海底管道預(yù)熱方案優(yōu)化研究

王洪杰 (深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，天津 300457)

0 引言

我國海上盛產(chǎn)含蠟原油，含蠟原油通常具有高粘易凝的性質(zhì)，當(dāng)溫度較低時(shí)，會(huì)使得原油粘度迅速上升，增大原油在管內(nèi)運(yùn)輸?shù)哪ψ瑁?dāng)原油溫度降低到原油凝點(diǎn)以下時(shí)，會(huì)導(dǎo)致“凝管”事故的發(fā)生，對海上油氣集輸造成巨大的安全隱患。新投產(chǎn)或停輸?shù)暮５坠艿赖暮４矞囟韧ǔ］^低，原油與管壁溫差較大，為降低停輸再啟動(dòng)時(shí)的能源消耗以及避免海底管道發(fā)生“凝管”事故，通常會(huì)在再啟動(dòng)或投產(chǎn)之前通常會(huì)對管道進(jìn)行預(yù)熱處理，即在正式投產(chǎn)之前，在一定時(shí)間內(nèi)向管道內(nèi)輸入特定溫度的預(yù)熱介質(zhì)，通過預(yù)熱介質(zhì)加熱管壁以及管道周圍土壤，以此達(dá)到提高管道周圍環(huán)境蓄熱量，降低投產(chǎn)后原油在管道內(nèi)溫降的目的[1]，通常采用輸送熱水的方式對管道進(jìn)行一定時(shí)間的預(yù)熱處理[1]。文獻(xiàn)[2-5]研究了管道在正向預(yù)熱和反向預(yù)熱過程中溫度場的變化規(guī)律，并探討了預(yù)熱時(shí)機(jī)的影響因素及其滿足流動(dòng)安全的溫度控制指標(biāo)。由于海底管道預(yù)熱消耗的資源和能源較多，優(yōu)化預(yù)熱方案能夠產(chǎn)生顯著的節(jié)能減排效益。本文利用海底管道常用商用設(shè)計(jì)軟件OLGA，采用數(shù)值模擬方法研究了不同預(yù)熱條件下，海底管道沿線溫度分布特性以及耗時(shí)、耗水和耗能變化規(guī)律，從綜合節(jié)能能耗和資源的角度推薦了相對較優(yōu)的預(yù)熱方案。

1 模型構(gòu)建

本文使用PVTsim 軟件設(shè)置模型中的熱流組分，利用OLGA 軟件開展管道預(yù)熱過程動(dòng)態(tài)模擬。建立的海底管道模型如圖1 所示。海水平均水深30 m，環(huán)境溫度20 ℃，管道總長13.7 km，管道截面為雙層管結(jié)構(gòu)，其中內(nèi)管規(guī)格為219.1 mm×14.3 mm，外管規(guī)格為355.6 mm×14.3 mm，保溫層采用聚氨酯泡沫材料，導(dǎo)熱系數(shù)為0.022 W/m·c，平均厚度45 mm。模型管道上游通過軟件中的SOURCE 模塊給定管道所輸流體的物性、輸量與溫度，下游出口設(shè)置為壓力邊界條件，本文設(shè)定出口壓力為1.2 MPa。預(yù)熱模擬采用的液體為經(jīng)處理后的海水，采用電加熱器對海水進(jìn)行加熱，加熱器額定功率4.67 MW，海水加熱前溫度為20 ℃，平均加熱效率0.9；采用離心泵對海水進(jìn)行增壓，增壓前(泵的入口)壓力為200 kPaA，平均增壓效率為0.75。

圖1 海底管道預(yù)熱OLGA 模型

2 結(jié)果分析

在加熱器熱負(fù)荷恒定的條件下，熱流介質(zhì)流量越高，入口熱流介質(zhì)溫度越低。本文分別模擬計(jì)算了入口流量在60 m3/h、90 m3/h 和120 m3/h 情況下，管道內(nèi)介質(zhì)溫度隨時(shí)間的變化情況。在預(yù)熱過程中，在熱流介質(zhì)由管道上游不斷向終點(diǎn)推進(jìn)的過程中，管內(nèi)溫度隨著熱水頭的到來而迅速上升，熱流介質(zhì)不斷向管壁及周圍環(huán)境散熱，使管壁以及周圍土壤溫度升溫并達(dá)到局部飽和狀態(tài)，以此達(dá)到預(yù)熱目的。模擬所參考原油凝固點(diǎn)為29 ℃，通常情況下，以管道末端溫度高于凝固點(diǎn)溫度3～5 ℃作為預(yù)熱完成的標(biāo)志，本文以管道末端溫度達(dá)到32 ℃視為預(yù)熱完成。在預(yù)熱完成時(shí)，除末端管道一小部分外，其余管段的溫度場基本已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

2.1 不同預(yù)熱流量的影響

在加熱器維持100% 滿負(fù)荷運(yùn)行條件下，針對60 m3/h、90 m3/h 和120 m3/h 三個(gè)管道流量，模擬了不同流量時(shí)管道沿線溫度分布隨時(shí)間的變化，結(jié)果如圖2 所示，途中從左至右各曲線分別為熱流介質(zhì)進(jìn)入管道不同時(shí)間后的管道的沿程溫度變化情況。(1)當(dāng)流量為60 m3/h 時(shí)，流速僅有0.59 m/s，管道入口溫度可達(dá)到80 ℃，管道沿線溫度升幅較大，但較小流量的熱流介質(zhì)對管壁以及周圍環(huán)境的散熱時(shí)間較長，熱水頭向前推進(jìn)的速度較慢，大約7.4 h 管道末端溫度方達(dá)到32 ℃的目標(biāo)溫度。(2)當(dāng)流量增加到90 m3/h 時(shí)，盡管管道入口溫度下降至60 ℃，使得沿線溫度升高幅度有所減小，但熱水的流速增至0.88 m/s，同時(shí)熱水頭向前推進(jìn)的速度也較快，大約5.2 h 即達(dá)到了預(yù)熱目標(biāo)溫度。(3)當(dāng)流量繼續(xù)增加到120 m3/h 時(shí)，流速增大到1.17 m/s，入口溫度降為50 ℃，熱水頭向前推進(jìn)的速度在模擬的三種工況中達(dá)到最大，預(yù)熱時(shí)間進(jìn)一步降至4 h 左右。由此可見，不同預(yù)熱流量時(shí)，管道沿線的溫度分布規(guī)律相似，在熱流介質(zhì)與管內(nèi)原有介質(zhì)相交處的100～200 m 管段內(nèi)，管內(nèi)溫度梯度較大。在入口加熱器功率恒定的條件下，流量越高，入口熱流介質(zhì)溫度越低，管道管道沿線溫升幅度越小，但同時(shí)管線預(yù)熱完成時(shí)間也越短。

與圖2 相對應(yīng)，圖3 給出了在不同預(yù)熱流量下，模擬得到的耗時(shí)、耗水和耗能的變化結(jié)果。(1)在時(shí)間消耗方面，流量對預(yù)熱時(shí)間影響顯著，當(dāng)流量由60 m3/h增大到120 m3/h 時(shí)，預(yù)熱時(shí)間縮短45.6%，這意味著預(yù)熱效率的大幅提高。(2)在水資源方面，盡管流量增大會(huì)導(dǎo)致消耗的水資源量有所增多，但由于達(dá)到預(yù)熱完成的時(shí)間不同，因此不同流量對應(yīng)的耗水量并無明顯差別，不同預(yù)熱流量下，耗水量最大的流量120 m3/h的預(yù)熱流量僅比流量60 m3/h 的預(yù)熱流量相對多耗水8.2%；同時(shí)，海洋平臺(tái)的海水資源相對充沛，故其微小的耗水量偏差不是影響預(yù)熱方案優(yōu)劣的關(guān)鍵因素。(3)在能量消耗方面，一方面，熱耗呈現(xiàn)出隨流量的增加而顯著下降的趨勢，流量120 m3/h 的熱耗幾乎只有流量60 m3/h 熱耗的一半；另一方面，泵耗卻呈現(xiàn)出隨流量的增加而呈現(xiàn)有所攀升的趨勢。然而，泵耗平均值僅相當(dāng)于熱耗平均值的1% 左右，因此，預(yù)熱方案的能耗主要由熱耗決定，在本文考察的預(yù)熱參數(shù)范圍內(nèi)，高流量的能耗遠(yuǎn)低于低流量的能耗。

圖2 不同預(yù)熱流量對沿線溫度分布的影響

2.2 不同加熱負(fù)荷的影響

從上一小節(jié)的研究結(jié)果可以看出，在加熱器滿負(fù)荷運(yùn)行條件下，較高的預(yù)熱流量有助于節(jié)省時(shí)間和降低能耗，本小節(jié)將從適度減小加熱負(fù)荷的角度探討進(jìn)一步降低能耗的可行性。圖4 給出了流量120 m3/h，加熱負(fù)荷分別為75%和50%時(shí)管道沿線溫度分布隨時(shí)間的變化趨勢，同時(shí)對比如圖2(c)所示的加熱負(fù)荷100%對應(yīng)的結(jié)果，可以看出：(1)隨著加熱負(fù)荷的減少，管道入口處的熱流介質(zhì)溫度有較為明顯的下降，因此熱水對管道沿線溫度的提升幅度相應(yīng)減少，但熱水頭向前推進(jìn)的過程中，管道內(nèi)的溫度變化規(guī)律沒有改變，在熱水頭沿程初始到達(dá)的管段內(nèi)出現(xiàn)了較大的溫度梯度。(2) 加熱負(fù)荷對管道達(dá)到目標(biāo)溫度的時(shí)間具有一定影響，加熱負(fù)荷越少，管道達(dá)到目標(biāo)溫度的時(shí)間越長，但總體滯后的時(shí)間并不顯著。

圖3 不同預(yù)熱流量對應(yīng)的資源和能源消耗

圖4 不同加熱負(fù)荷對沿線溫度分布的影響

與圖3 類似，圖5 給出了在不同加熱負(fù)荷時(shí)，模擬得到的耗時(shí)、耗水和耗能的變化結(jié)果。(1)在時(shí)間資源方面，加熱負(fù)荷對預(yù)熱時(shí)間略有影響，當(dāng)加熱負(fù)荷降低50%時(shí)，預(yù)熱時(shí)間僅延長12.4%，這意味著適當(dāng)調(diào)低加熱負(fù)荷不會(huì)顯著影響預(yù)熱效率。(2) 在水資源方面，由于加熱負(fù)荷減少會(huì)延長預(yù)熱時(shí)間，導(dǎo)致消耗的水資源量相應(yīng)增加，其增多的比例與預(yù)熱時(shí)間延長的比例保持一致，因此，當(dāng)加熱負(fù)荷降低50% 時(shí)，預(yù)熱耗水量也會(huì)增多12.4%，考慮到海上水資源相對豐富，小幅增加耗水量不會(huì)制約預(yù)熱方案的優(yōu)化。(3)在能源方面，隨著加熱負(fù)荷的降低，熱耗呈現(xiàn)出顯著的下降趨勢，而泵耗卻表現(xiàn)出一定的上升趨勢。以加熱負(fù)荷降低50%為例，熱耗降低43.8%，泵耗升高12.8%，但由于泵耗不足熱耗的2%，因此，熱耗的變化規(guī)律完全可以表征總能耗的變化規(guī)律，換言之，適當(dāng)降低加熱負(fù)荷能夠進(jìn)一步有效降低預(yù)熱能耗。

圖5 不同加熱負(fù)荷對應(yīng)的資源和能源消耗

2.3 不同預(yù)熱方案對末端溫度的影響

根據(jù)前人的研究成果[5]，管道周圍環(huán)境溫度低于管內(nèi)熱流介質(zhì)溫度，管道溫度隨里程增加而逐漸降低，在管道末端溫度達(dá)到最低。因此，在管道預(yù)熱過程中，末端溫度是管道沿線整個(gè)溫度場的“卡脖子”溫度，通常以末端溫度是否高于原油凝固點(diǎn)3～5 ℃判別預(yù)熱是否滿足流動(dòng)保障要求。圖6 給出了上述不同預(yù)熱方案對應(yīng)的末端溫度隨時(shí)間的變化。可以看出，在加熱器滿負(fù)荷運(yùn)行的條件下，流量越大，末端溫度起升的時(shí)間越早，起升后溫度變化速率大體相同；當(dāng)改變加熱負(fù)荷時(shí)，末端溫度開始起升的時(shí)間不受加熱器負(fù)荷變化的影響，起升后溫度變化速率隨著加熱負(fù)荷的降低而減小；流量與加熱負(fù)荷均能顯著地改變末端平衡溫度，流量越大、加熱負(fù)荷越小，末端平衡溫度越低。如果末端平衡溫度低于預(yù)熱目標(biāo)溫度，顯然無法達(dá)成預(yù)熱目的。由此可見，盡管增大流量和減小加熱負(fù)荷可以顯著降低預(yù)熱能耗，但在調(diào)整入口預(yù)熱流量與加熱負(fù)荷時(shí)，需同時(shí)考慮末端溫度是否達(dá)到預(yù)熱目標(biāo)溫度。

3 結(jié)論

本文通過數(shù)值模擬的方法，研究了在不同熱流介質(zhì)流量與不同加熱負(fù)荷的預(yù)熱條件下，海底管道沿線溫度分布特性以及耗時(shí)、耗水和耗能變化規(guī)律，綜合考慮節(jié)能能耗和資源消耗，推薦了在本文案例中相對較優(yōu)的預(yù)熱方案，在入口熱流流量為120 m3/h，加熱負(fù)荷為50% 的情況下，可使得管道末端平衡溫度高于預(yù)熱目標(biāo)溫度，同時(shí)能耗最小。

由高凝原油海底管道在不同預(yù)熱流量、加熱負(fù)荷條件下管道沿線溫度及資源、能源消耗的數(shù)值模擬結(jié)果可知：(1) 預(yù)熱流量是影響預(yù)熱時(shí)間與能耗的關(guān)鍵因素，適度提高預(yù)熱流量可顯著節(jié)省預(yù)熱時(shí)間和能耗，在節(jié)省預(yù)熱時(shí)間的優(yōu)勢下，增加預(yù)熱流量并不會(huì)顯著增加水量消耗。(2) 在相同預(yù)熱流量的條件下，加熱負(fù)荷的變化對管段末端溫度開始起升的時(shí)間并無太大影響，適度降低加熱負(fù)荷可以進(jìn)一步節(jié)省預(yù)熱能耗，并不會(huì)顯著延長預(yù)熱時(shí)間。(3) 提高預(yù)熱流量與降低加熱負(fù)荷均會(huì)導(dǎo)致管道預(yù)熱階段可達(dá)到的最高溫度降低，以降低能耗為目的調(diào)節(jié)預(yù)熱流量和加熱負(fù)荷應(yīng)以管道末端平衡溫度高于預(yù)熱目標(biāo)溫度為邊界。