冷熱原油交替輸送研究現(xiàn)狀與展望

丁晉晉，韓鋼，劉德俊，石博文，李詩航（.遼寧石油化工大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 300； .舟山實(shí)華原油碼頭有限公司，浙江 舟山 36000）

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冷熱原油交替輸送研究現(xiàn)狀與展望

丁晉晉1，韓鋼2，劉德俊1，石博文1，李詩航1
（1.遼寧石油化工大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001； 2.舟山實(shí)華原油碼頭有限公司，浙江 舟山 316000）

摘要：冷熱油交替輸送是符合我國國情的一種輸送工藝，具有很大的研究價(jià)值。我國的研究起步相對較晚，經(jīng)過幾十年的努力，取得了很好的成果。介紹了冷熱油交替輸送中管道土壤傳熱、管內(nèi)非穩(wěn)態(tài)傳熱流動(dòng)研究的常用幾種方法以及耦合計(jì)算的數(shù)學(xué)模型、求解步驟和原理，分析了近年來國內(nèi)冷熱油輸送技術(shù)的成果。最后，結(jié)合國內(nèi)的研究進(jìn)展，對今后的研究做了展望。

關(guān)鍵詞：交替輸送；土壤傳熱；耦合計(jì)算；數(shù)學(xué)模型；研究展望

我國的能源消費(fèi)需求增長迅猛。根據(jù)BP石油公司2014年世界能源回顧，到2013年，中國已經(jīng)成為世界上最大的能源生產(chǎn)國和消費(fèi)國。其中，作為傳統(tǒng)能源的石油，仍然占據(jù)很大的消費(fèi)比例。2013年我國原油消費(fèi)達(dá)到 50.74億 t，比 2012年增長3.8%，而同年，國內(nèi)原油產(chǎn)出只有20.81億t，存在巨大的需求缺口［1］。

為了滿足國內(nèi)的消費(fèi)需求以及實(shí)施國家能源安全戰(zhàn)略，近年來我國大量進(jìn)口國外原油。國外原油通常具有凝固點(diǎn)低，流動(dòng)性較好等特點(diǎn)，可常溫輸送，而國產(chǎn)原油多為凝固點(diǎn)高粘度大，需加熱輸送。如果將進(jìn)口原油與國產(chǎn)原油摻混輸送，雖然技術(shù)上沒有問題，但是混合后的物性改變，對會(huì)煉廠加工造成困難，也不利于煉制高品質(zhì)油品，造成浪費(fèi)。因此，原油順序技術(shù)得到了重視。進(jìn)口原油與國產(chǎn)原油的順序輸送過程，由于凝固點(diǎn)差距大，需要加熱溫度不同，實(shí)際是一個(gè)冷熱油交替的過程。這個(gè)過程是個(gè)影響因素眾多復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)水力熱力過程。

1　冷熱原油交替輸送應(yīng)用

1999年，美國Pacific Pipeline對不同種原油進(jìn)行順序輸送（見表1）。該管道長209 km，管徑508 mm，輸量17 800 t/d。由表中數(shù)據(jù)可見，SJVH重質(zhì)原油在32.0 ℃時(shí)運(yùn)動(dòng)粘度19 610 cst，而LITE輕質(zhì)原油在21.1 ℃時(shí)運(yùn)動(dòng)粘度只有35 cst，管道的運(yùn)行溫度變化范圍廣。從這些方面可以看出，Pacific Pipeline具有輸送原油種類多，物性差別顯著，操作條件變化幅度大等特點(diǎn)，也說明冷熱原油交替輸送的可行性。但是，文獻(xiàn)并沒有相關(guān)技術(shù)性內(nèi)容的報(bào)道［2，3］。

相比國外原油順序輸送技術(shù)，國內(nèi)起步相對落后。上世紀(jì)70年代末，我國先后在湛茂線和魯寧線進(jìn)行了原油順序輸送的嘗試，但是最終都沒有能夠得到成功的原油順序輸送的適用經(jīng)驗(yàn)。近十幾年來，我國的研究工作者和科研單位對原油順序輸送進(jìn)行了相關(guān)技術(shù)研究和實(shí)驗(yàn)，取得了一定的成果。2006年，管道科技中心在新大線實(shí)地進(jìn)行了首次冷熱油交替輸送先導(dǎo)試驗(yàn)。試驗(yàn)歷時(shí)30 d，經(jīng)過7次不同輸量的循環(huán)，是國內(nèi)冷熱油交替輸送的先例，為冷熱油交替輸送提供了技術(shù)儲(chǔ)備和安全保障。2007年，在西部原油管道上，對塔里木油、塔里木-北疆混合油、吐哈油和哈國油采用了冷熱順序輸送方式［4］。同年，慶鐵老線對俄油和大慶油進(jìn)行冷熱順序輸送。

表1　美國太平洋管道5種原油的物性Table 1　Properties of 5 kinds of oil in Pacific pipeline

2　冷熱油輸送研究方法

2.1冷熱油管道土壤中的傳熱研究方法

冷熱油交替輸送管道在土壤中傳熱是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)過程。輸送熱油時(shí)，熱油向土壤散熱，土壤吸熱蓄熱；輸送冷油時(shí)，土壤蓄熱此時(shí)對冷油加熱，并且隨著交替的批次增加，呈現(xiàn)一定的周期性。研究管道在土壤中的傳熱，可以對交替耦合的情況進(jìn)一步研究，也能為停輸再啟動(dòng)提供依據(jù)。由于管外土壤為半無限大區(qū)域，在研究中無法進(jìn)行直接的計(jì)算，需要通過一些簡化、變形后才能計(jì)算。目前計(jì)算管外土壤溫度場的方法主要有源匯法、因次分析法、熱力影響區(qū)域法和雙極保角變換法［5-11］。

源匯法，是將半無限大空間內(nèi)穩(wěn)定傳熱的埋地?zé)嵊凸艿揽催B續(xù)作用線熱源，利用源匯法進(jìn)行解析求解。因次分析法是由蘇聯(lián)學(xué)者古賓提出了一種利用無因次變量來對地下輸油管道熱損失進(jìn)行求解的近似算法。雙極坐標(biāo)保角變換法保角變換法又稱半空間模型法，這種方法是通過雙極坐標(biāo)保角變換，將半無限大土壤區(qū)域轉(zhuǎn)化為有界矩形或環(huán)形區(qū)域，然后可對微分方程數(shù)值求解。熱力影響區(qū)法是認(rèn)為管道的熱力影響有一定的范圍，在范圍之外的影響可以忽略不計(jì)，將半無限大的土壤求解區(qū)域簡化為一個(gè)矩形或扇形的求解區(qū)域。該方法在一些要求精度不高的工程問題中得到了廣泛應(yīng)用。

2.2管內(nèi)非穩(wěn)態(tài)水力-熱力研究方法

在管內(nèi)非穩(wěn)態(tài)熱力-水力耦合問題的研究中，研究者通常以管內(nèi)油流的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程及能量方程為基礎(chǔ)，對油流非穩(wěn)態(tài)傳熱和流動(dòng)進(jìn)行研究。此類問題的研究方法主要?dú)w為解析法、特征線法、數(shù)值模擬三類。

前蘇聯(lián)學(xué)者曾根據(jù)長輸管線內(nèi)流體非穩(wěn)定流動(dòng)的特點(diǎn)，對管內(nèi)原油非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)傳熱進(jìn)行了解析求解。但是盡管做了相當(dāng)?shù)暮喕?，方程組仍然十分復(fù)雜，不適合工程中應(yīng)用。國內(nèi)研究者曾采用雙特征線對順序輸送中水力、熱力耦合過程進(jìn)行了分析計(jì)算［12-14］。具體的耦合過程為：首先計(jì)算穩(wěn)態(tài)時(shí)管流的流量、溫度等參數(shù)；當(dāng)邊界條件變化而引起水力-熱力瞬變時(shí)，當(dāng)前溫度取前一時(shí)步的值，根據(jù)水力瞬變特征線法，計(jì)算管道上各節(jié)點(diǎn)的流量、溫度等參數(shù)值。在一個(gè)時(shí)間步長里，經(jīng)過反復(fù)的計(jì)算達(dá)到要求的精度后，進(jìn)行下一時(shí)步的運(yùn)算。數(shù)值模擬法就是將求解域進(jìn)行網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)劃分，通過數(shù)值方法將一系列的控制方程離散化，求解控制方程組，得到各個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)值，從而得到整體的變化規(guī)律。

3　冷熱油交替輸送耦合計(jì)算

冷熱原油交替輸送系統(tǒng)是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)、多控制因素的系統(tǒng)。由于其輸送距離長，劃分網(wǎng)格數(shù)巨大，從時(shí)間效率和經(jīng)濟(jì)效率考慮，不適合用現(xiàn)行的商業(yè)CFD軟件來模擬整個(gè)過程。研究者們對于交替輸送的研究，通常是整體統(tǒng)籌計(jì)算，局部詳細(xì)模擬。整體上從水力、熱力控制方程入手，將其離散差分進(jìn)行耦合的數(shù)值計(jì)算［15，16］。

3.1基本假設(shè)

假設(shè)管內(nèi)油流溫度只隨時(shí)間和管線長度變化而變化，即同一截面溫度是相同的。假設(shè)管道周圍土壤介質(zhì)為各向同性的均勻介質(zhì)。假設(shè)忽略混油段及冷熱油交界面處的導(dǎo)熱，即認(rèn)為是活塞型驅(qū)油。假設(shè)管外土壤傳熱只在徑向平面。

經(jīng)過治療的心梗患者與腦?；颊撸紩?huì)經(jīng)歷病變器官缺血再灌注的過程。這個(gè)過程中會(huì)產(chǎn)生大量的氧自由基，氫氣能選擇性中和具有強(qiáng)氧化性的·OH、ONOO-等自由基，從而減緩缺血再灌注損傷進(jìn)程的發(fā)展，降低機(jī)體的氧化應(yīng)激水平，改善臟器缺血再灌注后的狀態(tài)。

3.2數(shù)學(xué)模型

管外傳熱統(tǒng)一方程：

管內(nèi)油流換熱方程：

式中：i取1，2，3，4時(shí)分別代表管壁、防腐層、保溫層及土壤。 q為油流與管壁熱流密度；V為油流速度，m/s；D為管道的內(nèi)直徑，m；A為油流的橫截面積，m2；Cp為原油的比熱，J/（kg·C）；T為原油溫度，℃；τ為時(shí)間，s；λ為達(dá)西摩阻系數(shù)。

3.3模型的數(shù)值求解

對管外土壤計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分?？紤]到計(jì)算區(qū)域具有對稱性，為了減少計(jì)算量，只劃分右邊部分。最后通過Delaunay法生成非結(jié)構(gòu)化的三角形網(wǎng)格，并且在管壁附近進(jìn)行加密［17］，如圖1所示。

圖1　土壤網(wǎng)格劃分Fig.1 Grid division of soil

對管內(nèi)求解，首先將輸油管道沿軸向離散，如圖2所示。

圖2　管線的離散Fig.2 Discrete distribution of pipeline

將間距為L管線等距分N份，N+1個(gè)節(jié)點(diǎn)，每段步長ΔZ為L/N。節(jié)點(diǎn)數(shù)和步長的大小，決定了計(jì)算的精度和所消耗的時(shí)間，實(shí)際情況應(yīng)根據(jù)站間距合理選擇節(jié)點(diǎn)數(shù)。其次，對時(shí)間進(jìn)行離散，取輸送開始時(shí)刻時(shí)間起點(diǎn)；設(shè)時(shí)間步長Δt值為油流流過一個(gè)距離步長的時(shí)間，即Δt =Z/V。

根據(jù)上述原理，編制計(jì)算程序，輸入初始參數(shù)，可以計(jì)算管線節(jié)點(diǎn)在不同時(shí)刻的溫度分布。

4　冷熱油交替輸送研究現(xiàn)狀

冷熱油交替輸送，涉及土壤蓄熱、停輸啟動(dòng)、管道預(yù)熱等問題，但又比單純的加熱輸送復(fù)雜。它還涉及到冷油的預(yù)熱量和預(yù)熱溫度以及加熱時(shí)機(jī)等問題。國內(nèi)很多學(xué)者進(jìn)行深入研究。

鹿廣輝、楊云鵬等［18-21］都對冷熱輸送埋地管道的土壤傳熱進(jìn)行了研究。他們通過建立土壤模型，利用商業(yè)模擬軟件，對不同工況進(jìn)行模擬，對輸送過程中土壤蓄熱，交替過程中溫度場的變化以及溫度場漂移的規(guī)律進(jìn)行了總結(jié)。

王凱［22，23］對冷熱油交替過程中加熱方案的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了研究，綜合采用有限差分和有限元法，編制軟件對輸送過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。通過分析兩種不同控制方式的不同的加熱方案，比較能耗得出，對低凝油尾部分加熱所所需的能耗比對其整體加熱的要少，應(yīng)考慮第二種控制方式下的最佳加熱方法。在對冷熱油交替輸送耦合模型的建立上，作者提出了移位網(wǎng)格下的虛擬邊界條件法，解決常規(guī)有限差分法和交錯(cuò)網(wǎng)格的有限差分法對水力瞬態(tài)變化的不足，并且編制了更加嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆欠€(wěn)態(tài)水力-熱力耦合計(jì)算程序，并在現(xiàn)場應(yīng)用中得到了驗(yàn)證。

周建［24-25］介紹了常見的管道停輸安全性分析方法，并且利用冷熱油交替輸送計(jì)算軟件模擬，采用上述方法對數(shù)據(jù)進(jìn)分析。結(jié)合停輸時(shí)機(jī)，停輸安全性特點(diǎn)，總結(jié)出冷熱油交替輸送最大安全停輸時(shí)間的方法。即首先通過軟件模擬找到臨界停輸時(shí)間tc，然后在tc附近找出符合安全判定準(zhǔn)則的時(shí)間即為最大安全停輸時(shí)間。對于交替輸送中的熱力影響因素，作者通過模擬分析認(rèn)為，輸送距離，年輸送批次，相對加熱量以及加熱時(shí)機(jī)都會(huì)輸送安全產(chǎn)生影響。輸送距離增加不利于改善原油的流動(dòng)安全，而批次的增加雖然改善了流動(dòng)安全，卻造成了混油量和運(yùn)行管理難度增加。

Guojun Yu［26］在對埋地?zé)嵊凸艿婪欠€(wěn)態(tài)溫度場模擬研究中，采用了POD-Galerkin降階模型。最佳正交分解（proper orthogonal decomposition，POD）是一種基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的高效的數(shù)據(jù)處理技術(shù)。利用正交特征函數(shù)的性質(zhì)，通過Galerkin投影技術(shù)，將基于CFD高階模型的方程數(shù)量大大簡化。通過模擬計(jì)算，和傳統(tǒng)的高階模型對比，降解模型是精確和高效的方法，可以為今后冷熱油輸送數(shù)值模擬提供了一種新的方向。

5　冷熱油順序輸送研究總結(jié)及展望

冷熱油交替輸送是個(gè)復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)水力熱力過程，但其產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)收益是可觀的。目前的研究，多數(shù)都是基于控制方程，離散及簡化邊界條件，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算并編制交替輸送的程序。這種簡化的數(shù)值計(jì)算，基本上滿足了工程的需要，但是對于冷熱原油交替輸送的規(guī)律并沒有完全表現(xiàn)出來。例如：（1）實(shí)際交替過程中水力過程也是非穩(wěn)態(tài)的過程，輸送的流量、壓力等對熱力的影響。（2）實(shí)際交替過程中存在混油段，混油的熱力變化更加復(fù)雜，混油界面的捕捉。（3）管線與周圍土壤傳熱情況，考慮不同環(huán)境因素下的真實(shí)溫度場。（4）冷熱交替的循環(huán)，造成管線鋼的熱應(yīng)力變化，所導(dǎo)致的管線安全問題。對于這些方面的研究應(yīng)該是今后研究的著力要突破的方面。

隨著計(jì)算機(jī)的性能提高，數(shù)值計(jì)算不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)模擬占據(jù)巨大的優(yōu)勢。相比于實(shí)驗(yàn)的巨大投入，計(jì)算機(jī)模擬無疑是非常好的選擇。但是，由于模型的建立和算法的選擇，使得一些問題只存在理論上可算，實(shí)際上耗時(shí)巨大。所以，對于數(shù)值計(jì)算，網(wǎng)格的劃分，算法的選擇，模型的創(chuàng)新也是值得我們深入研究的，具有現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)：

［1］BP Statistical Review of World Energy June 2014 ［EB/OL］．2014 -6．http：//www.bp.com/statistical review．

［2］McHugh M，Hanks K：Pacific Pipeline Designed with Latest Leak Detection Technology［J］.Pipeline & Gas Industry，1998，81（3）．

［3］Mecham T，Stanley G Pelletier M：High Speed Data Communications and High Speed Leak Detection Models：Impact of Thermodynamic Properties for Heated Crude Oil in Large Diameter，Insulated Pipelines［C］：Application to Pacific Pipeline System，Proceedings of 2000 International Pipeline Conference，V01．2，Calgary，Canada，2000．

［4］范海成．冷熱油交替輸送研究［D］．北京：中國石油大學(xué)，2005．

［5］B．M．阿卡帕金．原油和油品管道的熱力與水力計(jì)算［M］．羅塘湖，譯．北京：石油工業(yè)出版，1986．

［6］古賓．B．E．高粘高凝原油和成品油管道輸送［M］．陳祖澤，譯．北京：石油工業(yè)出版社，1987．

［7］崔秀國，張勁軍．埋地?zé)岷炘凸艿赖姆欠€(wěn)態(tài)傳熱問題［J］．中國工程科學(xué)，2003，5（7）：77-82．

［8］李長俊，路建武，陳玉寶．埋地?zé)嵊凸艿绬⑤敓崃?shù)值模［J］．油氣儲(chǔ)運(yùn)，2002，21（12）：16-19．

［9］李長俊.埋地輸油管道的熱力計(jì)算［J］.西南石油學(xué)院學(xué)報(bào)，1997，19（1）：79-84.

［10］楊莜蘅.輸油管道設(shè)計(jì)與管理［M］.東營：石油大學(xué)出版社，2006

［11］Archer R A，O'Sullivan M J.Models for Heat Transfer from a Buried Pipe［J］.Spe Journal，1997，2（2）∶186-193.

［12］鄂學(xué)全，劉國華，王薇，等．特征線法分析長距離輸油管道的流動(dòng)瞬變過程［J］．水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展，1998，13（4）：430-440．

［13］蔣仕章，蒲家寧．水力瞬變特征線法和隱式差分法的對比分析［J］．油氣儲(chǔ)運(yùn)，2001，20（1）：12-14．

［14］鄧松圣，周明來，蒲家寧．分析管流水力—熱力瞬變的雙特征線法［J］．應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)，2002，23（6）：627-634．

［15］施靜．冷熱原油順序輸送工藝研究［D］．中國石油大學(xué)（華東），2012．［16］李遠(yuǎn)朋．冷熱原油交替輸送工藝技術(shù)研究［D］．南充：西南石油大學(xué)，2014．

［17］陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué) ［M］.第2版.西安：西安交通大學(xué)出版社，2004.

［18］施雯，吳明．冷熱原油順序輸送過程非穩(wěn)態(tài)傳熱問題的研究［J］．油氣田地面工程，2008，27（12）：16-17．

［19］楊云鵬，劉寶玉，張玉廷，等．冷熱原油順序輸送溫度場波動(dòng)規(guī)律［J］．遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，33（1）：53-56．

［20］王琪，馬貴陽，孫楠．冷熱原油交替輸送管道周圍土壤溫度場的數(shù)值模擬［J］．遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，29（3）：44-47．

［21］鹿廣輝，張冬敏，于達(dá)，等．冷熱原油交替輸送的傳熱過程研究［J］．油氣儲(chǔ)運(yùn)，2007，26（4）：14-16．

［22］王凱，張勁軍，宇波．冷熱油交替輸送加熱方案的經(jīng)濟(jì)比選［J］．西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，30（2）：158-162．

［23］王凱，張勁軍，宇波．原油管道差溫順序輸送水力-熱力耦合計(jì)算模型［J］．油氣儲(chǔ)運(yùn)，2013，32（2）：143-151．

［24］周建，王凱，鄒曉琴，等．長輸管道冷熱油交替輸送熱力影響因素分析［J］．油氣儲(chǔ)運(yùn)，2009，28（6）：15-17．

［25］周建，湯淼，鄒曉琴，等．原油差溫順序輸送最大安全停輸時(shí)間［J］．油氣儲(chǔ)運(yùn)，2014（6）：623-628．

［26］Yu G，Yu B，Han D，et al．Unsteady-state thermal calculation of buried oil pipeline using a proper orthogonal decomposition reduced-order model［J］．Applied Thermal Engineering，2013，51：177-189．

Progress and Prospect of Research on the Alternative Transportation of Cold-hot Crude Oil

DING Jin-jin1，HAN Gang2，LIU De-jun1，SHI Bo-wen1，LI Shi-hang1
（1.College of Petroleum and Natural Gas Engineering，Liaoning Shihua University，Liaoning Fushun 113001，China；
2.Zhoushan Shihua Crude Oil Terminal Company Limited，Zhejiang Zhoushan 316000，China）

Abstract：Alternative transportation of hot-cold crude oil is a process in accord with China's national conditions.It has great research value.The research of the process in our country starts relatively late，but after decades of hard work，we have achieved good results.In this paper，some common research methods of soil heat transfer and unstable heat transfer in cold-hot oil alternative transportation were introduced.The mathematical model，the solving process and the principle of the coupling calculation were established and introduced.The achievements of domestic alternative transportation technology in recent years were analyzed.

Key words：Alternative transportation；Heat transfer in soil；Coupling calculation；Mathematical model；Research prospects

中圖分類號：TE 832

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-0460（2016）01-0063-04

收稿日期：2015-09-22

作者簡介：丁晉晉（1990-），男，江蘇泰州人，碩士研究生，遼寧石油化工大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)工程在讀，研究方向：冷熱油順序輸送。E-mail：ding-jinjin@outlook.com。

通訊作者：劉德?。?967-），男，副教授，碩士，研究方向：原油及成品油管道輸送技術(shù)。E-mail：ldj8448@163.com。