保溫層偏心沉降對架空注汽管線傳熱影響研究

李 鵬，葛蘇鞍，帕爾哈提·阿不都克里木，唐滿紅，李 棟

（1.新疆油田公司實(shí)驗(yàn)檢測研究院，新疆克拉瑪依834000；2.東北石油大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，黑龍江大慶163318）

新疆油田稠油、超稠油油藏資源相對豐富，其開采方式主要采用熱采技術(shù)。蒸汽的溫度與干度是影響熱采經(jīng)濟(jì)性的主要因素[1?2]，注汽管線良好的保溫性能是保證蒸汽品質(zhì)的關(guān)鍵。然而，環(huán)境風(fēng)速、管線管徑、土壤輻射以及保溫層結(jié)構(gòu)均會(huì)對架空注汽管線散熱損失產(chǎn)生影響。

國內(nèi)外學(xué)者對管線保溫性能進(jìn)行了諸多的研究[3]。Y.Abdullah等[4]研究了風(fēng)速對管道保溫效果的影響。高姿喬等[5]通過建立架空管道熱損失模型，發(fā)現(xiàn)管徑對架空蒸汽管道熱損失的影響最大。部分學(xué)者在進(jìn)行管線熱損失計(jì)算時(shí)，通常認(rèn)為管線保溫層是均勻分布的[6]，但隨著管線運(yùn)行年限的增加，保溫材料受重力作用偏心沉降，直接影響管線的保溫性能[7]。Y.P.Ting等[8]研究了熱力管線與保溫層圓心不重疊的導(dǎo)熱特性，發(fā)現(xiàn)保溫層偏心對管線的保溫效果產(chǎn)生影響。陳麗燕等[9]發(fā)現(xiàn)保溫材料下沉?xí)@著增加管線熱量損失。王忠華等[10]提出利用散熱附加系數(shù)評估熱工缺陷管線的散熱損失，并發(fā)現(xiàn)其散熱損失高于保溫層均勻分布管線。鐘升楷等[11]通過改變結(jié)構(gòu)偏心率和底部鏤空夾層厚度等參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)保溫性能惡化會(huì)對管線散熱損失影響顯著。趙旭等[12]定量分析了保溫層厚度對保溫層沉降管線的漏熱損失。上述研究雖表明保溫偏心沉降會(huì)增加管線散熱損失，但未考慮與其相關(guān)的環(huán)境風(fēng)速、管線管徑等因素的具體影響，且土壤輻射對保溫偏心沉降管線傳熱性能影響如何尚未報(bào)道。

本文建立保溫材料沉降架空注汽管線周向穩(wěn)態(tài)傳熱分析模型，以環(huán)境風(fēng)速、管線管徑以及土壤輻射為變量，分別研究了其對保溫材料沉降管線散熱損失的影響，研究結(jié)果可對準(zhǔn)確評估熱工缺陷的管線散熱損失、后期管線保溫工程改進(jìn)與提高能量利用率提供參考。

1 模型的建立

1.1 保溫層偏心管線物理模型

選取管線某截面為研究對象，其結(jié)構(gòu)主要由三部分組成：外層為兩層厚度相等的保溫材料；中間層為保溫材料沉降產(chǎn)生的空氣夾層，其偏心率為0.1；內(nèi)層為工作管線。保溫偏心注汽管線物理模型如圖1所示。

圖1 保溫偏心注汽管線物理模型

1.2 求解方程

對保溫偏心注汽管線進(jìn)行了不同風(fēng)速、管徑和土壤輻射情況下的傳熱模擬。為簡化模型計(jì)算且不失一般性，對相關(guān)條件進(jìn)行假設(shè)：

（1）工作管壁面溫度保持不變，取554 K；

（2）保溫材料與管壁接觸良好，忽略接觸熱阻的影響；

（3）外界與鏤空夾層空氣為不可壓縮理想氣體，且其傳熱方式為對流與輻射耦合換熱。

連續(xù)性方程：

動(dòng)量方程：

能量方程：

式中，u、v分別為x、y方向的速度，m/s；μ為動(dòng)力黏度，Pa·s；a為熱擴(kuò)散率，m2/s；g為重力加速度，本文取9.8 m/s2；p為流體壓力，Pa；ρ為流體密度，kg/m3；T為流體溫度，K。

輻射傳輸方程：

式中，I(s,s→)為空間的太陽輻射強(qiáng)度，W/m2；β和σ分別為介質(zhì)吸收系數(shù)和散射系數(shù)，m-1；s為位置向量；s→為方向向量；s→'為散射方向向量；Ib(s,s→)為出射輻射強(qiáng)度，W/m2。

湍流方程：

式中，k為湍動(dòng)能項(xiàng)，m2/s2；ε為耗散率，m2/s3；Gk為由層流速度梯度產(chǎn)生的湍流動(dòng)能，kg/(m·s3)；Gb為由浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能，kg/(m·s3)；YM為可壓縮湍流過度擴(kuò)散產(chǎn)生的波動(dòng)，kg/(m·s3)；σk和σ?為k方程和ε方程的湍流Prandtl數(shù)，分別為1.0和1.2；υ為運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s；μt為漩渦黏度，Pa·s；C1、C2、C1?、C3?為模型系數(shù)，分別取1.00、1.90、1.44和1.00；Sk和S?為自定義源項(xiàng)，均取0.85。

1.3 參數(shù)設(shè)置

流動(dòng)模型選取k?ε模型，輻射模型為DO模型，勾選重力選項(xiàng)；求解器設(shè)置為Pressure Based，采用SIMPLE算法對壓力?速度的耦合項(xiàng)進(jìn)行離散，PRESTO！算法對壓力項(xiàng)進(jìn)行離散，空間的離散精度Theta Pixels、Phi Pixels、Theta Divisions和Phi Divisions分別設(shè)置為4、4、6和6；初始環(huán)境溫度設(shè)置為281 K；入口速度方向平行于地面。保溫材料物性參數(shù)見表1。

表1 材料熱物性參數(shù)

2 保溫偏心注汽管線傳熱分析

2.1 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

采用Tri型網(wǎng)格和局部加密手段對幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，驗(yàn)證網(wǎng)格的獨(dú)立性。網(wǎng)格劃分及溫度云圖如圖2所示。從圖2（b）可看出，由于管道保溫層偏心沉降，工作管線上部漏熱嚴(yán)重。

圖2 網(wǎng)格劃分及溫度云圖

在不同網(wǎng)格數(shù)下，以保溫層外表面溫度和空氣夾層上下表面的熱流密度為指標(biāo)，驗(yàn)證其網(wǎng)格獨(dú)立性，結(jié)果如圖3所示?？臻g網(wǎng)格總數(shù)分別設(shè)60 068、262 470、479 778。由圖3可見，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)為60 068時(shí)，保溫層表面的計(jì)算結(jié)果與另外兩種網(wǎng)格密度下的計(jì)算結(jié)果差別較大?？紤]計(jì)算速度與計(jì)算精度要求，本文選用網(wǎng)格數(shù)262 740進(jìn)行空間網(wǎng)格劃分。

圖3 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

2.2 周向傳熱分析

不同風(fēng)速下保溫偏心管線熱性能曲線如圖4所示。由圖4（a）可知，隨著風(fēng)速的增加，保溫偏心管線空氣夾層漏熱量增大；當(dāng)風(fēng)速為5 m/s時(shí)，保溫偏心管線空氣夾層下壁面溫度為498.4 K；隨著風(fēng)速的增加，空氣夾層的溫降逐漸增大。當(dāng)風(fēng)速為5、7、11 m/s時(shí)，空氣夾層的溫降分別為55.6、57.2、57.9 K。當(dāng)風(fēng)速增加40%時(shí)，保溫偏心管線空氣夾層下壁面熱損失增加2.8%；當(dāng)風(fēng)速增加120%時(shí)，保溫偏心管線空氣夾層熱損失增加4.4%。這是由于保溫層出現(xiàn)了偏心沉降，在工作管和保溫層間形成鏤空空氣夾層，風(fēng)速增加使管線熱損失增加。由圖4（b）可知，風(fēng)速增加導(dǎo)致保溫材料的熱性能下降；隨著風(fēng)速的增加，偏心保溫管線外壁面平均溫度分別為340.4、323.5、312.4 K，并且由于保溫層偏心沉降造成結(jié)構(gòu)上薄下厚，偏心保溫管線上壁面熱流密度大于下壁面；當(dāng)環(huán)境風(fēng)速增加40%時(shí)，管線外保溫?zé)釗p失增加3.6%，當(dāng)環(huán)境風(fēng)速增加120%時(shí)，管線外保溫?zé)釗p失增加5.9%。

圖4 不同風(fēng)速下保溫偏心管線熱性能曲線

不同管徑下保溫偏心注汽管線熱性能曲線見圖5。當(dāng)管徑為250、150 mm時(shí)，兩層保溫層厚度均為75 mm；當(dāng)管徑為100 mm時(shí)，兩層保溫層層厚度均為65 mm。由圖5（a）可知，在保溫層厚度相同的情況下，增大管徑，保溫偏心注汽管線空氣夾層漏熱量減??；當(dāng)管徑為250 mm時(shí)，空氣夾層上下壁面的溫差和熱流密度最小，其峰值分別為55.6 K和1 727.23 W/m2。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是：隨著管徑的增大，偏心保溫管線內(nèi)空氣夾層變得狹長，空氣流動(dòng)性變差，受自然對流和強(qiáng)制對流的混合影響減弱，因此管徑較大時(shí)空氣夾層間熱損失較小。由圖5（b）可知，與空氣夾層不同，受管徑增大的影響，保溫偏心注汽管線外壁面熱損失增加；當(dāng)管徑為100、150、250 mm時(shí)，管線外壁面平均溫度分別為340.4、326.9、327.1 K；當(dāng)管徑增加50%和150%時(shí)，管線外保溫?zé)釗p失增加13.0%和23.3%。

圖5 不同管徑下保溫偏心管線熱性能曲線

為考察土壤輻射對管線傳熱特性的影響，對有/無土壤輻射下的保溫偏心注汽管線傳熱特性進(jìn)行了模擬，結(jié)果如圖6所示。由圖6（a）可以看出，有/無土壤輻射時(shí)的偏心保溫管線空氣夾層上下壁面溫差分別為5.6 K和55.6 K；考慮土壤輻射作用時(shí)，計(jì)算所得的空氣夾層熱流密度比不考慮土壤輻射作用時(shí)低，這是由于其表面溫度較無輻射時(shí)高，管線表面與空氣夾層二者間溫差減小，故其熱流密度降低。從圖6（b）可以看出，考慮土壤輻射偏心保溫管線外壁面平均溫度比不考慮土壤輻射時(shí)低54.3 K；考慮土壤輻射偏心保溫管線平均外壁面熱流密度比不考慮土壤輻射時(shí)低1 036 W/m2，這是由于其表面溫度較之無輻射時(shí)低，管線表面與土壤間溫差減小，故其熱流密度降低。

圖6 土壤輻射對保溫偏心管線傳熱影響曲線

3 結(jié) 論

（1）當(dāng)風(fēng)速提高時(shí)，會(huì)增加保溫偏心管線熱損失，管線內(nèi)空氣夾層熱損失隨之增加；在偏心率相同的情況下，管徑越大，保溫偏心注汽管線外保溫?zé)釗p失越大。

（2）在數(shù)值模擬的條件下，與不考慮土壤輻射的情況相比，考慮土壤輻射保溫偏心管線外壁面平均溫度降低54.3 K，熱流密度減少1 036 W/m2，土壤輻射對偏心保溫管線影響較為顯著。