電加熱解凝技術(shù)對(duì)斜坡管道解凝模擬計(jì)算研究

馬 躍

（中國石油管道局工程有限公司東北石油管道有限公司，遼寧 沈陽 110031）

目前電加熱解凝技術(shù)（圖1）對(duì)管道解凝的應(yīng)用研究主要集中于管道徑向凝油融化的研究[1-6]。而斜坡敷設(shè)管道由于起點(diǎn)和終點(diǎn)高程不同，管道解凝過程中固相凝油和液相熱油在管道內(nèi)流動(dòng)和熱交換作用頻繁，所以單一研究管道徑向凝油融化規(guī)律不足以表征斜坡管道凝管的解凝效果。以下針對(duì)凝油融化問題建立三維流固相變傳熱數(shù)學(xué)模型[7]，利用Fluent仿真軟件模擬分析斜坡敷設(shè)管道中凝油融化的軸向傳熱過程及擴(kuò)散規(guī)律，以期為斜坡敷設(shè)管道電加熱分段解凝長(zhǎng)度確定和解凝時(shí)間計(jì)算提供理論依據(jù)。

圖1 管道電加熱解凝工藝圖

1 模型建立

1.1 物理模型

本文借助Fluent模擬仿真軟件建立三維管道模型，管道徑向截面如圖2所示，模型計(jì)算區(qū)域包括凝油區(qū)、結(jié)蠟區(qū)和鋼管區(qū)3部分，均采用六面體網(wǎng)格進(jìn)行單元?jiǎng)澐郑▓D3），其中凝油區(qū)作為模擬計(jì)算主要研究對(duì)象對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化并對(duì)臨近結(jié)蠟區(qū)域劃分流動(dòng)邊界層。利用該模型分別模擬不同坡度管道中凝油融化及擴(kuò)散規(guī)律，分析管道坡度對(duì)解凝速率的影響。

圖2 管道徑向模型圖

圖3 三維模型網(wǎng)格細(xì)化圖

1.2 數(shù)學(xué)模型

質(zhì)量守恒方程：

動(dòng)量守恒方程：

式中：τj—應(yīng)力張量，Pa；

gi和Fi—i方向上的重力體積力和外部體積力，N·m-3；

p—靜壓力，Pa。

其中τj可表示為：

能量守恒方程：

式中：E—內(nèi)能，J；

Jj—組分j′的擴(kuò)散流量，m3·s-1；

Sh—用戶定義的體積熱源項(xiàng)，J·kg-1；

keff—有效導(dǎo)熱率，W·m-1·K-1；

hj—同分子物質(zhì)的焓值。

其中E可表示為：

式中：mj—組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1.3 邊界條件和初始條件

由于管壁加載解凝溫度低于原油中蠟的融化溫度，故本文模型中假設(shè)結(jié)蠟區(qū)不發(fā)生相變過程，以下模擬計(jì)算內(nèi)容只針對(duì)凝油區(qū)的融化相變過程進(jìn)行研究。同時(shí)為更接近實(shí)際凝管工況，本文先將管內(nèi)原油在停輸狀態(tài)下進(jìn)行靜置，使原油與地溫進(jìn)行充分熱交換并達(dá)到穩(wěn)態(tài)平衡后再將管壁升溫進(jìn)行解凝計(jì)算。

式中：Tw—調(diào)節(jié)管道輸入電流及頻率管道外壁獲得的加載溫度；

Td—管道周圍地溫。

1.4 物性參數(shù)

以某山地原油管道凝管為例，管道坡度在0°～ 45°間變化，管徑φ159×6mm，原油凝點(diǎn)32 ℃，傾點(diǎn)35 ℃，析蠟點(diǎn)溫度52 ℃，管道內(nèi)壁結(jié)蠟層平均厚度為5 mm，管道周圍地溫為5 ℃。原油黏溫曲線如圖4所示。

由圖4可以看出，42 ℃以上黏度無明顯變化，說明該溫度下原油流動(dòng)性趨于穩(wěn)定，后期輕質(zhì)油對(duì)融化原油的頂擠置換阻力較小。故本文選用42 ℃作為管壁加載溫度來模擬管道不同坡度的凝管工況，分析電加熱解凝對(duì)不同坡度管道的解凝效果。

圖4 原油黏溫曲線圖

凝油模型中其余材料相關(guān)物性參數(shù)如表1所示。

表1 凝油模型相關(guān)物性參數(shù)

2 數(shù)值模擬與結(jié)果分析

2.1 不同坡度管道解凝效果分析

根據(jù)圖5至圖8不同坡度管道軸向截面凝油融化液相比例云圖可知，管道坡度越大，坡底沉積凝油越多，解凝效果越差。

圖5 管道0°坡度凝油融化液相比例云圖

圖6 管道15°坡度凝油融化液相比例云圖

圖7 管道30°坡度凝油融化液相比例云圖

圖8 管道45°坡度凝油融化液相比例云圖

原因是凝油在升溫軟化后轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N半凝固半融化狀態(tài)的膠凝體，因密度大于液態(tài)熱油而向坡底方向持續(xù)緩慢運(yùn)動(dòng)，已經(jīng)融化熱油順著凝油與管壁間的環(huán)向間隙被反向頂擠到坡頂管段，且管道坡度越大，膠凝體原油在坡底方向上的分作用力越大，向下運(yùn)動(dòng)動(dòng)量越大，最終導(dǎo)致坡底凝油沉積越多，管道解凝效果較差。

2.2 不同坡度管道解凝速率分析

根據(jù)圖9不同坡度管道解凝速率曲線圖可知，解凝前期（8 h以前）不同坡度管道解凝速率基本相同，坡度對(duì)于凝油融化速率影響不大；解凝后期（8 h以后），當(dāng)管道坡度小于15°時(shí)，坡度對(duì)于凝油融化速率同樣影響不大，但當(dāng)管道坡度大于15°時(shí)，管道坡度越大，凝油融化速率越小。原因在于解凝前期，管內(nèi)固相凝油以圓柱狀整體形態(tài)存在，管道坡度傾斜方向的分力不足以使凝油發(fā)生軸向位移，固相凝油外緣與管壁間形成的環(huán)形間隙相對(duì)狹窄，融化熱油在管道內(nèi)部相對(duì)運(yùn)動(dòng)以及熱交換趨勢(shì)較弱，斜坡管道與水平管道中凝油融化所需熱量均以徑向吸熱為主，故管道坡度對(duì)于解凝速率影響不大。而解凝后期，固相凝油圓柱由于溫度升高剛度降低，受到熱油環(huán)向渦流擾動(dòng)后逐漸被分成小段塊狀凝油，當(dāng)管道坡度小于15°時(shí)，凝油坡向作用力較小，不足以克服流動(dòng)阻力，塊狀凝油仍在原始位置融化，所以解凝速率與水平管道相差無幾。但當(dāng)管道坡度大于15°時(shí)，凝油坡向作用力可以克服流動(dòng)阻力作用逐漸沿斜坡向下緩慢運(yùn)動(dòng)。最終溫度較低、密度較大固相凝油在斜坡下部管段積聚，熱油在斜坡上部管段聚集，下部和上部固液聚集形成兩極分化狀態(tài)，此時(shí)上部管段對(duì)熱油進(jìn)行持續(xù)加熱而沒有發(fā)揮解凝作用，下部管段則是為持續(xù)流入的地溫膠凝原油加熱，解凝負(fù)荷較大，最終導(dǎo)致整條管道的解凝速率低下。

圖9 管道不同坡度解凝速率曲線圖

圖10 不同管道水平與傾斜兩種工況解凝時(shí)間對(duì)比圖

2.3 坡度對(duì)不同口徑管道解凝時(shí)間的影響

本通過模擬計(jì)算管道在水平敷設(shè)與斜坡敷設(shè)（0°～45°）4種工況下管道的解凝時(shí)間，分析坡度對(duì)不同口徑管道解凝時(shí)間的影響。模擬計(jì)算結(jié)果表明，管道口徑越大，水平敷設(shè)與斜坡敷設(shè)工況解凝時(shí)間間隔越小，管道解凝時(shí)間受坡度的影響越小。原因是管道口徑越大，管內(nèi)凝油中心距離管壁熱源越遠(yuǎn)，越靠近凝油中心吸收熱量越少，受熱軟化分解速度越慢，導(dǎo)致固態(tài)凝油長(zhǎng)時(shí)間以整體圓柱形態(tài)存在，其向坡底方向運(yùn)動(dòng)阻力較大、位移較小，坡頂、坡底凝油融化熱量仍以徑向吸熱為主，所以坡度對(duì)口徑越大的管道影響越小。反之，管道口徑越小，凝油中心升溫、軟化速度較快，固相凝油受周圍熱油擾動(dòng)分解后向坡底方向運(yùn)動(dòng)、積聚較多，解凝時(shí)間較長(zhǎng)，最終導(dǎo)致小口徑水平管道與斜坡敷設(shè)管道的解凝時(shí)間相差較大。

3 結(jié) 論

1）管道坡度越大，解凝過程中坡底沉積凝油越多，解凝效果越差。

2）解凝前期不同坡度管道解凝速率基本相同，坡度對(duì)于凝油融化速率影響不大；解凝后期，管道坡度越大，凝油融化速率越小。

3）管道口徑越大，管道解凝時(shí)間受坡度的影響越小；管道口徑越小，管道解凝時(shí)間受坡度的影響越大。