冷熱原油交替輸送技術(shù)的研究分析

黃淑寅

[摘要]我國對于冷熱油交替輸送技術(shù)的研究，目前已經(jīng)取得了較好的成績。這項技術(shù)符合我國國情，具有很大的研究價值。本文主要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)傳熱流動研究的常用幾種方法，以及耦合計算的數(shù)學(xué)模型、求解步驟和原理，對國內(nèi)冷熱油輸送技術(shù)和今后發(fā)展進行了展望。

[關(guān)鍵詞]冷熱原油；交替；輸送；技術(shù)

一、交替輸送應(yīng)用的技術(shù)現(xiàn)狀

我國的原油輸送技術(shù)，相比國外原油順序輸送技術(shù)赴較晚而且相對落后。上世紀(jì)70年代末，我國在湛茂線和魯寧線進行了原油順序輸送嘗試，但是結(jié)果不理想，沒有取得成功。伴隨著我國原油進口規(guī)模的不斷擴大，技術(shù)人員加大了對原油交替輸送技術(shù)的研究和技術(shù)實驗，并且在一定程度上取得了突破。新大線于2006年進行了首次冷熱油交替輸送先導(dǎo)試驗。經(jīng)過30天，7次不同輸量的循環(huán)，輸送取得了初步成功，這為冷熱油交替輸送提供了技術(shù)儲備和安全保障，也是我們所取得的初步經(jīng)驗。是國內(nèi)冷熱油交替輸送的先例，007年，在西部原油管道上，我們相繼對塔里木油、塔里木一北疆混合油、吐哈油和哈薩克斯坦的進口原油采用了冷熱順序輸送方式，以及對俄羅斯油和大慶原油進行冷熱順序輸送，進一步積累了成功的經(jīng)驗。

二、冷熱油輸送方法分析

（一）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非穩(wěn)態(tài)過程。輸送熱油時，熱油向土壤散熱，土壤吸熱蓄熱；輸送冷油時，土壤蓄熱此時對冷油加熱，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一步研究，也能為停輸再啟動提供依據(jù)。由于管外土壤為半無限大區(qū)域，在研究中無法進行直接的計算，需要通過一些簡化、變形后才能計算。目前計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。

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)城轉(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，將半無限大的土壤求解區(qū)域簡化為一個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。

（二）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-水力耦合的研究中，研究者通常以管內(nèi)油流的連續(xù)性方程、動量方程及能量方程為基礎(chǔ)，對油流非穩(wěn)態(tài)傳熱和流動進行研究。此類問題的研究方法主要歸為解析法、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)定流動的特點，對管內(nèi)原油非穩(wěn)態(tài)流動傳熱進行了解析求解。但是盡管做了相當(dāng)?shù)暮喕匠探M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、熱力耦合過程進行了分析計算。具體的耦合過程為：首先計算穩(wěn)態(tài)時管流的流量、溫度等參數(shù)；當(dāng)邊界條件變化而引起水力一熱力瞬變時，當(dāng)前溫度取前一時步的值，根據(jù)水力瞬變特征線法，計算管道上各節(jié)點的流量、溫度等參數(shù)值。在一個時間步長里，經(jīng)過反復(fù)的計算達到要求的精度后，進行下一時步的運算。數(shù)值模擬法就是將求解域進行網(wǎng)格節(jié)點劃分，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，得到各個節(jié)點數(shù)值，從而得到整體的變化規(guī)律。

三、冷熱油交替輸送耦合計算

冷熱原油交替輸送系統(tǒng)是一個菲穩(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，從時間效率和經(jīng)濟效率考慮，不適合用現(xiàn)行的商業(yè)CFD軟件來模擬整個過粗。研究者們對于交替輸送的研究，通常是整體統(tǒng)籌計算，局部詳細(xì)模擬。整體上從水力、熱力控制方程人手，將其離散差分進行耦合的數(shù)值計算。

假設(shè)管內(nèi)油流溫度只隨時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。

四、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、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)熱溫度以及加熱時機等問題。國內(nèi)很多學(xué)者進行深入研究。

鹿廣輝、楊云鵬等都對冷熱輸送埋地管道的土壤傳熱進行了研究。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)律進行了總結(jié)。

冷熱油交替過程中加熱方案的經(jīng)濟性綜合采用有限差分和有限元法，編制軟件對輸送過程進行了數(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)水力一熱力耦合計算程序，并在現(xiàn)場應(yīng)用中得到了驗證。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機都會輸送安全產(chǎn)生影響。輸送距離增加不利于改善原油的流動安全，而批次的增加雖然改善了流動安全，卻造成了混油量和運行管理難度增加。

五、冷熱油順序輸送研究總結(jié)及展望

冷熱油交替輸送事業(yè)復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)水力熱力過程，但其產(chǎn)生的經(jīng)濟收益是可觀的。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，進行數(shù)值計算并編制交替輸送的程序。這種簡化的數(shù)值計算，基本上滿足了工程的需要，三十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）交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。

隨著計算機的性能提高，數(shù)值計算不斷發(fā)展，計算機模擬占據(jù)巨大的優(yōu)勢。相比于實驗的巨大投入，計算機模擬無疑使非常好的選擇。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，實際上耗時巨大。所以，對于數(shù)值計算，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)實意義。