石油化工管線間歇輸送技術(shù)研究*

李 晉，張素香，修 巖，張忠洋

（1.遼寧石油化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001；2.中國(guó)石油撫順石化公司，遼寧 撫順 113008）

石油化工管線間歇輸送技術(shù)研究*

李 晉1，張素香1，修 巖1，張忠洋2

（1.遼寧石油化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001；2.中國(guó)石油撫順石化公司，遼寧 撫順 113008）

研究了石油化工管線在停輸時(shí)受外界非穩(wěn)態(tài)環(huán)境的影響下管內(nèi)介質(zhì)的溫降情況，確定了管線停輸溫降允許的停輸時(shí)間。對(duì)埋地管道正常運(yùn)行情況、停輸情況和再啟動(dòng)情況進(jìn)行研究分析，建立了埋地管道間歇輸送溫降數(shù)學(xué)模型。以實(shí)際埋地管道為例，模擬歷史最不利氣候數(shù)據(jù)，觀察埋地管道溫度場(chǎng)的變化，并根據(jù)溫度場(chǎng)的變化情況，對(duì)停輸過程、再啟動(dòng)過程模擬分析，確定了鐵大線埋地管道安全停輸時(shí)間，為鐵大線埋地管道安全越冬提供參考。

化工管線；間歇輸送；數(shù)值模擬；溫度場(chǎng)；數(shù)學(xué)模型

在間歇輸送過程中，如果停輸時(shí)間過長(zhǎng)，管道內(nèi)原油溫度降低到一定值后，會(huì)給管道的再啟動(dòng)帶來極大的困難，甚至造成凝管事故[1]。因此，必須準(zhǔn)確的掌握管道的正常運(yùn)行情況、停輸情況和再啟動(dòng)情況，從而保證管道的停輸時(shí)間能夠滿足要求，即管道在停輸一定時(shí)間后，能夠順利再啟動(dòng)。

1 數(shù)學(xué)建模

埋地?zé)嵊凸艿劳］敽蟮慕禍剡^程是沿管道橫斷面（徑向和切向）和軸向的三維不穩(wěn)定傳熱問題。實(shí)際上，軸向溫度梯度和其它兩溫度梯度相比要小的多，可以忽略軸向溫度梯度，將三維不穩(wěn)定簡(jiǎn)化為二維不穩(wěn)定傳熱問題。文獻(xiàn)[1]、文獻(xiàn)[2]認(rèn)為管道被無限大的土壤包圍，緊靠管壁的土壤受管道加熱升溫，距管壁越遠(yuǎn)，溫度越低，在熱影響半徑處，土壤溫度等于管道埋深處地溫。其中熱影響半徑由穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)工況反算得到，它使該模型中的油流和實(shí)際的油流對(duì)管壁的散熱功率相同。見圖1，Rd為自然對(duì)流區(qū)半徑；Rn為管道半徑；Rh為土壤熱影響半徑。

1.1 停輸溫降過程的熱力模型

管道正常運(yùn)行模型（停輸初始條件模型）如下[3]：

2 計(jì)算實(shí)例

以鐵大線大石橋—熊岳段埋地管道為例，對(duì)其進(jìn)行停輸及再啟動(dòng)的模擬計(jì)算并進(jìn)行結(jié)果分析。大石橋到熊岳管道全長(zhǎng)62.26 km，其中裸露管線總長(zhǎng)127 m，最冷月管道埋深處土壤溫度為0.7℃，日最低氣溫取為-23℃，日最高氣溫的最低值為-15℃。

2.1 停輸過程溫降模擬結(jié)果

沿線溫度分布隨停輸時(shí)間變化計(jì)算結(jié)果見圖2。

圖2 停輸過程中不同時(shí)刻沿線溫度分布圖Fig.2 Temperature distribution at different times during shutdown

2.2 再啟動(dòng)過程溫度模擬結(jié)果沿線溫度分布隨再啟動(dòng)時(shí)間變化計(jì)算結(jié)果見圖3。

圖3 再啟動(dòng)過程中不同時(shí)刻沿線溫度分布圖Fig.3 Temperature distribution at different times during restart

2.3 再啟動(dòng)壓力模擬結(jié)果

管道出站壓力與再啟動(dòng)時(shí)間關(guān)系圖見圖4，管道各點(diǎn)壓力分布與再啟動(dòng)時(shí)間關(guān)系見圖5。

對(duì)上述計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析如下：

（1）從圖2中可以看出，開始停輸時(shí)，沿線油溫分布曲線總是距上游加熱站越近溫降越大，曲線越陡；隨著距離的延長(zhǎng)溫降變緩，曲線變平。

（2）從圖3中可以看出，啟動(dòng)后，對(duì)于某一截面，熱油沒有到達(dá)時(shí)，該截面仍處于溫度下降階段，熱油到達(dá)后，該截面為溫度上升階段，隨著再啟動(dòng)時(shí)間的增加，溫度上升幅度越來越小，最終到達(dá)穩(wěn)定。

（3）從圖4可以看出，啟動(dòng)初始階段，壓力快速上升，此后上升較慢，啟動(dòng)15 h后趨于平穩(wěn)。

（4）從圖4、圖5可以看出，隨著啟動(dòng)過程的進(jìn)行，壓力波不斷向前推進(jìn)，各點(diǎn)壓力不斷升高，距出站端越近，壓力坡降越小。這主要是剛開始時(shí)啟動(dòng)時(shí)，隨著壓力波不斷向前推進(jìn)，管道中油品不斷開始流動(dòng)，管道中的摩阻損不斷增加，壓力快速上升。當(dāng)壓力波到達(dá)管道末端時(shí)，管道中油品全部流動(dòng)，管道中油品的溫度不斷升高，油品黏度不斷減小，管道摩阻不斷減小，從而出站壓力不斷降低，當(dāng)啟動(dòng)一段時(shí)間后，管道內(nèi)油品溫度基本不變，此后管道中消耗的摩阻基本不變，所以管道壓力趨于平穩(wěn)。

3結(jié)論

通過研究石油化工管線正常運(yùn)行情況、停輸情況和再啟動(dòng)情況，建立了埋地石油化工管線間歇輸送溫降數(shù)學(xué)模型。模擬歷史最不利氣候數(shù)據(jù)，觀察埋地管道溫度場(chǎng)的變化，并根據(jù)溫度場(chǎng)的變化情況，確定了埋地管道安全停輸時(shí)間。從計(jì)算結(jié)果可以得出如下方案：當(dāng)俄油輸量為23 300 t/d，出站溫度為45℃時(shí)，該管道在冬季停輸192 h后油品進(jìn)站溫度高于原油凝固點(diǎn)，可以安全再啟動(dòng)48 h達(dá)到工藝要求。該方案在鐵嶺－大連管道中得到應(yīng)用，保證了輸油管道安全越冬。

[1]吳明，楊惠達(dá)，鄧秋遠(yuǎn).熱油管道停輸過程中土壤溫度變化規(guī)律研究[J].西安石油學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2002（7）：51-55.

[2]吳明，楊惠達(dá)，鄧秋遠(yuǎn).埋地?zé)嵊凸艿劳］攺较驕亟狄?guī)律研究[J].石油化工高等學(xué)校學(xué)報(bào)，2001（3）45-50.

[3]M.N.奧齊西克.熱傳導(dǎo)[M].余昌銘，譯.北京：高等教育出版社，1983.

[4]張國(guó)忠，安家榮.熱油管道停輸再啟動(dòng)初始啟動(dòng)壓力波速度的計(jì)算[J].石油大學(xué)學(xué)報(bào)，1999（1）：72-73.

[5]嚴(yán)大凡.輸油管道設(shè)計(jì)與管理[M].北京：石油工業(yè)出版社，1986.

Study on Intermittent Transportation Technology in Petrochemical Heat Oil Pipeline

LI Jin1，ZHANG Su-xiang1，XIU Yan1，ZHANG Zhong-yang2
（1.School of Mechanical Engineering，Liaoning Shihua University，Liaoning Fushun 113001，China；2.PetroChina Fushun Petrochemical Company，Liaoning Fushun 113008，China）

Temperature drop of medium in petrochemical pipeline was studied during shutdown of petrochemical pipeline under influence of non-steady external environment，allowable shutdown time to control temperature drop in reasonable range was determined.Three operation situations for the buried pipeline including normal operation，shutdown and restart were researched and analyzed，and a mathematical model of temperature drop for intermittent conveying of the buried pipeline was established.Taking actual buried pipeline as an example，through simulating data of the most adverse past climate and observing the temperature field change of the buried pipeline，the simulation analysis of the shutdown and the restart was carried out by temperature field change，safe shutdown time of the buried pipeline was determined and a reliable basis for Tie-Da buried pipeline during the winter was provided.

Chemical pipeline；Intermittent transportation；Numerical simulation；Temperature field；Mathematical model

TE 832.2

A

1671-0460（2010）01-0026-04

2010-01-21

李 晉（1975-），女，高級(jí)工程師，工學(xué)碩士，2008年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)化工過程機(jī)械專業(yè)，現(xiàn)從事石油化工設(shè)備、油氣管道輸送技術(shù)等方面研究工作。電話：0413-6865042，E-mail：lijinfy@lnpu.edu.cn。