寒區(qū)輸油管道正反輸溫降規(guī)律分析

周剛 張偉 楊林 等

摘 要：采用SPS仿真軟件建立寒區(qū)埋地?zé)嵊凸艿赖恼摧敺抡婺Ｐ停瑢?duì)正反輸送工藝的溫降變化進(jìn)行仿真。分析正反輸運(yùn)行時(shí)沿線油溫隨時(shí)間變化規(guī)律，首站油溫隨時(shí)間變化規(guī)律及不同時(shí)刻加熱后的油頭在管道中流動(dòng)時(shí)的溫降變化規(guī)律。仿真結(jié)果分析表明，反輸開(kāi)始后，反輸首站油溫先迅速降低后升高，最后達(dá)到穩(wěn)定，且反輸運(yùn)行溫降變化在20h左右達(dá)到穩(wěn)定；對(duì)于保溫管道，反輸最低溫度出現(xiàn)在冷油頭到達(dá)首站時(shí)，在制定正反輸運(yùn)行方案時(shí)需特別注意。通過(guò)運(yùn)用SPS軟件對(duì)埋地?zé)嵊凸艿勒摧敎亟捣治觯蓪?duì)以后制定正反輸運(yùn)行方案具有一定指導(dǎo)意義。

關(guān) 鍵 詞：寒區(qū)；輸油管道；正反輸；SPS仿真軟件；溫降

中圖分類號(hào)：TE 832 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1671-0460（2016）03-0542-03

Abstract： Pipeline simulation software SPS was adopted to establish the simulation model of right and reverse transportation of buried oil pipelines in cold region. The law of the temperature drop during the process of right and reverse transportation was analyzed， including temperature variation along pipes and in initial station over time， and temperature drop variation when oil head floating after heating at different moments. The simulations suggest that oil temperature in initial station drops rapidly and then increases when reverse transportation beginning， keeps stable finally. The temperature variation during reverse transportation is little after 20 h. The lowest temperature of insulated pipeline during reverse transportation appears as cold oil head reaches to initial station. Analysis of the temperature drop during the process of right and reverse transportation of buried hot oil pipeline based on SPS has guiding significance to make the plan of right and reverse transportation in future.

Key words： Cold region；Oil pipeline；Right and reverse transportation；SPS；Temperature drop

目前國(guó)內(nèi)大部分油田已處于開(kāi)發(fā)中后期，尤其是大慶油田、呼倫貝爾油田等寒區(qū)油田，油田產(chǎn)能下降，導(dǎo)致原油管道處于低輸量運(yùn)行狀態(tài)。由于寒區(qū)原油具有高凝點(diǎn)、高含蠟、高粘度的“三高”特點(diǎn)，低輸量運(yùn)行會(huì)使管道溫降增大，凝管概率大大升高[1]。正反輸送工藝是解決低輸量運(yùn)行的一種有效方法[2-3]，本文運(yùn)用油氣管道仿真軟件SPS[4]建立寒區(qū)輸油管道的正反輸仿真模型，對(duì)正反輸過(guò)程的溫降規(guī)律進(jìn)行仿真，并對(duì)反輸運(yùn)行時(shí)的溫降進(jìn)行分析。

1 SPS軟件簡(jiǎn)介

（Stoner Pipeline Simulator）SPS能夠?qū)艿垒斔偷膯我环N流體，批次流體或單相混合流體進(jìn)行模擬，是先進(jìn)的瞬態(tài)水力模擬軟件。SPS通過(guò)計(jì)算流量、壓力、密度、溫度和其它一些沿管線隨時(shí)間變化的變量來(lái)建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，以此來(lái)對(duì)復(fù)雜的工況調(diào)節(jié)進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真，是國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的高精度長(zhǎng)輸管道工藝仿真計(jì)算軟件，已經(jīng)在國(guó)內(nèi)秦京線[5]、烏蘭線[6]等多條管道中成功得到應(yīng)用。

2 正反輸運(yùn)行模型的建立

2.1 基礎(chǔ)仿真參數(shù)

東北某原油管道全長(zhǎng)39.5 km，管徑DN200，全線設(shè)有首站、末站，輸送介質(zhì)為原油，末站壓力為0.3 MPa。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)正反輸運(yùn)行方案，正輸運(yùn)行時(shí)首站溫度為82℃，輸量為80 m3/h，反輸運(yùn)行時(shí)末站溫度為75 ℃，輸量為97 m3/h，正輸切反輸操作流程按80 min計(jì)算。管道、環(huán)境相關(guān)參數(shù)及沿線高程示意圖如表1和圖1所示。

2.2 正反輸送工藝模型建立

假設(shè)條件：在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行中，正反輸送工藝流程切換需進(jìn)行大量設(shè)備操作和流程切換，由于復(fù)雜的流程切換主要是為了保證正反輸切換過(guò)程的安全性，本文在運(yùn)用SPS進(jìn)行仿真模擬時(shí)將正反輸送工藝切換流程進(jìn)行簡(jiǎn)化，在MODEL BUILDER中建立簡(jiǎn)化后的正反輸送模型如圖2所示。

將管道高程-距離曲線及相關(guān)參數(shù)輸入到軟件中，正反輸送溫降計(jì)算選擇TRANSTHERMAL傳熱計(jì)算模型，土壤邊界選擇等效圓筒模型邊界。

3 正反輸運(yùn)行溫降規(guī)律分析

3.1 正輸運(yùn)行及正輸切反輸過(guò)程中沿線溫度變化

在相關(guān)參數(shù)輸入及模型建立以后，首先需要對(duì)模型進(jìn)行正輸穩(wěn)態(tài)運(yùn)行仿真。將多組現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)輸入軟件，在INTRAN文件中編寫(xiě)正輸控制程序，使正輸達(dá)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，通過(guò)INGRAF文件編寫(xiě)相關(guān)程序?qū)⒂?jì)算結(jié)果在OUTGRF中進(jìn)行輸出。

在INTRAN文件中編寫(xiě)正輸切反輸流程控制程序，為了避免水擊造成壓力波動(dòng)過(guò)大現(xiàn)象出現(xiàn)，緩慢依次關(guān)閉閥B1，閥B3，并依次打開(kāi)閥B4，閥B2，切換到反輸運(yùn)行狀態(tài)。，正輸穩(wěn)態(tài)運(yùn)行及正輸切反輸過(guò)程管道沿線油溫變化仿真結(jié)果如圖3所示。

由表2分析可知，由于管道保溫層具有很好的隔熱作用，阻礙了管道中存油向周圍土壤的散熱，使得正輸穩(wěn)態(tài)運(yùn)行與正輸切反輸流程結(jié)束后的管道沿線油溫變化不大。

3.2 反輸運(yùn)行冷油頭及沿線溫度變化

正輸切反輸過(guò)程結(jié)束后，進(jìn)入反輸運(yùn)行狀態(tài)，反輸運(yùn)行模型的初始條件為正輸切反輸過(guò)程結(jié)束后的管道沿線油溫，周圍土壤溫度為穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)所建立的土壤溫度場(chǎng)。反輸運(yùn)行油溫隨時(shí)間變化仿真結(jié)果如圖4所示。由圖4，通過(guò)分析整個(gè)反輸運(yùn)行過(guò)程中管道各距離處每一時(shí)刻管內(nèi)原油沿線油溫隨反輸運(yùn)行時(shí)間的變化可知，反輸開(kāi)始后冷油頭反向推進(jìn)，最終冷油頭到達(dá)首站處的溫度要低于正輸時(shí)的末站溫度，這是由于管道保溫層的隔熱特性引起的，反輸時(shí)保溫層隔絕了土壤向冷油頭傳熱，使冷油頭在管道輸送過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)溫升現(xiàn)象，反而出現(xiàn)了進(jìn)一步的溫降。

另外，反輸開(kāi)始后末站油溫與土壤溫度之間的溫差較大，出現(xiàn)較大的溫降梯度使油溫迅速降低，隨著運(yùn)行時(shí)間的積累，由于熱油頭在管道不斷向前推移，出現(xiàn)溫降梯度較大的管段部分也隨之向前推移，同時(shí)，不斷有新的熱油頭對(duì)周圍土壤進(jìn)行傳熱，進(jìn)而使熱油頭與土壤之間的溫差減小，最終在20 h左右反輸運(yùn)行管道內(nèi)油溫達(dá)到穩(wěn)態(tài)。

3.3 反輸首站油溫分析

反輸首站油溫隨時(shí)間變化仿真結(jié)果如圖5所示。

由圖5分析可知，反輸開(kāi)始后，首站附近處存留的原油溫度較高，與土壤溫差較大，使首站處油溫迅速下降，當(dāng)管內(nèi)全部存油排出管道時(shí)，首站油溫達(dá)到最低點(diǎn)，這也是正反輸送整個(gè)過(guò)程中出現(xiàn)的最低油溫點(diǎn)，是需要特別注意的。之后，隨著熱油不斷經(jīng)過(guò)首站，使首站處油溫不斷升高，最終在20h左右首站油溫達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

3.4 加熱后的末站原油在管道中的溫度變化

不同時(shí)刻加熱后的油頭在管道中流動(dòng)時(shí)的溫降變化過(guò)程如圖6所示。

由圖6分析可知，0 h末站的熱油頭油溫較高，而由于正輸結(jié)束時(shí)此處的土壤溫度較低，使末站熱油頭油溫迅速下降，將熱量傳遞給周圍土壤系統(tǒng)，使周圍土壤溫度升高，進(jìn)一步使下一時(shí)刻的熱油頭與周圍土壤之間的溫差減小，由此驗(yàn)證了之前溫降分析的準(zhǔn)確性。最終在5 h時(shí)的熱油頭流過(guò)管道時(shí)油溫變化趨于穩(wěn)定，由于模擬反輸流量為97 m3/h，經(jīng)計(jì)算熱油頭需要15 h左右流經(jīng)整個(gè)管道，這與前述所分析的反輸運(yùn)行20 h左右達(dá)到穩(wěn)定是一致的。

4 結(jié)論與建議

（1）運(yùn)用SPS仿真軟件構(gòu)建正反輸送工藝仿真模型，對(duì)正反輸送工藝的管道油溫溫降變化進(jìn)行仿真。

（2）通過(guò)對(duì)正反輸運(yùn)行時(shí)沿線油溫隨時(shí)間的變化進(jìn)行分析，得出反輸開(kāi)始后，所選管道在20h左右達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行，且對(duì)于保溫管道，最低溫度出現(xiàn)在冷油頭到達(dá)首站時(shí)，制定反輸方案時(shí)需特別留意。

（3）通過(guò)對(duì)反輸首站油溫隨時(shí)間的變化進(jìn)行分析，得出反輸首站油溫先降低再升高，最后達(dá)到穩(wěn)定的溫降規(guī)律。

（4）通過(guò)分析加熱后油頭在管道中溫度變化，得出反輸時(shí)，熱油頭對(duì)周圍土壤系統(tǒng)進(jìn)行傳熱的規(guī)律，進(jìn)一步驗(yàn)證了之前溫降分析的準(zhǔn)確性，并對(duì)寒區(qū)輸油管道制定正反輸送運(yùn)行方案提供一定指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)：

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