基于內(nèi)置式集膚電伴熱的輸油管道傳熱特性數(shù)值研究

邱亮亮，杜明俊，甄 潔，李 鑫

1.中國石油華北油田二連分公司，內(nèi)蒙古二連浩特 011100

2.中國石油工程建設有限公司華北分公司，河北任丘 062552

3.中國石油華北油田公司多元開發(fā)事業(yè)部，河北任丘 062552

目前，國內(nèi)陸上整裝大型油田已基本開發(fā)完畢，前期探明的部分零散劣質區(qū)塊正逐步得到開發(fā)和利用，對于這些油田而言，由于地面條件復雜、井位相對分散、原油品質較差，導致整個開發(fā)成本及系統(tǒng)能耗較常規(guī)油田均有明顯提高[1]。

常規(guī)的單井集輸工藝主要有井口加熱工藝、單管摻水工藝及雙管伴熱工藝等[2]。針對外圍零散區(qū)塊依托條件差的特點，采用常規(guī)單井集輸工藝存在前期建設投資高、運行效率低、能耗大等問題，因此需要結合零散區(qū)塊的特點，選擇適宜的集輸工藝。單井集輸要解決的首要問題就是確保管內(nèi)原油安全、穩(wěn)定地輸送至轉油站或聯(lián)合站。影響輸送的關鍵因素是溫度，即原油在集輸過程中要保持一個最佳的輸送溫度。

內(nèi)置式集膚電伴熱系統(tǒng)是一種基于電流的集膚效應及鄰近效應的電伴熱系統(tǒng)[3-5]。所謂集膚效應是指交流電通過導體時電流逐漸趨膚在導體表面的一種現(xiàn)象；而鄰近效應則是兩個相鄰導體通以反向電流時，電流主要集中在導體鄰近側。集膚電伴熱系統(tǒng)產(chǎn)生的焦耳熱主要來自于三部分：一是加熱管上產(chǎn)生的電阻熱，二是加熱管內(nèi)部電纜通電所產(chǎn)生的電阻熱，三是加熱管處于交變磁場中所產(chǎn)生的磁阻熱。

為了深入研究內(nèi)置式集膚電伴熱管在集輸管道內(nèi)的傳熱特性，建立了三維管道傳熱數(shù)學模型，并開展數(shù)值模擬研究，分析了流速、比熱及導熱系數(shù)等對管內(nèi)原油傳熱特性的影響，所得成果可為該技術的進一步應用提供技術支持。

1 模型的建立

1.1 網(wǎng)格模型

以華北油田外圍某新開發(fā)區(qū)塊為例，單井集輸管道規(guī)格為D89 mm×4 mm，內(nèi)置式集膚電伴熱管的直徑為10 mm。根據(jù)電伴熱管道系統(tǒng)實際安裝尺寸，建立單位管長傳熱物理模型，采用結構化六面體網(wǎng)格對模型進行單元劃分，由于靠近伴熱管外壁處溫度梯度較大，故對局部網(wǎng)格進行加密處理，計算區(qū)域的單元網(wǎng)格模型見圖1。

圖1 物理模型的網(wǎng)格劃分

1.2 數(shù)學模型

分析管道內(nèi)置式集膚電伴熱系統(tǒng)的特點可知，該系統(tǒng)主要依靠集膚電伴熱管向管內(nèi)原油輸送熱量，從而維持運行所需要的溫度。因為管內(nèi)原油是流動的，所以整個傳熱過程是一個流動與傳熱相互耦合作用的過程。

數(shù)學模型的描述涉及連續(xù)性方程、動量守恒方程、能量守恒方程和湍流方程[6-8]。

式中：ρ為流體密度，kg/m3；t為管道運行時間，s；ui、uj為速度矢量，m/s；gi為重力體積力，N；Fi為外部體積力，N；P為流體微元靜壓，Pa；τij為應力張量，Pa；E為流體內(nèi)能，J；keff為有效熱傳導系數(shù)，W/（m2·℃）；xi、xj表示空間不同方向；hj為擴散系數(shù)；Jj為組分擴散通量；j為組分個數(shù)。

1.3 邊界條件

油流與伴熱管外壁面為流固耦合傳熱，即各交界面處靠近壁面的流體被滯止而處于無滑移狀態(tài)，耦合界面上的熱流密度連續(xù)。

式中：λs為固體導熱系數(shù)，W/（m·K）；λl為流體導熱系數(shù)，W/（m·K）；Ts、Tl分別為流固耦合界面處固體溫度和流體溫度，K。

管道入口采用速度邊界條件，出口采用自由出口邊界條件。

2 數(shù)值模擬及結果分析

以華北油田外圍區(qū)塊某新開發(fā)單井為例，該井日產(chǎn)原油15t（含水較低，可忽略），折合管道流速0.04m/s，內(nèi)置式集膚電伴熱管功率為30W/m，管內(nèi)原油的初始溫度為20℃，密度為854kg/m3，比熱為2.46kJ/（kg·K），導熱系數(shù)為 0.135W/（m·K），黏度為 32mPa·s。

數(shù)值模擬時取管長1 m，圖2給出了管道軸向中心0.5 m處不同時間的截面溫度場云圖。

圖2 管道軸向中心0.5 m處截面溫度場云圖/K

由模擬結果可知：在管內(nèi)原油流動的情況下，隨著加熱時間的延長，除靠近伴熱管附近區(qū)域的油溫相對較高外，其他區(qū)域油溫分布較為均勻，沒有太大的溫度梯度，進一步揭示了內(nèi)置式集膚電伴熱的傳熱特性。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因主要是流動的原油從入口處開始被加熱，在向后流動的過程中不斷吸收伴熱管的熱量，并依靠流體層間熱交換不斷向管道徑向傳遞熱量，進而確保溫度分布均勻。

圖3、圖4分別給出了管道中心橫截面、縱向截面的速度場云圖。

圖3 管道軸向中心橫截面處的速度場云圖

圖4 管道縱向截面處的速度場云圖

從速度場的分布來看，原油在管內(nèi)流動屬于環(huán)狀流，伴熱管外表面及管道內(nèi)壁速度最低，中心區(qū)域速度相對較高，但速度梯度較小，這也是原油流動及吸熱過程中，管內(nèi)油溫分布相對均勻的原因。

圖5給出了管內(nèi)原油平均溫度隨加熱時間變化曲線。

圖5 管內(nèi)原油平均溫度隨加熱時間變化曲線

由圖5分析可知：靠近集膚電伴熱管外表面的油溫隨著加熱時間的延長，溫升較快，當加熱到一定時間后，溫升逐步減緩，從曲線的變化規(guī)律來看，除了伴熱管附近原油溫度梯度較大，其他區(qū)域溫度基本都是整體升高，較為均勻，進一步證明了內(nèi)置式集膚電伴熱在集輸管道伴熱方式上的優(yōu)勢。

圖6給出了不同加熱時間管道中心截面處溫度隨徑向距離變化的曲線。

圖6 溫度隨徑向距離變化的曲線

結合數(shù)據(jù)分析可知：加熱初期管內(nèi)原油的溫升較快，基本呈現(xiàn)線性變化，隨著加熱時間的延長，管內(nèi)原油升溫逐步趨于平穩(wěn)。這主要是由于初始時刻伴熱管外表面溫度與初始原油溫差較大，提高了換熱效率，隨著時間的延長，伴熱管不斷向原油傳遞熱量，管內(nèi)油溫不斷升高，溫度梯度逐步減小，且加熱功率基本達到了流動原油的升溫極限，伴熱管已經(jīng)由加熱裝置逐步轉化為維持溫度狀態(tài)。

3 傳熱特性影響因素分析

3.1 原油比熱及導熱系數(shù)對傳熱特性的影響

保持其他條件不變，按照0.1 kJ/（kg·K） 的步幅，將原油的比熱由2.46 kJ/（kg·K） 逐漸升至2.76 kJ/（kg·K）。通過模擬計算發(fā)現(xiàn)，在集膚電伴熱管加熱功率一定的情況下，增大原油比熱，管內(nèi)油溫略有降低，但是降幅不大。這主要是因為增大原油比熱后提高了原油的蓄熱能力，因此，相同的加熱條件，油溫有所降低。由于計算過程比熱按照0.1 kJ/（kg·K） 遞增，數(shù)值較小，故溫降幅值較小。

同樣，保持其他條件不變，按照0.01W/（m·K）的步幅，將原油的導熱系數(shù)由0.135 W/（m·K） 逐漸升至0.175 W/（m·K）。通過模擬計算發(fā)現(xiàn)，原油導熱系數(shù)對集膚電伴熱管加熱過程中的傳熱特性沒有影響。

3.2 流速對傳熱特性的影響

圖7給出了相同加熱功率下，不同進口流速對管內(nèi)原油溫升的影響。

圖7 不同進口流速下管內(nèi)原油平均溫度與時間的關系曲線

由圖7分析可知：隨著管內(nèi)原油流速的增大，初始一定時間內(nèi)，原油溫升隨流速的增大而增大。這主要是由于初始溫差大，提高流速增大了傳熱系數(shù)。當加熱到一定時間后，流速對加熱特性的影響逐步降低。這主要是由于在加熱功率一定的情況下，隨著加熱時間的延長，管內(nèi)原油溫度場逐步趨于平穩(wěn)，流速越快達到平穩(wěn)的時間越短。

3.3 停輸對傳熱特性的影響

對油田的集輸管道來說，通常不考慮清管作業(yè)，但是日常的檢、維修作業(yè)以及第三方破壞導致的短時關井在所難免。這就要求集輸管道停輸期間，管內(nèi)原油維持一定的安全溫度。圖8給出了管道停輸不同時間后，管內(nèi)原油的溫度場分布規(guī)律。

圖8 停輸過程管道中心0.5 m處截面溫度場云圖/K

結合圖8分析可知：當管內(nèi)原油處于停輸狀態(tài)時，集膚電伴熱管作為熱源給原油加熱保持一定的溫度，由于原油處于靜止狀態(tài)，整個加熱過程主要是液體分子間的熱傳導，與流動狀態(tài)的傳熱特性有較大差異。從不同加熱時間的溫度場云圖可以看出，靠近伴熱管外壁面的溫度不斷升高，管內(nèi)原油的溫度場呈現(xiàn)同心環(huán)形，且徑向上溫度梯度逐步增大。隨著加熱時間的延長，伴熱管附近的原油會出現(xiàn)超高溫的情況，這也是應用內(nèi)置式集膚電伴熱應該注意的地方。

4 結論

通過對內(nèi)置式集膚電伴熱的輸油管道傳熱特性的研究發(fā)現(xiàn)，在集輸管道正常運行時，管內(nèi)溫度分布均勻，伴熱管外表面溫度可控，不存在高溫情況。集輸管道因關井而停輸時，由于原油不流動，伴熱管外表面原油會出現(xiàn)局部高溫情況，生產(chǎn)作業(yè)時，需要注意調整加熱時間和加熱功率。適當提高管道內(nèi)原油的流速可以加快溫升過程，使管內(nèi)原油溫度場盡快進入穩(wěn)定狀態(tài)，但是最終的溫度依然取決于集膚電伴熱管的發(fā)熱功率，原油比熱對整個傳熱過程具有一定的影響，導熱系數(shù)沒有影響。