限元分析方法對(duì)油品管道進(jìn)行數(shù)值模擬，并將模擬結(jié)果與理論分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，研究了管長(zhǎng)和聚光比對(duì)管道出口溫度的影響，并對(duì)減阻效果進(jìn)行了相應(yīng)的分析。

1 系統(tǒng)原理

太陽能聚光輸油管道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)在輸油管道的下方設(shè)有CPC折線形聚光器，其聚光倍數(shù)可達(dá)到2～6倍，太陽光可通過CPC聚光器上的拋物面反射聚集到石油管道表面，從而達(dá)到加熱輸油管道內(nèi)油品的目的，并且在管道的末端連接一個(gè)高效的油水板式換熱器，該換熱器可用來收集管道內(nèi)的油品在整個(gè)管道輸送過程中所獲得的熱量，實(shí)現(xiàn)能源的高效利用。

圖1 太陽能聚光輸油管道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of concentrating solar energy oil pipeline system

數(shù)值模擬主要用于計(jì)算石油經(jīng)較長(zhǎng)的管道輸送后最終石油的溫升，以及得到該溫升所節(jié)約的能量，因此模擬只對(duì)輸油管道進(jìn)行模擬，忽略管道末端原有的高效油水換熱器。同時(shí)為了簡(jiǎn)化模型并且不影響整個(gè)計(jì)算結(jié)果，在建模過程中忽略了CPC聚光器的存在，但在后續(xù)的FLUENT計(jì)算中，在太陽輻射模型里太陽射線追蹤法中的太陽直射輻照度改為經(jīng)過CPC聚光后達(dá)到的光照強(qiáng)度，這樣可以簡(jiǎn)化模型并且不會(huì)影響計(jì)算結(jié)果。如圖2所示，太陽光經(jīng)CPC聚光器聚光后的總能量主要由管道中的油品吸收，損失的能量主要為升溫后的管道與環(huán)境之間的輻射換熱與對(duì)流換熱，同時(shí)由于CPC聚光器的結(jié)構(gòu)對(duì)管道有保護(hù)作用，對(duì)流換熱損失的能量非常小，可忽略不計(jì)。

圖2 管道能量流示意圖Fig.2 Schematic diagram of pipeline energy flow

2 理論分析

設(shè)太陽的單位面積輻照強(qiáng)度為G，聚光輸油管道接收輻照的面積為A1，其吸收率為α，CPC聚光光伏的聚光倍數(shù)為n，則輸油管道接收的總能量Q為

式中：n為CPC聚光光伏的聚光倍數(shù)，取值范圍為2～6；d為輸油管路的直徑，m；l為輸油管路的長(zhǎng)度，m。

輸油管路接收的總能量Q一部分為石油加熱所需的能量，一部分將以輻射的形式散失到環(huán)境中，即

式中：h1為輸油管壁與石油的換熱系數(shù)，W/(m2·K)；A2為輸油管壁與石油的接觸面積，m2；Twall為輸油管壁的溫度，K；Toil為石油的定性溫度，K。

輸油管壁與石油的換熱系數(shù)h1的計(jì)算式為

式中：Nu為努賽爾數(shù)；Re為雷諾數(shù)；Pr為普朗特?cái)?shù)；de為當(dāng)量直徑，m；λ為石油的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；ρ為石油的密度，kg/m3；u為石油的流速，m/s；μ為石油的動(dòng)力黏度，Pa·s。

輸油管壁與石油的接觸面積A2的計(jì)算式為

式中：d為輸油管路的直徑，m；l為輸油管路的長(zhǎng)度，m。

石油的定性溫度Toil的計(jì)算式為

式中：Tout為石油的出口溫度，K；Tin為石油的進(jìn)口溫度，K。

以輻射的形式散失的能量Qloss的計(jì)算式為

式中：h2為輸油管壁與環(huán)境的換熱系數(shù)，W/(m2·K)；Tair為環(huán)境溫度，K。

輸油管壁與環(huán)境的換熱系數(shù)h2的計(jì)算式為

式中：σ 為斯蒂芬波爾茲曼常數(shù)，5.67×10-8W/(m2·K4)。

加熱石油所需的能量Qhot即為石油得到的熱量Qoil，對(duì)其計(jì)算采用如下公式

式中：Cp為石油的比熱容，J/(kg·K)；qm為石油的質(zhì)量流量，kg/s；A3為輸油管路的橫截面積，m2。

3 數(shù)值模擬

計(jì)算流體力學(xué)（CFD）是通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，模擬流體流動(dòng)時(shí)的各種相關(guān)物理現(xiàn)象，包括流動(dòng)、熱傳導(dǎo)等。目前，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)是解決流動(dòng)和傳熱相關(guān)問題的強(qiáng)有力工具。本文基于流體為不可壓縮、穩(wěn)態(tài)紊流假設(shè)，運(yùn)用ANSYS Fluent軟件，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流數(shù)學(xué)模型模擬石油在該輸油管路中的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的分布規(guī)律，采用CFD主要解決了前處理、求解和后處理問題。

3.1 三維模型的建立

利用ANSYS軟件中的前處理軟件ICEM CFD，根據(jù)該輸油管道的幾何和物理特性，經(jīng)過點(diǎn)、線、面的繪制得到該管道簡(jiǎn)化的三維模型，并創(chuàng)建好相關(guān)部分，同時(shí)對(duì)該模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型根據(jù)石油管道的物理特性選擇O型網(wǎng)格劃分，結(jié)果如圖3所示。

圖3 有限元網(wǎng)格圖Fig.3 Finite element grid chart

3.2 控制方程與條件加載

在三維穩(wěn)態(tài)條件下建立了該模型，利用CFD方法對(duì)油品運(yùn)輸管道的性能進(jìn)行了數(shù)學(xué)模擬。將整個(gè)輸油管道考慮為控制體，連續(xù)性、動(dòng)量和能量的控制方程為

式中：v→為管道內(nèi)油品的速度；p為壓力。

將入口設(shè)置為“速度入口”邊界條件，該邊界條件包含了冷卻流體的入口速度和溫度，其中油品的初始速度為1 m/s，初始溫度為20 ℃，外界環(huán)境溫度設(shè)為20 ℃，同時(shí)油品管道的出口選用“壓力出口”邊界條件。將太陽輻射模型中的射線追蹤法里的直射輻射強(qiáng)度設(shè)為3 000 W/m2，同時(shí)在材料屬性的設(shè)置中將輸油管道的薄壁厚度設(shè)置為8 mm。本文利用基于壓力的有限體積法（FVM）對(duì)控制方程進(jìn)行離散化求解；采用簡(jiǎn)單的算法進(jìn)行壓力-速度耦合；采用二階迎風(fēng)法求解動(dòng)量方程和能量方程；利用連續(xù)方程、動(dòng)量方程和能量方程的殘差值作為收斂的標(biāo)準(zhǔn)。連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程的最大殘差分別小于10-5、10-6和10-8，經(jīng)過一定的迭代求解可得到相應(yīng)的模擬結(jié)果。

3.3 模擬結(jié)果

3.3.1 溫度場(chǎng)模擬結(jié)果

當(dāng)石油管道管長(zhǎng)為1 000 m，管內(nèi)徑為0.5 m，壁厚為8 mm，石油入口溫度為20 ℃，入口速度為1 m/s，環(huán)境溫度為20 ℃，太陽輻射強(qiáng)度為600 W/m2，CPC聚光器聚光倍數(shù)為5，管道的溫度分布如圖4所示。

圖4 出口截面溫度分布Fig.4 Outlet section temperature distribution

從圖4可以看出，石油管道出口截面的溫度分布基本均勻，管壁溫度稍高于管內(nèi)石油溫度，從管壁到管道中心呈降低趨勢(shì)，這是由于流體熱傳導(dǎo)的特性所產(chǎn)生的。

3.3.2 速度場(chǎng)模擬結(jié)果

在上述相同條件下，可以得到石油管道出口流體速度分布云圖（圖5）。

圖5清晰地顯示出在近壁面處流體流動(dòng)速度很小，并且在徑向方向逐漸增大，最后形成如圖5所示的同心圓形狀。這是由于紊流中橫向脈動(dòng)所引起的流層之間的動(dòng)量交換，使得管流中心部分的速度分布比較均勻；而在靠近固體壁面的地方，由于脈動(dòng)運(yùn)動(dòng)受到壁面的限制，黏性的阻滯作用使流速急劇下降[13]，形成如圖5所示的同心圓狀。

圖5 管道出口速度分布Fig.5 Pipeline exit velocity distribution

圖6為石油管道入口x=0截面的速度矢量圖。從圖6可以看出流體在入口處的速度分布較均勻，這是由于在入口處有輸入動(dòng)力的存在使得流體在入口處附近以一個(gè)均勻的速度場(chǎng)進(jìn)入石油管道，隨著流體在管道內(nèi)的深入，入口輸出動(dòng)力的影響會(huì)大大減弱，流體的速度場(chǎng)會(huì)逐步形成與圖5一樣的同心圓狀。

圖6 x=0截面入口速度矢量圖Fig.6 Section entrance speed vector when x=0

4 對(duì)比分析

圖7反映了聚光比為5、環(huán)境溫度為20 ℃、石油入口溫度為20 ℃、流速為1 m/s時(shí)流體的溫升隨管長(zhǎng)的變化趨勢(shì)。從圖7可以看出隨著管長(zhǎng)的增加，溫升逐漸擴(kuò)大，也就是出口溫度在逐漸增加，當(dāng)管長(zhǎng)增加到8 km時(shí)，溫升達(dá)到了40 ℃，也就是此時(shí)石油的溫度為60 ℃，因此在實(shí)際工程應(yīng)用當(dāng)中，可以在長(zhǎng)輸管道的末端得到很高的出口溫度，末端的換熱器將會(huì)換取并存儲(chǔ)大量的熱量。另外，理論計(jì)算的溫度和Fluent模擬出來的溫度誤差范圍不大，并且隨著管長(zhǎng)的增加誤差有些許的加大并且趨于不變，出現(xiàn)誤差些許增大是由于理論計(jì)算是在理想狀態(tài)下進(jìn)行的，而模擬更偏向?qū)嶋H情況，但是隨著管長(zhǎng)的增加誤差會(huì)趨于定值。

圖7 理論溫升和模擬溫升隨管長(zhǎng)變化關(guān)系Fig.7 Theoretical temperature rise and simulated temperature rise as a function of tube length

圖8反映了環(huán)境溫度為20 ℃、石油入口溫度為20 ℃、流速為1 m/s、管長(zhǎng)為1 000 m時(shí)流體的溫升與聚光比之間的關(guān)系。從圖8可以看到隨著聚光比的增加，溫升在逐漸擴(kuò)大，即出口溫度在逐漸增加，理論計(jì)算溫度與模擬溫度誤差范圍并不大。當(dāng)聚光方式換成其他高倍聚光形式，聚光比會(huì)增大近百倍，因此只需要對(duì)很短的一部分輸油管道進(jìn)行加熱就可以達(dá)到CPC聚光器長(zhǎng)距離的聚光加熱效果，可以簡(jiǎn)化管線的結(jié)構(gòu)。

圖8 理論溫升和模擬溫升隨聚光比的變化Fig.8 Theoretical temperature rise and simulated temperature rise as a function of concentration ratio

從圖7和圖8中可以看出，輸油管路中油品的模擬溫升與理論計(jì)算得出的溫升誤差并不大。在管長(zhǎng)為1 000 m、5倍聚光時(shí)，理論計(jì)算的溫升與模擬得出的溫升誤差僅為3.787%，在誤差允許范圍內(nèi)。兩者之間存在的誤差主要是在三維建模的過程中對(duì)模型進(jìn)行了相應(yīng)的簡(jiǎn)化而造成的細(xì)微的誤差，以及在理論計(jì)算時(shí)對(duì)一些數(shù)據(jù)進(jìn)行了四舍五入，只保留前幾位數(shù)作為該數(shù)的近似值而造成的誤差。

針對(duì)不同的油品[14]，通過計(jì)算得出摩阻系數(shù)與溫度和管長(zhǎng)的關(guān)系，如圖9、圖10所示。

圖9 摩阻系數(shù)與溫度的關(guān)系Fig.9 Relationship between friction coefficient and temperature

圖9顯示了隨著溫度的升高，摩阻系數(shù)并不是一味地降低，大多數(shù)呈現(xiàn)先降低然后升高再降低的趨勢(shì)。這是由于溫度的升高導(dǎo)致油品的運(yùn)動(dòng)黏度降低，則雷諾數(shù)升高，管道內(nèi)油品的流動(dòng)特性會(huì)從層流變?yōu)橥牧鳎ψ柘禂?shù)會(huì)有略微的升高，然后再繼續(xù)降低。圖10中摩阻系數(shù)的變化趨勢(shì)與圖9類似，由于管長(zhǎng)的增加，管內(nèi)油品的溫度持續(xù)升高，出現(xiàn)與圖9類似的變化趨勢(shì)。同時(shí)，得到了在不同聚光倍數(shù)情況下摩阻系數(shù)最小值時(shí)的管長(zhǎng)，表1為5種油品在不同聚光比時(shí)的最佳加熱管長(zhǎng)，油品中轉(zhuǎn)站可根據(jù)實(shí)際的輸送距離選擇合適的聚光比。

圖10 摩阻系數(shù)與管長(zhǎng)的關(guān)系Fig.10 Relationship between friction coefficient and tube length

表1 不同聚光比的油品最佳加熱管長(zhǎng)Tab.1 Optimum heating tube length for oils with different concentration ratios m

5 結(jié)論

通過對(duì)石油管路太陽能聚光減阻及集熱系統(tǒng)進(jìn)行的模擬研究和理論驗(yàn)證，得到以下結(jié)論：

（1）輸油管路的出口溫度隨著管長(zhǎng)的增加而上升。在5倍聚光下，石油進(jìn)口溫度為20 ℃、速度為1 m/s、環(huán)境溫度為20 ℃時(shí)，石油每通過200 m輸油管路溫度會(huì)提升約1 ℃。在實(shí)際的工程中，僅需要對(duì)輸油管道的前8 km安裝CPC聚光器進(jìn)行加熱就可以得到60 ℃的高溫?zé)嵊?，同時(shí)在末端利用換熱器進(jìn)行換熱，可換取可觀的熱量。

（2）輸油管路的出口溫度隨著聚光器聚光比的增加而上升。當(dāng)聚光比達(dá)到100時(shí)，僅需要在管道的前段部分聚光，出口溫度就可以達(dá)到CPC聚光器長(zhǎng)距離的聚光集熱的溫度，可以簡(jiǎn)化管線的結(jié)構(gòu)。

（3）模擬得出摩阻系數(shù)與溫度和管長(zhǎng)的關(guān)系曲線，以及不同油品達(dá)到最佳減阻效果的加熱管長(zhǎng)。