基于聚光太陽能的油品管道減阻與節能研究*

常州大學石油工程學院

近年來，我國的工業化進程持續快速發展，石油在我國經濟發展中占據重要地位。代曉東等[1]研究分析了BP公司每年發布的世界能源統計年鑒和能源展望，預計到2040年石油、天然氣、煤炭和非化石能源將各占世界能源的四分之一，其中石油穩定發展。我國的石油運輸有管道運輸、水路運輸、鐵路運輸和公路運輸等輸送方式，管道運輸因其具有安全性好、效率高、運輸量大、成本低等優點成為石油運輸的主要方式。石油管道運輸是最適宜于輸送石油的一種運輸方式，是連接上游石油資源與下游石油商品的有效途徑，是石油運輸業重要的一部分[2]。孫玉龍[3]提出長輸管道是我國能源消耗較大的行業，在輸送石油時需要有效地降低輸送過程中的摩擦阻力以及散熱損耗。迄今為止很多學者對如何降低石油在管道運輸中的阻力進行了研究。杜勇等[4]和胡景磊[5]使用DRIVE原油萃取劑進行的實驗發現，DRIVE原油萃取劑具有良好的原油清洗力，可改善原油品質，減小原油在集輸過程中的流動阻力。同時也有很多人對管道減阻劑進行了研究，馬永義[6]對EP系列減阻劑的應用進行了相應的探究。車福利等[7]通過實驗研究了聚丙烯酰胺（PAM）溶液減阻劑的減阻性能。李恩田等[8]自行設計了管道流動試驗平臺和PIV測試系統，并與平板表面對比發現肋條具有減阻效果，并且減阻率與歸一化肋高h+、雷諾數Re有關。崔迪等[9]和譚德金[10]對降凝劑、降凝技術革新進行了一定的探討，對相關技術的發展情況進行了分析。JING和QI等[11]研究了表面潤濕性對湍流水平流動摩擦阻力的影響，并且對5種不同的管材進行了研究，通過實驗證明，表面潤濕性對宏觀管道中流體的摩擦因數有一定影響。齊紅媛等[12]還用實驗證明了對于相同的管輸液體，可通過更換管輸的材質改變潤濕性，進而降低流動阻力。

為了響應國家“十三五”規劃中加大可再生能源的利用政策，提出了利用聚光太陽能加熱油品的減阻系統。利用ANSYS有限元分析方法對油品管道進行數值模擬，并將模擬結果與理論分析結果進行對比分析，研究了管長和聚光比對管道出口溫度的影響，并對減阻效果進行了相應的分析。

1 系統原理

太陽能聚光輸油管道系統結構如圖1所示。該系統在輸油管道的下方設有CPC折線形聚光器，其聚光倍數可達到2～6倍，太陽光可通過CPC聚光器上的拋物面反射聚集到石油管道表面，從而達到加熱輸油管道內油品的目的，并且在管道的末端連接一個高效的油水板式換熱器，該換熱器可用來收集管道內的油品在整個管道輸送過程中所獲得的熱量，實現能源的高效利用。

圖1 太陽能聚光輸油管道系統結構Fig.1 Structure of concentrating solar energy oil pipeline system

數值模擬主要用于計算石油經較長的管道輸送后最終石油的溫升，以及得到該溫升所節約的能量，因此模擬只對輸油管道進行模擬，忽略管道末端原有的高效油水換熱器。同時為了簡化模型并且不影響整個計算結果，在建模過程中忽略了CPC聚光器的存在，但在后續的FLUENT計算中，在太陽輻射模型里太陽射線追蹤法中的太陽直射輻照度改為經過CPC聚光后達到的光照強度，這樣可以簡化模型并且不會影響計算結果。如圖2所示，太陽光經CPC聚光器聚光后的總能量主要由管道中的油品吸收，損失的能量主要為升溫后的管道與環境之間的輻射換熱與對流換熱，同時由于CPC聚光器的結構對管道有保護作用，對流換熱損失的能量非常小，可忽略不計。

圖2 管道能量流示意圖Fig.2 Schematic diagram of pipeline energy flow

2 理論分析

設太陽的單位面積輻照強度為G，聚光輸油管道接收輻照的面積為A1，其吸收率為α，CPC聚光光伏的聚光倍數為n，則輸油管道接收的總能量Q為

式中：n為CPC聚光光伏的聚光倍數，取值范圍為2～6；d為輸油管路的直徑，m；l為輸油管路的長度，m。

輸油管路接收的總能量Q一部分為石油加熱所需的能量，一部分將以輻射的形式散失到環境中，即

式中：h1為輸油管壁與石油的換熱系數，W/(m2·K)；A2為輸油管壁與石油的接觸面積，m2；Twall為輸油管壁的溫度，K；Toil為石油的定性溫度，K。

輸油管壁與石油的換熱系數h1的計算式為

式中：Nu為努賽爾數；Re為雷諾數；Pr為普朗特數；de為當量直徑，m；λ為石油的導熱系數，W/(m·K)；ρ為石油的密度，kg/m3；u為石油的流速，m/s；μ為石油的動力黏度，Pa·s。

輸油管壁與石油的接觸面積A2的計算式為

式中：d為輸油管路的直徑，m；l為輸油管路的長度，m。

石油的定性溫度Toil的計算式為

式中：Tout為石油的出口溫度，K；Tin為石油的進口溫度，K。

以輻射的形式散失的能量Qloss的計算式為

式中：h2為輸油管壁與環境的換熱系數，W/(m2·K)；Tair為環境溫度，K。

輸油管壁與環境的換熱系數h2的計算式為

式中：σ 為斯蒂芬波爾茲曼常數，5.67×10-8W/(m2·K4)。

加熱石油所需的能量Qhot即為石油得到的熱量Qoil，對其計算采用如下公式

式中：Cp為石油的比熱容，J/(kg·K)；qm為石油的質量流量，kg/s；A3為輸油管路的橫截面積，m2。

3 數值模擬

計算流體力學（CFD）是通過計算機進行數值計算，模擬流體流動時的各種相關物理現象，包括流動、熱傳導等。目前，計算流體動力學是解決流動和傳熱相關問題的強有力工具。本文基于流體為不可壓縮、穩態紊流假設，運用ANSYS Fluent軟件，采用標準k-ε湍流數學模型模擬石油在該輸油管路中的溫度場和速度場的分布規律，采用CFD主要解決了前處理、求解和后處理問題。

3.1 三維模型的建立

利用ANSYS軟件中的前處理軟件ICEM CFD，根據該輸油管道的幾何和物理特性，經過點、線、面的繪制得到該管道簡化的三維模型，并創建好相關部分，同時對該模型進行網格劃分，網格類型根據石油管道的物理特性選擇O型網格劃分，結果如圖3所示。

圖3 有限元網格圖Fig.3 Finite element grid chart

3.2 控制方程與條件加載

在三維穩態條件下建立了該模型，利用CFD方法對油品運輸管道的性能進行了數學模擬。將整個輸油管道考慮為控制體，連續性、動量和能量的控制方程為

式中：v→為管道內油品的速度；p為壓力。

將入口設置為“速度入口”邊界條件，該邊界條件包含了冷卻流體的入口速度和溫度，其中油品的初始速度為1 m/s，初始溫度為20 ℃，外界環境溫度設為20 ℃，同時油品管道的出口選用“壓力出口”邊界條件。將太陽輻射模型中的射線追蹤法里的直射輻射強度設為3 000 W/m2，同時在材料屬性的設置中將輸油管道的薄壁厚度設置為8 mm。本文利用基于壓力的有限體積法（FVM）對控制方程進行離散化求解；采用簡單的算法進行壓力-速度耦合；采用二階迎風法求解動量方程和能量方程；利用連續方程、動量方程和能量方程的殘差值作為收斂的標準。連續性方程、動量方程和能量方程的最大殘差分別小于10-5、10-6和10-8，經過一定的迭代求解可得到相應的模擬結果。

3.3 模擬結果

3.3.1 溫度場模擬結果

當石油管道管長為1 000 m，管內徑為0.5 m，壁厚為8 mm，石油入口溫度為20 ℃，入口速度為1 m/s，環境溫度為20 ℃，太陽輻射強度為600 W/m2，CPC聚光器聚光倍數為5，管道的溫度分布如圖4所示。

圖4 出口截面溫度分布Fig.4 Outlet section temperature distribution

從圖4可以看出，石油管道出口截面的溫度分布基本均勻，管壁溫度稍高于管內石油溫度，從管壁到管道中心呈降低趨勢，這是由于流體熱傳導的特性所產生的。

3.3.2 速度場模擬結果

在上述相同條件下，可以得到石油管道出口流體速度分布云圖（圖5）。

圖5清晰地顯示出在近壁面處流體流動速度很小，并且在徑向方向逐漸增大，最后形成如圖5所示的同心圓形狀。這是由于紊流中橫向脈動所引起的流層之間的動量交換，使得管流中心部分的速度分布比較均勻；而在靠近固體壁面的地方，由于脈動運動受到壁面的限制，黏性的阻滯作用使流速急劇下降[13]，形成如圖5所示的同心圓狀。

圖5 管道出口速度分布Fig.5 Pipeline exit velocity distribution

圖6為石油管道入口x=0截面的速度矢量圖。從圖6可以看出流體在入口處的速度分布較均勻，這是由于在入口處有輸入動力的存在使得流體在入口處附近以一個均勻的速度場進入石油管道，隨著流體在管道內的深入，入口輸出動力的影響會大大減弱，流體的速度場會逐步形成與圖5一樣的同心圓狀。

圖6 x=0截面入口速度矢量圖Fig.6 Section entrance speed vector when x=0

4 對比分析

圖7反映了聚光比為5、環境溫度為20 ℃、石油入口溫度為20 ℃、流速為1 m/s時流體的溫升隨管長的變化趨勢。從圖7可以看出隨著管長的增加，溫升逐漸擴大，也就是出口溫度在逐漸增加，當管長增加到8 km時，溫升達到了40 ℃，也就是此時石油的溫度為60 ℃，因此在實際工程應用當中，可以在長輸管道的末端得到很高的出口溫度，末端的換熱器將會換取并存儲大量的熱量。另外，理論計算的溫度和Fluent模擬出來的溫度誤差范圍不大，并且隨著管長的增加誤差有些許的加大并且趨于不變，出現誤差些許增大是由于理論計算是在理想狀態下進行的，而模擬更偏向實際情況，但是隨著管長的增加誤差會趨于定值。

圖7 理論溫升和模擬溫升隨管長變化關系Fig.7 Theoretical temperature rise and simulated temperature rise as a function of tube length

圖8反映了環境溫度為20 ℃、石油入口溫度為20 ℃、流速為1 m/s、管長為1 000 m時流體的溫升與聚光比之間的關系。從圖8可以看到隨著聚光比的增加，溫升在逐漸擴大，即出口溫度在逐漸增加，理論計算溫度與模擬溫度誤差范圍并不大。當聚光方式換成其他高倍聚光形式，聚光比會增大近百倍，因此只需要對很短的一部分輸油管道進行加熱就可以達到CPC聚光器長距離的聚光加熱效果，可以簡化管線的結構。

圖8 理論溫升和模擬溫升隨聚光比的變化Fig.8 Theoretical temperature rise and simulated temperature rise as a function of concentration ratio

從圖7和圖8中可以看出，輸油管路中油品的模擬溫升與理論計算得出的溫升誤差并不大。在管長為1 000 m、5倍聚光時，理論計算的溫升與模擬得出的溫升誤差僅為3.787%，在誤差允許范圍內。兩者之間存在的誤差主要是在三維建模的過程中對模型進行了相應的簡化而造成的細微的誤差，以及在理論計算時對一些數據進行了四舍五入，只保留前幾位數作為該數的近似值而造成的誤差。

針對不同的油品[14]，通過計算得出摩阻系數與溫度和管長的關系，如圖9、圖10所示。

圖9 摩阻系數與溫度的關系Fig.9 Relationship between friction coefficient and temperature

圖9顯示了隨著溫度的升高，摩阻系數并不是一味地降低，大多數呈現先降低然后升高再降低的趨勢。這是由于溫度的升高導致油品的運動黏度降低，則雷諾數升高，管道內油品的流動特性會從層流變為湍流，摩阻系數會有略微的升高，然后再繼續降低。圖10中摩阻系數的變化趨勢與圖9類似，由于管長的增加，管內油品的溫度持續升高，出現與圖9類似的變化趨勢。同時，得到了在不同聚光倍數情況下摩阻系數最小值時的管長，表1為5種油品在不同聚光比時的最佳加熱管長，油品中轉站可根據實際的輸送距離選擇合適的聚光比。

圖10 摩阻系數與管長的關系Fig.10 Relationship between friction coefficient and tube length

表1 不同聚光比的油品最佳加熱管長Tab.1 Optimum heating tube length for oils with different concentration ratios m

5 結論

通過對石油管路太陽能聚光減阻及集熱系統進行的模擬研究和理論驗證，得到以下結論：

（1）輸油管路的出口溫度隨著管長的增加而上升。在5倍聚光下，石油進口溫度為20 ℃、速度為1 m/s、環境溫度為20 ℃時，石油每通過200 m輸油管路溫度會提升約1 ℃。在實際的工程中，僅需要對輸油管道的前8 km安裝CPC聚光器進行加熱就可以得到60 ℃的高溫熱油，同時在末端利用換熱器進行換熱，可換取可觀的熱量。

（2）輸油管路的出口溫度隨著聚光器聚光比的增加而上升。當聚光比達到100時，僅需要在管道的前段部分聚光，出口溫度就可以達到CPC聚光器長距離的聚光集熱的溫度，可以簡化管線的結構。

（3）模擬得出摩阻系數與溫度和管長的關系曲線，以及不同油品達到最佳減阻效果的加熱管長。