原油凝管電加熱解凝模擬計算研究

馬 躍

原油凝管電加熱解凝模擬計算研究

馬 躍

（中國石油管道局工程有限公司東北石油管道有限公司，遼寧 沈陽 110031）

針對原油凝管電加熱解凝問題，借助CFD仿真軟件建立凝油融化傳熱相變數(shù)學(xué)模型。模擬計算結(jié)果表明：解凝前期，凝油是由外層向內(nèi)層逐漸融化，靠近管道頂部區(qū)域融化速度較快。解凝后期，懸浮狀態(tài)的凝油逐漸被四周高溫液相熱油包圍，熱對流作用加強，凝油融化速率加快；通過對管道加載不同溫度對比解凝效率分析得知，原油黏度變化是影響解凝效率的重要因素，將黏度隨溫度升高而降低時出現(xiàn)拐點的溫度作為管道加載溫度，解凝效率最高；并且通過給不同管道加載相同溫度情況下對比解凝速率得知，管徑越小管壁熱源向凝油區(qū)熱量傳遞效率越高，熱損耗較小，解凝速率越大，反之管徑越大解凝速率越小。

凝管； 電加熱； 解凝； 凝油； 融化； 模擬計算

高凝原油輸送過程中受季節(jié)、輸量、設(shè)備維護(hù)和管道服役年限等多種因素影響，發(fā)生凝管事故后嚴(yán)重影響正常輸油生產(chǎn)。目前管道電加熱解凝技術(shù)（圖1）廣泛應(yīng)用于原油管道凝管解凝，其方法是在管道外部給管道直接通電，通過變頻變壓設(shè)備調(diào)節(jié)輸入管道電流、頻率的大小，利用管道自身阻抗產(chǎn)生熱量加熱凝油直至凝油融化達(dá)到解凝目的[1-2]。該方法管道開孔少、開挖量小，單次解凝距離長，安全可靠性高，成功應(yīng)用于近年多條埋地管線的解凝事故。解凝作業(yè)過程中確定管壁加載溫度一直是電加熱解凝工作的重點，管壁每升高1℃，都需要較大的電能消耗，所以從節(jié)能角度分析，應(yīng)在能達(dá)到解凝的前提下選擇較低的輸入電流。

圖1 管道電加熱解凝工藝圖

另外，同等功率電力設(shè)備工況下，若管道輸入電流過大，管壁溫度升高會使解凝速率加快，但管道分段解凝時單次解凝的距離隨之縮短，影響全線解凝進(jìn)度；若通入電流過低則單次解凝的距離延長，但管壁溫度低勢必導(dǎo)致凝油融化慢，單次解凝效率低。以下針對凝油融化問題建立流固相變傳熱數(shù)學(xué)模型[3]，利用CFD仿真軟件模擬分析管道中凝油融化的傳熱過程及擴散規(guī)律，確定最佳解凝管壁加載溫度，以期為管道電加熱分段解凝長度和解凝時間計算提供理論依據(jù)。

1 模型建立

1.1 物理模型

原油管道通電后，由于通電電極之間電熱效應(yīng)分布均勻，不隨管道軸向距離變化而改變[4-11]，故而凝油融化問題研究可簡化為研究管道徑向傳熱相變問題。本文借助CFD模擬仿真軟件建立管道徑向二維模型（圖2），模型中計算區(qū)域包括凝油區(qū)、結(jié)蠟區(qū)和鋼管區(qū)均采用四邊形網(wǎng)格進(jìn)行單元劃分（圖3），其中凝油區(qū)作為主要研究對象對網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化并對臨近結(jié)蠟區(qū)域劃分流動邊界層。

圖2 管道徑向二維模型圖

利用該模型分別模擬管道加載不同溫度載荷對凝油融化傳熱過程及擴散規(guī)律的影響。

圖3 計算區(qū)域網(wǎng)格細(xì)化圖

1.2 數(shù)學(xué)模型

質(zhì)量守恒方程：

動量守恒方程：

其中：τ—應(yīng)力張量，Pa；

g和F—分別為方向上的重力體積力和外部體積力，N/m3；

—靜壓力，Pa。

式中：

能量守恒方程：

其中：—內(nèi)能，J；

J—組分′的擴散流量，m3/s；

S—用戶定義的體積熱源項，J/kg；

k—有效導(dǎo)熱率，W/(m·K)。

h—同分子物質(zhì)的焓值。

式中：

式中：m—組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1.3 邊界條件和初始條件

由于管壁加載解凝溫度遠(yuǎn)低于原油中蠟的融化溫度，故本文模型中假設(shè)結(jié)蠟區(qū)不發(fā)生相變過程，以下模擬計算內(nèi)容只針對凝油區(qū)的融化相變過程進(jìn)行研究。

式中：0—管道外壁溫度，該溫度在實際解凝作業(yè)過程中是通過調(diào)節(jié)

管道輸入電流及頻率所得；

T—管道周圍地溫。

1.4 物性參數(shù)

以管徑φ159×6 mm原油管道凝管為例，管壁加載不同溫度研究解凝過程中凝油溫度場及固液相變變化，另外選取不同管徑管道凝管工況綜合對比分析管道加載的最佳解凝溫度。管內(nèi)壁結(jié)蠟層厚度為5 mm；原油凝固點32 ℃，傾點35 ℃，析蠟點溫度52 ℃，管道周圍地溫為5 ℃，原油粘溫曲線圖見圖4。

凝油模型中其余材料相關(guān)參數(shù)見表1所示。

2 數(shù)值模擬與結(jié)果分析

2.1 凝油融化相變規(guī)律分析

根據(jù)圖5(a-c)、圖6(a-c)管內(nèi)凝油區(qū)融化相變溫度場云圖及固液相變變化云圖得知，解凝前5 h，凝油由外層向內(nèi)層逐漸融化，且靠近管道頂部區(qū)域凝油融化速度較快。原因在于解凝初期固相凝油距離管壁較近，鋼管區(qū)、結(jié)蠟區(qū)和凝油區(qū)三固相區(qū)域之間緊密接觸，管壁熱源的熱量通過結(jié)蠟層中間介質(zhì)以熱傳導(dǎo)方式直接傳遞至凝油表層，并且熱量由凝油表層向內(nèi)層逐級傳遞，越向內(nèi)層溫度梯度越小，熱量傳遞越慢。當(dāng)表層凝油達(dá)到融點后率先融化變?yōu)橐合嘤?，隨后在液相熱油溫度高于傾點溫度后在重力作用下剝離固相凝油表面開始向下低速流動，周而復(fù)始凝油由表層向內(nèi)層逐漸融化剝離，固相凝油區(qū)逐漸減小。隨著解凝時間的增加，固相凝油因密度大于液相熱油而導(dǎo)致凝油重心下沉，遂將底部區(qū)域液相熱油沿兩側(cè)管壁擠到管道頂部區(qū)域，兩側(cè)熱油在該區(qū)相遇后產(chǎn)生渦流效應(yīng)，摩擦熱增加，促使該區(qū)域溫度梯度逐漸變大，所以加速了上部固相凝油的融化。

從圖5(d-f)、圖6(d-f)解凝后期溫度場云圖及固液相變變化云圖得知，隨著固相凝油體積逐漸減小，融化速率增加。原因在于固相凝油體積減小，懸浮狀態(tài)的凝油逐漸被四周高溫液相熱油包圍，主要傳熱方式由熱傳導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)榕c周圍熱油的對流換熱作用，從而加速了凝油融化。

圖5 φ159×6 mm管內(nèi)區(qū)凝油融化相變溫度場云圖

圖6 φ159×6 mm管內(nèi)凝油區(qū)固液相變化云圖

2.2 管道加載溫度對解凝效率分析

埋地管道分段解凝作業(yè)過程中，單次解凝的管段越長，管道電阻越大，若輸入較大電流維持管壁解凝溫度，電力能耗極高，且對發(fā)電機、變壓器及電纜等設(shè)備要求隨之提高。所以在設(shè)備一定條件下，會盡量加大單次解凝管段長度，既有利于提升整條管線解凝效率，同時也減少了作業(yè)坑開挖和電纜敷設(shè)等工作量。反之，管壁溫升越高，又會直接導(dǎo)致單次解凝管段的長度縮短，所以須綜合考慮管道加載溫度與解凝長度兩方面因素對解凝效率的影響。

從圖7（a-d）管道加載不同溫度載荷管道解凝相變化曲線圖中得知，管壁加載的溫度越高，凝油融化速率越快，且管徑越小溫度變化對解凝效率影響越大，尤其管壁溫度由38 ℃提升至40 ℃時，解凝速率出現(xiàn)階躍式增大，而在溫度升至40℃以后，溫度變化對解凝速率影響不大。其原因主要由于液相原油溫度低于40 ℃時其黏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于40 ℃以上時的黏度，黏度降低導(dǎo)致熱油在管內(nèi)流動加快，與固相凝油的對流換熱作用增大，最終導(dǎo)致凝油加速融化。而原油溫度達(dá)到40 ℃以上后，黏度不再隨溫度增加而發(fā)生較大變化，固相和液相間對流換熱作用趨于恒定，所以解凝速率不隨溫度的升高而出現(xiàn)較大變化。

綜上可知，原油管道解凝，將黏度隨溫度升高而降低出現(xiàn)拐點時的溫度作為管壁加載溫度，解凝效率最高。

2.3 不同管徑的解凝速率分析

解凝速率分析對管道解凝用時估算起到關(guān)鍵作用，管徑大小對解凝速率產(chǎn)生直接影響，不同管道解凝速率差別較大。從圖8不同管道加載40 ℃解凝相變變化曲線圖中得知，管道管徑越小解凝速率越大，管徑越大解凝速率越小。

其原因在于管徑越小，管壁熱源向凝油區(qū)熱量傳遞效率越高，熱損耗較小，凝油融化速度越快。反之，管徑越大，凝油總量越大，靠近管道中心凝油距離管壁熱源越遠(yuǎn)，熱量徑向傳遞損耗越大，越趨近管道中心凝油融化越慢，導(dǎo)致管道解凝速率較低。

3 結(jié) 論

根據(jù)凝油在不同管徑和不同加載溫度解凝數(shù)值模擬計算結(jié)果可知：

圖8 不同管道加載40 ℃解凝相變變化曲線

1）解凝前期，凝油是由外層向內(nèi)層逐漸融化，且靠近管道頂部區(qū)域融化速度較快；解凝后期，隨著固相凝油體積逐漸減小，熱對流作用加強，融化速率加快。

2）原油管道凝管解凝作業(yè)中，將黏度隨溫度升高而降低出現(xiàn)拐點時的溫度作為管壁加載溫度，解凝效率最高。

3）管壁加載相同溫度，管徑越小解凝效率越高，管徑越大解凝效率越低。

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Research on Simulation Calculation of Electrical Heating Unblocking of Crude Oil Pipeline Blockage

（China Petroleum Pipeline Engineering Co., Ltd., Northeast Petroleum Pipeline Company, Shenyang Liaoning 110031, China）

Aiming at the problem of electrical heating unblocking of crude oil pipeline blockage, the phase transition mathematical model of the solidified oil melting question was established with the help of CFD simulation software. The simulation calculation results showed that,in the early stage of unblocking, the solidified oil gradually melted from the outer layer to the inner layer, and the area near the top of the pipeline melted faster. In the later stage of unblocking, the suspended solidified oil was gradually surrounded by the surrounding high-temperature liquid phase hot oil, the effect of heat convection was strengthened, and the melting rate of solidified oil was accelerated. Through the analysis and comparison of the unblocking effect by loading different temperatures on the pipeline, it was knownthat the viscosity change of the crude oil was an important factor affecting the unblocking effect. The temperature at which the inflection point occurred when the viscosity decreased with increasing temperature was used as the pipeline loading temperature, and the unblocking effect was the highest. And by comparing the unblocking rate under the condition of loading different pipes at the same temperature, it was known that the smaller the pipe diameter, the higher the heat transfer efficiency of the pipe wall heat source to the condensing zone, the smaller the heat loss, the greater the unblocking rate. On the contrary, the larger the pipe diameter, the lower the unblocking rate.

Pipeline blockage; Electrical heating; Unblocking; Electrical heating; Solidified oil; Melting; Simulation calculation

2020-12-29

馬躍（1986-），男，工程師，碩士研究生，遼寧省沈陽市人，2013年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)油氣儲運工程專業(yè)，研究方向：輸油氣管道投產(chǎn)運行及管道凝管事故搶險處理。

TE832

A

1004-0935（2021）06-0854-05