熱油管道投產(chǎn)過程中復(fù)雜傳熱特性的分析研究

尚增輝 李憲昭 王成林 付田田 周 靜

（1.中國石油工程建設(shè)有限公司華北分公司；2.華北油田公司第二采油廠工程技術(shù)研究所）

利用管道輸送原油時，尤其當(dāng)輸送的原油具有高凝點(diǎn)、高黏度和高結(jié)蠟點(diǎn)的屬性時，需要采用加熱輸送的方式以防原油在管道內(nèi)發(fā)生凝固、降低運(yùn)行壓力和減少原油結(jié)蠟量，確保管道正常安全運(yùn)行［1～3］。 當(dāng)管道在輸送高凝高黏原油時，為了避免原油直接投入冷管中造成沿線溫降太快，而導(dǎo)致沿程摩阻急劇升高或出現(xiàn)凝管事故，在輸送高凝高黏原油的管道投產(chǎn)時一般使用高熱容、低黏度的介質(zhì)對管道進(jìn)行預(yù)熱，當(dāng)管道的熱力條件滿足要求時再進(jìn)行熱油投產(chǎn)［4～6］。

熱油管道投產(chǎn)過程是一個非穩(wěn)態(tài)的傳熱過程。 在管道預(yù)熱階段和輸送熱油的初始階段，管道周圍土壤的溫度場還未達(dá)到穩(wěn)定，預(yù)熱介質(zhì)和熱油的熱量不斷傳給管道和周圍土壤［7,8］。 在此階段，隨著管道中的流體溫度逐漸降低，管道周圍的土壤溫度卻不斷升高，直至此傳熱過程達(dá)到動態(tài)平衡。

1 基本參數(shù)

某加熱輸送含蠟原油的管道為非保溫埋地原油管道，長30 km、管徑508 mm，管頂埋深為1.2 m，管道埋深處地溫為15 ℃。 管道管壁、防腐層和土壤的物性參數(shù)見表1。

表1 管道管壁、防腐層和土壤的物性參數(shù)

管道輸送原油的物性參數(shù)為：

密度（20 ℃） 860 kg/m3

凝點(diǎn) 25 ℃

含蠟量 11.5%

比熱（20 ℃） 2 100 J/（kg·℃）

黏 度（15、30、50、70 ℃） 38.9、21.4、11.7、7.3 mPa·s

2 管道內(nèi)部溫度場變化

管道投產(chǎn)過程主要包含管道預(yù)熱和投入熱油兩個階段［9，10］：

a. 管道預(yù)熱階段。 采用70 ℃的熱水對冷管道進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱時間為12 h。 在本階段為熱水與管道及其周圍土壤的傳熱過程，并利用熱水完成對管內(nèi)空氣的置換。

b. 投入熱油階段。在管道預(yù)熱至內(nèi)部溫度場達(dá)到要求后，投入70 ℃的熱油完成對管內(nèi)熱水的置換。

2.1 管道預(yù)熱階段

采用70 ℃熱水預(yù)熱管道6、12 h 后， 管道內(nèi)溫度分布云圖如圖1 所示。 由圖1 可看出，預(yù)熱12 h 后， 管道全線溫度均已達(dá)到原油凝點(diǎn)之上，具備了輸送熱油的條件。

圖1 預(yù)熱后管道內(nèi)溫度分布云圖

2.2 投入熱油階段

投入熱油后， 運(yùn)行1、3、5 d 時管道內(nèi)溫度分布云圖如圖2 所示。 由圖2 可看出：隨著運(yùn)行時間的增長，管道前段溫度逐漸趨于穩(wěn)定、后段溫度逐漸升高；運(yùn)行1 d 時管道末端溫度已達(dá)30 ℃以上，運(yùn)行5 d 時管道末端溫度升至45 ℃左右。

圖2 運(yùn)行不同天數(shù)時管道內(nèi)溫度分布云圖

3 管道周圍土壤溫度分布

運(yùn)行5 d 后，管道起點(diǎn)、管道15 km 處和管道30 km 處的管壁及其周圍土壤溫度分布云圖如圖3 所示。由圖3 可以看出，管道周圍土壤溫度沿管壁向外呈輻射狀升高，離管道外壁越近土壤溫度越高。 從前端到末端管道內(nèi)溫度由高到低，而管道前端周圍土壤溫度最高、 末端的相對較低，說明管道前端對其周圍土壤溫度場影響最大而末端的影響較小。

圖3 管道及其周圍土壤溫度分布云圖

4 管道結(jié)蠟分析

當(dāng)輸送含蠟原油的管道內(nèi)流體溫度低于原油的結(jié)蠟點(diǎn)時，管道內(nèi)即會有蠟析出。 管壁結(jié)蠟不僅給管道輸送帶來安全隱患，而且會造成很大的能量損失。 當(dāng)管道的管壁出現(xiàn)蠟沉積時會縮小管道的內(nèi)徑，增大管道的延程摩阻，繼而增加管道輸送的動力費(fèi)用。 此外，結(jié)蠟厚度過厚時易使清管操作中的清管器被卡。 因此，對熱油管道的結(jié)蠟規(guī)律進(jìn)行分析研究，對于提高管道的輸運(yùn)效率和輸運(yùn)安全十分重要。

4.1 結(jié)蠟速率

圖4 是運(yùn)行時間分別為1、3、5 d 時管道沿線各處結(jié)蠟速率的模擬結(jié)果。 由圖4 可看出，管道運(yùn)行1 d 時管道的結(jié)蠟速率最高， 隨著管道運(yùn)行時間增長管道各處的結(jié)蠟速率逐漸減小，而且管道結(jié)蠟主要發(fā)生在管道后半段，前半段基本沒有發(fā)生結(jié)蠟現(xiàn)象， 這是由初始運(yùn)行1 d 時管道后半段溫度較低導(dǎo)致的。 而后，隨著運(yùn)行時間的增長，管道后半段的溫度逐漸升高，隨即管道內(nèi)原油的結(jié)蠟速率逐漸減小。 另外，由前述可知，運(yùn)行過程中管道內(nèi)原油溫度從管道起點(diǎn)到末端是逐漸降低的， 且管道前半段的溫度大幅高于后半段的。因此， 管道前半段的結(jié)蠟速率小于管道后半段，且當(dāng)溫度高于原油結(jié)蠟溫度時前半段則不會發(fā)生結(jié)蠟。 由于結(jié)蠟速率受原油蠟含率、原油溫度和運(yùn)行壓力的共同影響，因此管道沿線各處結(jié)蠟速率會出現(xiàn)起伏的現(xiàn)象。

圖4 運(yùn)行不同天數(shù)時管線各處結(jié)蠟速率

4.2 結(jié)蠟厚度

圖5 是運(yùn)行5 d 后管線各處結(jié)蠟厚度曲線。由圖5 可看出， 運(yùn)行5 d 后管道起點(diǎn)到10 km 處結(jié)蠟厚度很薄，10 km 之后的管道結(jié)蠟厚度明顯增厚；管道結(jié)蠟厚度最大值位于管道24.7 km 處。

圖5 運(yùn)行5 d 后管線各處結(jié)蠟厚度曲線

5 結(jié)論

5.1 熱油管道投產(chǎn)過程是一個非穩(wěn)態(tài)的傳熱過程。 投入熱油前，采用高熱容和低黏度的介質(zhì)對管道進(jìn)行預(yù)熱，可以有效防止熱油投產(chǎn)過程中沿程摩阻過高或發(fā)生凝管。

5.2 熱油管道在輸運(yùn)過程中會對周圍土壤溫度場產(chǎn)生明顯的影響。 其中，接近管道起點(diǎn)處周圍的土壤溫度明顯高于管道末端周圍土壤的溫度。

5.3 對于輸送含蠟原油的管道，隨著管道起點(diǎn)到管道末端油溫逐漸降低，原油的結(jié)蠟速率逐漸增高。 在投入熱油之后隨著運(yùn)行時間的增長，管線各處的溫度逐漸升高，管道內(nèi)原油的結(jié)蠟速率也隨之降低。 由于管道接近起點(diǎn)部分的溫度較高而接近末端的溫度相對較低，因此結(jié)蠟較嚴(yán)重的部位位于管道接近末端的位置。 對于管道易結(jié)蠟部位，在運(yùn)行過程中應(yīng)予以重點(diǎn)關(guān)注。