基于焓溫法的石克管線停輸溫降三維數值模擬

李慶杰，李媛媛，陳慧萍

（新疆油田油氣儲運公司, 新疆 克拉瑪依 834002）

無論是成品油管道還是原油管道，在輸送過程中，由于運行工況的變化,其停輸是不可避免的。分析原油管道停輸過程中的沿程降溫，對確定安全停輸時間，優化管道運行管理，提出再啟動方案及制定停輸檢修方案具有一定的指導作用。對于管道停輸溫降過程，國內外學者做了大量的工作，且成果顯著。D.E Thomton[1]分別對有保溫層和無保溫層管道進行了穩態和非穩態的數值計算，得出了解析解；王敏等[2]利用二維數學模型分別模擬了不同土壤導熱系數、大氣溫度的管道溫度場分布；許丹等[3]數值模擬了三維非穩態傳熱埋地管道溫度場模擬，該文章考慮了原有物性隨溫度變化的關系,對管道采用離散算法；盧濤等[4]建立了土壤、管道與原油相互耦合的傳熱模型并進行了停輸期間原油溫降的數值計算。本文綜合考慮了析蠟潛熱對溫降的影響，利用有限容積法進行方程離散，采用SIMPLE 算法進行求解，且得到了石克管線停輸溫降的演變過程，為優化管道運行提供了依據。

石克D377 管線始建于1996 年,起初為輸送天然氣管道,無保溫層,其防腐采用瀝青玻璃絲布,后由于實際工況需要,將其改輸陸梁原油,其首站石西距末站701 站全長147 km，與石克D273 管線并行輸送；但由于兩條管線間距較大，其溫度場不存在相互影響。由于冬季來臨，石克線輸量降低，且 D377 管線無保溫層，故欲進行間歇輸送或停輸。為了能夠合理安排輸送時間，必須對管道沿線及停輸時間做詳細分析。

1 模型的建立

1.1 數學模型

由于大氣溫度周期性變化，從而導致埋地管道周圍土壤溫度隨之改變，且土壤傳熱是一個非常復雜的非穩態傳熱過程，受土壤物性、水文參數、埋地深度等影響。本文利用管道內油品換熱量與土壤導熱量的平衡，建立了油流傳熱與土壤導熱之間的耦合關系。其基本假設：

（1） 假設土壤為各向同性的均勻介質；

（2） 管道內油品為牛頓流體；

（3） 不計管道沿線高程差。

1.1.1 土壤傳熱方程[5]：

1.1.2 停輸過程原油溫降控制方程

“焓溫法”又稱焓多孔度法，是將單元網格內流體所占有的體積分數定義為多孔度，把固體和流體并存的區域視作動態的多孔介質。因為所分析流體為多種組分混合物，凝點不一，即在一定的溫度范圍內可連續出現凝固現象，鑒于這一特點，將凝油區定義為純固區和混合區兩相，依照多孔介質的傳熱理論，使用凝固區原油質量方程、動量方程以及能量方程[4,6]：

固區原油質量方程：

動量方程為：

式中：ε 為混合區液相原油的體積分數，可表示為：

S 為源項，可表示為：

能量方程為：

式中：H 為凝固區固態原油和液態原油的焓，可表示為：

式中： Ci—固相原油的比熱；

Cj—液相原油的比熱；

L—析蠟潛熱；

γ—原油凝固溫度變化范。

1.1.3 邊界條件

保溫層與土壤接觸面：

2 數值模擬及結果分析

2.1 停輸前后溫度場對比分析

石克 D377 管線全長 147 km, 管徑 377×7/6 mm，埋深1.8 m，出站油溫41 ℃，進站油溫20.1℃，出站壓力3.18 MPa,進站壓力0.35 MPa，原油粘度隨溫度的變化關系見圖2；原油密度859 kg/m3，比熱容2 225 /(kg·K)，導熱系數0.14 W/(m·K)；土壤參數：密度1 806 kg/m3，導熱率1.2 W/(m·K)，比熱容1 818 J/(kg·K)，埋地8 m 處地溫恒定，其值為18 ℃；時限參數取地表平均風速2 m/s，當月平均環境溫度-5 ℃，埋地處管道沿線地溫12 ℃。

圖1 出站41 ℃時油溫隨軸向距離變化曲線Fig.1 Oil temperature change with axial distance at 41 ℃

石克D377 輸送陸石油，其凝點為16 ℃，根據輸送要求進站溫度需高于凝固點3 ℃以上，通過計算進站溫度為21 ℃，滿足工藝需求。由圖2 可以看出，溫度高于30 ℃，油品粘度較小，低于30 ℃，粘度大幅度上升，這表明，低于此溫度，油品中的蠟晶開始析出，隨著溫度的進一步降低，蠟晶大量析出，并形成網狀結構，表現為油品粘度增加，低于20 ℃以后，粘溫曲線變得非常陡峭，因此在20℃以下，油品中的蠟晶開始大量析出，故在輸油時，優先保證輸油溫度高于20 ℃。

由圖3 可以看出，當停輸17 h 后，其管道末端溫度為16 ℃，達到其凝點溫度，至此可以得出其停輸時間為17 h，隨著時間的推移，其溫度將持續降低，管段油流將沿末端向前逐步凝結。

由圖 3 可以看出,出站溫度較高時,軸向溫降較快，隨著距離的增加，溫度的降低，其溫降速度明顯減弱。并從圖4-8 可以得出如下結論：

圖2 油品的粘溫曲線Fig.2 Oil viscosity-temperature curve

圖3 停輸前后溫度變化曲線圖Fig.3 Temperature curve before and after shutdown

圖4 三維數值模擬局部放大圖Fig.4 Enlarge map of three-dimensional numerical simulation

(1)在穩態條件下，停輸前后距出口越近，管道正下方等溫線越稀疏，而距出口越遠，其等溫線越密，這主要是由于溫度梯度所造成；

(2)在同一截面處，停輸后的等溫線較停輸前的等溫線密集；

(3)停輸前后，管道正下方同一截面處的相同位置，停輸前的溫度較停輸后的溫度高，由于停輸時間較短，溫差不明顯，隨著輸送距離的增長，這種溫差越來越小；

(4)由于停輸后原油溫度降低，土壤吸收管道熱量減少，從末端開始，管道周圍溫度場受環境影響增大。

圖5 停輸前出站溫度場Fig.5 the temperature field at the station before shutdown

圖6 停輸17 h 后出站溫度場Fig.6 The temperature field at the station after shutdow17 h

圖7 停輸前147 km 處溫度場Fig.7 Shutdown temperature field at 147 km

圖8 停輸17 h 后147 km 溫度場Fig.8 The temperature field at 147 km after shutdown 17 h

2.2 出站溫度對停輸時間的影響

為了便于分析石克D377 管線的停輸特性，在其他條件不變的情況下，只改變出站溫度，計算其進站油溫和停輸時間。由表1 可以看出，單純提高出站溫度，延長停輸時間效果并不明顯。在此基礎上，結合當地最冷月氣象溫度，得出了在沿線埋地管段為2 ℃的地溫下，欲使管道順利輸送而不凝管，需要將出站油溫增加到78 ℃，這將大大增加輸送成本，不利于管道的優化運行（圖9，10）。

圖9 不同出站溫度的軸向溫降Fig.9 Axial temperature drop at different outbound temperature

圖10 最冷月的出站溫度Fig.10 Outbound temperature at the coldest month

表1 不同出站溫度的停輸時間Table 1 Shutdown time at different outbound temperature

3 結束語

利用焓溫法建立的三維數學模型，得到了熱油管道停輸過程中的溫度場分布，通過分析可以得出，在其短暫的停輸時間內，管道溫度場變化不明顯，給合理安排停輸時間及再啟動過程中溫度場恢復時間提供了理論依據。并結合實際情況，計算出不同出站溫度的停輸時間及最冷月的輸送溫度，能夠給管道優化運行提供可靠的理論支持。

［1］ Thomton D E. State –state and quasi –static thermal results for bare insulted pipes in permafrost CAN[J]. CEQTEH,J， 1976, 13（2）:56-57.

［2］ 王敏，于遠洋.埋地熱油管道停輸溫降的CFD 模擬[J].科學技術與工程,2011 ,11（22）: 5281-5284.

［3］許丹，申龍涉，杜明俊,等.埋地熱油管道停輸三維非穩態傳熱過程的數值模擬[J].遼寧石油化工大學學報，2010,30（4）:47-50.

［4］盧濤，姜培學.埋地原油管道停輸期間溫降及原油凝固傳熱模型及數值模擬[J].熱科學與技術，2005,4:298-302.

［5］邢曉凱,等.埋地熱油管道正常運行溫度場的確定[J]. 油氣儲運,1999, 18( 12): 8-13.

［6］劉揚，袁亮，魏立新.慶哈原油管道停輸時間的模擬[J].油氣儲運，2009, 4（28）:16-18.

［7］杜明俊，馬貴陽，陳笑寒.凍土區埋地熱油管道停輸溫降數值模擬[J].天然氣與石油,2010, 4 (28):54-57.

［8］ 劉剛，張國忠，張園園.熱含蠟原油管道內停輸溫降計算[J].中國石油大學學報（自然科學版），2010，5（34）:136-140.