埋地熱油管道投產運行規律探討與淺析

婁 晨，林 棋

（中國石油大學（北京）油氣管道輸送安全國家工程實驗室，北京 102249）

埋地熱油管道投產運行規律探討與淺析

婁 晨，林 棋

（中國石油大學（北京）油氣管道輸送安全國家工程實驗室，北京 102249）

為了掌握原油管道投產運行規律，探討了埋地熱油管道投產過程中管內介質溫度以及管外土壤溫度場的變化規律，并分析土壤導熱系數、輸量對管內介質和管外土壤溫度場的影響，并對不同預熱方式進行淺析比選。結果表明：土壤導熱系數和管道輸量是埋地熱油管道投產過程的主要影響因素;悶管預熱的能量利用率最高，正向預熱效果最好。

埋地熱油管道；投產；預熱；溫度；探討

近些年我國管道行業的迅速發展，西部原油管道、蘇丹原油管道、中俄、中哈及中緬管道等一系列國內外大型管道工程建成投產。“十二五”期間，隨著國家戰略能源通道的建設，還將有大批原油管道工程建成并投入生產運行。這些原油管道工程中，有很大一部分是加熱輸送的原油管道。這些熱油管道的安全、穩定運行，對于保障國家能源安全具有重要意義。作為由建設施工轉入生產運行的關鍵階段，熱油管道的投產過程對于檢測管道的設計和施工質量具有重要意義。一個完整的預熱投產過程由預熱和介質置換兩部分組成，對于埋地熱油管道而言，原油的輸送溫度是決定管道安全、經濟運行的關鍵［1］。

1 原油管道預熱投產概述

1.1 預熱方式

在投產過程中，不同于等溫輸送的原油管道，熱油管道及土壤溫度場始終處于瞬態，是一個雙耦合問題（介質流動與傳熱耦合、介質換熱與土壤導熱耦合），任何事故或計劃停輸都將增大凝管風險。原油管道預熱過程涉及介質和土壤兩個熱力問題。對于介質主要采用熱力特征線法和有限差分法；對于土壤主要采用半經驗公式法、有限差分法、有限元法、邊界元法和有限容積法[2]。

預熱目的是建立一個符合管道運行要求的土壤溫度場，以滿足管道安全運行的要求。滿足要求的預熱方案有很多種，從安全、經濟的角度，存在一個較為優化的方案[3]。在埋地原油管道的預熱方式中，主要有以下五種方法：(1)正向預熱：從管道起點注入預熱介質進行預熱，當進站溫度和管道沿線溫度場基本穩定后，從管道起點進行投油再轉入生產運行；(2)反向預熱：從管道末點注入預熱介質進行預熱，當管道起點位置溫度和沿線溫度場基本穩定后，從管道起點進行投油再轉入生產運行；(3)“悶管”：首先從管道起點注入預熱介質，預熱一段時間后，全線停輸，使熱量通過自然對流的方式由預熱介質傳遞到管壁，再由管壁通過導熱傳遞到土壤中，達到預計停輸時間后，再轉入投油運行；(4)正反向預熱：首先從管道起點注入預熱介質，預熱一段時間后，改向管道末點注入預熱介質對管道進行預熱，滿足設計預熱時間后，再由管道起點位置向管道內投油運行；(5)反正向預熱：與正反向預熱方式相反，投油生產運行過程相同。

1.2 基本方程

管內介質的連續性方程、動量方程和能量方程：

由基本方程組得到介質與管壁的換熱方程、管壁和防腐層的導熱方程及管道周圍土壤的導熱方程：

式中：τ—時間，s；

Z—距管道起點的距離，m；

ρ—管內介質在截面處的平均密度，kg/m3；

V—管流介質的平均速率，m/s；

A—管道的截面積，m2；

g—重力加速度，m/s2；

α—管道軸向與水平方向的夾角；

P—介質在截面處的平均壓力，Pa；

f—達西摩阻系數；

D—管道有效流通截面的直徑，m；

u—管內介質比內能，J/kg；

s—相鄰單元間的高程差，m；

h—管內單位質量介質的比焓，J/kg；

q—管內介質與單位面積的管壁在單位時間內的熱交換量，W/m2；

Cp—管內介質的定壓比熱容，J/(kg?℃)；

T—管內介質溫度，K；

β—管內介質的膨脹系數，K-1；i

ρ —第 i層的密度，kg/m3；

Ci—第 i層的比熱容，J/(kg?℃)；

Ti—第 i層的溫度，℃；

r —徑向位置，m；

θ—環向弧度；

Cs—土壤的比熱容，J/(kg?℃)；

Ts—土壤的溫度，℃；

x—距離管道中心豎直截面的橫向距離，m；

y—距離地表的縱向深度，m。

2 運行規律分析

建立如下埋地熱油管道站間計算模型：管道規格 mm，站間距 120 km，預熱介質為水，管壁導熱系數及地表對流換熱系數分別為 48 W/(m?℃)、20.6 W/(m?℃)，土壤密度 2225 kg/m3，土壤導熱系數 1.4 W/(m?℃)，土壤比熱容 1 085 J/(kg?℃)，油品密度 864 kg/m3（凝點為 20 ℃）。

2.1 土壤、預熱及輸送介質溫度變化規律

基于正向預熱方式，對上述模型進行計算（預熱 96 h、投油 96 h），分析各參數的變化規律。

由圖 1（a）可得：預熱 24 h 后熱水頭到達管道末端，管道末點介質溫度接近管道中心埋深處的自然地溫。隨著預熱過程的推進，預熱介質不斷向管道周圍土壤放熱，土壤溫度升高，管道內介質的熱損失也不斷減小，溫度不斷升高，溫升速率也不斷減小；預熱介質沿線溫度穩定后，向管道中投油置換預熱水。

圖 1 正向預熱算例-計算結果Fig.1 The calculated results of preheating process

如圖 1（b）介質置換過程完成后，管道前半段油品的溫度會小幅上升，而后半段油品的溫度則會顯著降低，直至管道介質及周圍土壤的換熱重新達到穩定；由圖 1（c）可得：各點軸向位置的介質溫度變化規律是一致的。隨著距離的增加，介質溫度發生突變的時刻也有所推移，且其變化更趨于平緩。這是因為隨著距離的增加，介質溫度顯著降低，其與周圍土壤換熱的強度也不斷減弱（介質溫度突變滯后的時間即為介質從上游位置流動到下游位置所用的時間）；由圖 1（d）可得：各土壤監測點的溫度要顯著低于同時刻管內介質的溫度，與管壁距離較近的土壤監測點（0.5 m）溫度呈現出與管內介質溫度類似的變化規律，但存在一定的滯后性，主要是由于土壤導熱；隨著與管壁之間距離的增加，土壤監測點溫度受管內介質溫度變化的影響逐漸減小，土壤蓄熱主要發生在管道附近區域。

2.2 影響因素分析

2.2.1 土壤導熱系數

從圖 2（a）中可以看出，隨著土壤導熱系數的增大，預熱結束后管道沿線原油溫降幅度增大。此外，還可以看出管道前半段的溫降速率也隨著土壤導熱系數的增大而增大。因為埋地熱油管道周圍的土壤可以視為一種廣義上的“保溫層”。土壤導熱系數越低，“保溫層”的保溫效果越好，管內介質的熱損失也越小。管道終點處管內介質溫度隨時間的變化如圖 2（b）所示，在不同土壤導熱系數下，介質溫度均會在一定的時間延遲后急劇升高，然后漸漸趨于定值；預熱結束投油運行后，介質溫度會首先降低，然后逐漸趨于定值。正向預熱時介質升溫所滯后的時間即為介質從管道起點流動到監測點所在位置所需要的時間，而管道投油后監測點介質溫度下降是由于原油的比熱容顯著小于水所造成的。并且，土壤導熱系數越大，監測點處正向預熱和投油運行的平衡溫度均越低。

土壤導熱系數小幅上升將會使管道投油運行后全線溫度大幅降低，說明土壤導熱系數是埋地原油管道投產過程中的一個敏感變量，其數值的準確性對計算結果的影響較大。因此，分段精確測定管道沿線的土壤導熱系數對于管道投產工作的順利開展是非常必要的。

圖 2 土壤導熱系數對預熱投產的影響Fig.2 Influence of soil heat conductivity in preheating process

2.2.2 管道輸量

從圖 3（a）中可以看出，隨著輸量的增大，預熱結束后管道沿線原油溫度分布趨于平緩，溫降幅度減小。這主要是由于輸量增大后，管內介質的流速增大，單位體積的介質與管壁的換熱強度降低，單位體積的介質向周圍土壤散失的熱量下降，使得進站油溫升高。在管道終點處管內介質溫度隨時間的變化如圖 3（b）所示，可以看出，隨著輸量的增加，各監測點處溫度拐點的出現時間均有所提前。這主要是因為介質流速增加，流過相同的距離所需的時間縮短。此外，還可以看出，管道沿線不同位置處由于輸量不同產生的介質溫差隨著里程的增加而增加。由此說明，在實際投產過程中，若加熱爐功率一定，優選并適度增大輸量將對提升預熱效果起到積極作用。

圖 3 管道輸量對預熱投產的影響Fig.3 Influence of throughput in preheating process

2.3 預熱方式比選

正向預熱及反向預熱時間均為 96 h，正反向及反正向的預熱時間均為正向預熱 48 h、反向預熱 48 h，悶管預熱時間為 48 h，再停輸悶管 48 h；五種預熱方式的投油時間均為 96 h。由此進行預熱方式比選。

由圖4可得：由于不同預熱方式預熱介質的有效傳熱位置不同，原油將管內預熱介質置換完成時，不同預熱方式的沿線油溫分布差別較大；隨著投油時間延長，管道沿線土壤溫度分布將逐漸趨于運行穩定后管道沿線的土壤溫度分布，使得不同預熱方式下沿線油溫分布的差異逐漸縮小。可以看出，管道投油運行96 h后，正向預熱的整體油溫分布最高，反向預熱整體油溫分布最低，“悶管”、反正向輸送以及正反向輸送依次位于兩者之間。

由圖5可得：由于預熱介質輸送方向不同，在預熱過程的前 48 h，管道上游位置正向預熱、正反向預熱以及“悶管”三種預熱方式的管內介質溫度高于反向預熱和反正向預熱的管內介質溫度；管道下游位置則表現出相反的趨勢。在正反向預熱和反正向預熱調換介質輸送方向后，管道上游位置反正向預熱的管內介質溫度開始顯著升高，正反向預熱的管內介質溫度開始顯著下降；管道下游位置仍表現出相反的趨勢。 “悶管”方式在管道停輸后則表現為全線溫度下降。

由表1可得：不同預熱方式的管道沿線土壤蓄熱量不盡相同。預熱結束時刻，正向預熱和反向預熱的土壤蓄熱總量最大，“悶管”的土壤蓄熱總量最小，正反向預熱和反正向預熱的土壤蓄熱總量相等，并位于兩者之間[7]；投油運行 96 h 后，土壤蓄熱總量由大到小依次為正向預熱、反正向預熱、反向預熱、正反向預熱和“悶管”。

圖 4 投油 96h 后管道沿線原油溫度分布Fig.4 Oil temperature along the pipeline at 96h after preheating

表1不同預熱方式土壤總蓄熱量值Table 1 Total soil thermal storage along the pipeline in different preheating plans

3 結 論

（1）通過所建計算模型，以正向預熱為例，探討了原油管道預熱投產過程中管內介質溫度的變化規律以及管外土壤溫度場的變化規律；

（2）分析了土壤導熱系數及管道輸量對管道投產的具體影響，發現土壤導熱系數是原油管道投產熱力過程的一個敏感變量，其數值的準確性對計算結果的影響較大；管道輸量對預熱效果的影響較大，預熱過程中應優選并適度增大輸量；

（3）對正向預熱、反向預熱、正反向預熱、反正向預熱及“悶管”五種預熱方式進行了比選研究。研究發現，正向預熱的預熱效果最好，“悶管”的能量利用率最高，經濟性最好；

（4）下一步可結合現場管道的投產運行數據，驗證本文的理論計算結果，從而使得理論與實驗相互統一。

［ 1］ 崔 巖 .原 油 長 輸 管 線 投 產 運 行 參 數 控 制 與 判 斷 .油 氣 田 地 面 工程,2010,29(8):53-54.

［2］ B.M.阿卡帕金,Б.Л.克里沃舍因,В.А.尤芬著.羅塘湖譯.原油和油品管道的熱力與水力計算.北京:石油工業出版社,2006:234-244.

［3］王凱,張勁軍,宇波.原油差溫順序輸送管道溫度場的數值模擬研究.西安石油大學學報(自然科學版),2008,23(6):63-66.

［ 4］ 王 昆,王 東 生 ,孫 超.埋 地 熱 油 管 道 正 向 預 熱 過 程 的 計 算 .油 氣 儲運,2010,29(1):25-27.

［ 5］ 毛 珊 ,王 欣 然,宇 波 .原 油 管 道 YOYO 系 統 流 動 安 全 性 .油 氣 儲運,2012,31(5):345-348.

［6］李長俊,駱建武,陳玉寶.埋地熱油管道啟輸熱力數值模擬 .油氣儲運,2002,21 (12):35-38.

［7］ Yu B, Li C, Zhang Z et al. Numerical simulation of a buried hot crude oil pipeline under normal operation. Applied Thermal Engineering, 2010, 30(17-18):2670-2679.

Discussion and Analysis on Commissioning of Buried Heated Crude Oil Pipeline

LOU Chen, LIN Qi
（National Engineering Laboratory for Pipeline Safety, China University of Petroleum, Beijing 102249, China）

In order to master the law of commissioning and operation of crude oil pipeline, the change laws of media temperature in the pipeline and soil temperature around the pipeline during commissioning of buried heated crude oil pipeline were discussed. The impact of soil heat conductivity, throughput to the thermodynamic characteristics of media inside the pipeline as well as the soil around the pipeline was analyzed. Then the performance of different preheating ways was compared. The results show that soil heat conductivity and pipeline throughput are two critical variables in the preheating commissioning of heated crude oil pipelines, the preheating of stuff tube has the highest energy efficiency, the forward preheating is the best in preheating effect.

Buried heated crude oil pipeline; Commissioning; Preheating; Temperature; Discussion

TE 832

： A文獻標識碼： 1671-0460（2014）07-1357-04

2014-03-19

婁 晨 （ 1990-）， 女 ， 中 國 石 油 大 學 （ 北 京 ） 油 氣 儲 運 專 業 在 讀 研 究 生 ， 研 究 方 向 ： 長 輸 油 氣 管 道 仿 真 計 算 。 E-mail：louchen1990@petrochina.com.cn。