输油管道顺序输送的热力模拟研究

施 雯， 王 琪， 王 淳

（1. 广东石油化工学院 化工与环境工程学院， 广东 茂名 525000；2. 中国石油化工股份有限公司 辽宁辽阳石油分公司， 辽宁 辽阳 111000）

模拟与计算

输油管道顺序输送的热力模拟研究

施 雯1， 王 琪1， 王 淳2

（1. 广东石油化工学院 化工与环境工程学院， 广东 茂名 525000；2. 中国石油化工股份有限公司 辽宁辽阳石油分公司， 辽宁 辽阳 111000）

同一管道输送流变特性差异很大的多种原油，不同凝固点不同出站温度的原油顺序输送，必然导致土壤温度场的波动，这是一个不稳态传热问题，因此建立了顺序输送不稳态温度场及土壤温度场模型进行分析。利用有限差分法，使用混合网格，即在差分网格的划分中使用了混合网格法，在土壤内部的大部分区域使用矩形网格划分，在管壁附近使用极网格；把模型的热传导偏微分方程转化为线性方程组，用迭代法求解。以湛江至茂名输油管道为例，对其顺序输送不同国家原油的热力状况进行了模拟计算。通过对混输中各阶段油头温度和土壤温度场的分析可知，该模型可确定顺序输送次序和油品出站温度等参数，为制定管输方案提供理论依据。

原油；顺序输送；数学模型；热力过程；模拟

为满足炼油企业的生产需要，缓解国内石油短缺的问题，从国外进口原油，是我国的既定政策。一般一个港口或企业会进口多种不同国家不同地区的原油，数种不同品种的原油，油品物性流变性差异很大。同一管道输送多种原油，管内原油与土壤中的热力平衡状态被破坏，油温及土壤温度将重新分布[1]，因此要建立原油管道顺序输送不稳态温度场及土壤温度场模型，为安全运行提供决策依据。

1 湛茂输油管道概况

湛茂输油管道1980 年10月建成投产，主要担负从湛江港接卸下来的原油输送进茂名炼油厂。线路全长约104.08 km，管径为529 mm，壁厚为7 mm，线路设计最大操作压力为6.0 MPa，设计输油能力1 000×104 t/a，目前实际输送量约为 700×104 t/a[2,3]。

湛茂线输送20余种原油，流变特性差异之大，在国内管道中是少见的。比如沙中原油凝固点-30℃，而苇杜里原油凝固点为+43 ℃。

2 原油的顺序输送模型

原油顺序输送过程中，管内输送油品因温度的不同，将对前一过程（k-1阶段）中所建立的土壤温度场产生影响，前一过程（k-1阶段）终了时管内油温及管外土壤温度为此过程（k阶段）的初始条件。管内油品温度变化为冷、热两种不同油品的温度变化，为不稳定的热力变化。假设前后输送的两种油品界面为一平面，两种油品之间既无质量交换也无热量交换[4]。根据管内油流能量平衡，建立管内油品的温度变化。管内油温的变化将引起管道周围热影响区域内土壤温度的不稳定变化。在土壤温度场模型中将土壤的半无限大区域转化成有限矩形区域，在边界条件中充分考虑了地面温度的变化以及管径等参数的影响。其数学模型描述如下[5~11]。

（1）管内油流的非稳态传热与流动：

（2）土壤导热方程：

（3）边界条件：

（4）初始条件：

管内油温：

管道周围土壤：

式中：Ty—管道沿线各站进站油温，℃；

Tt—管道沿线各站热影响区域范围内土壤温度，℃；

T0(y,t) —自然地温函数，℃；

cy—油品比热容，J/(kg·℃)；

αy—油品的放热系数，W/(m2·℃)；

λt—土壤的导热系数，W/(m·℃)；

Ct—土壤的容积热容量，J/（m3·℃）

D—管道直径，m；

V—原油流速，m/s；

G—质量流量，kg/s；

K—顺序输送阶段；

Z—沿线距离，m。

根据上述数学模型，使用有限差分法，对土壤温度场和管道油流进行耦合求解。为了得到高分辨率，在管道表面附近使用极网格，在其他区域使用矩形网格[12]，土壤温度场网格划分如图1所示。对于顺序输送模型，利用了预测—校正法的思想，校正其差分方程。

图1 土壤温度场的网格划分方法Fig.1 Mesh method of soil temperature field

3 算例与分析

3.1 算例1

设湛茂线顺序输送以下几种原油，每种原油输送4天，计算运行情况。输送油品物性及输送次序如表1所示。从初始第1阶段至第5阶段为第一个循环周期，第6阶段至第9阶段为第二个循环周期。

表1 顺序输送油品次序（算例1）Table 1 Sequence of batch transportation (Example 1)

通过计算，可以得到不同循环各阶段油头的沿线温度分布图。

（1）图2中第一循环周期的第2阶段阿姆纳原油，出站温度为 45.0 ℃的油头进站温度为 51.8℃，油头温度先明显升高后有微小降低。主要原因是初始第 1阶段输送的苇杜里原油出站温度为 55℃，土壤温度场温度升高，出口处土壤温度高于原油出口温度，相当于土壤对原油加热，油头温度不断升高。随着距首站距离的增大，土壤温度场的温度不断降低，管道内部油品的温度高于管道外部土壤温度，油品向土壤传热，管道内油品温度有所降低。

图2 第一个循环中各阶段油头温度Fig.2 Oil temperature of various stages in the first loop

图3 第二个循环中各阶段油头温度Fig.3 Oil temperature of various stages in the second loop

（2）第3阶段马力布原油，出站温度为25.0℃的油头进站温度为42.1 ℃，油头温度显著升高，但随着与首站距离的增加，升温幅度越来越小。主要原因是第2阶段输送的高温原油使管道沿线靠近管壁处的土壤温度均高于第 3阶段油品的出站温度，管道外土壤对油头加热。在刚出站阶段，管道内外的温差很大，此时管道外土壤向油品传热强度大，油品温度快速提升。随着油头不断向前流动，管内油品温度不断升高，但管道外土壤温度却越来越低，此时管道内外的温差越来越小，传热强度不断减小，故油头温度的升温幅度变小。

（3）第4阶段阿姆纳原油，出站温度为45.0℃的油头进站温度为25.1 ℃，油头温度显著降低。由于第3阶段低温原油的影响，管道沿线靠近管壁处的土壤温度被冷却，管道内油品温度高于管外壁土壤温度，相当于管道内油品对土壤加热。

（4）第5阶段苇杜里原油，出站温度为55.0℃的油头进站温度为42.7 ℃，油头温度不断降低。管道内油品温度仍高于管外壁土壤温度，但由于有第4阶段油品对土壤的加热过程，油头降温幅度没有第4阶段大。图3中第二循环周期的第6阶段阿姆纳原油，出站温度为45.0 ℃的油头进站温度为50.8 ℃；第7阶段马力布原油，出站温度为25.0 ℃的油头进站温度为41.4 ℃；第8阶段阿姆纳原油，出站温度为45.0℃的油头进站温度为24.6 ℃；第9阶段苇杜里原油，出站温度为55.0 ℃的油头进站温度为42.1℃。

从图2及图3两个循环可以看出各阶段的转输过程顺利，各阶段沿线油头温度均高于油品的凝点，管道沿程不会出现凝油现象，可实现油品的正常输送。

3.2 算例2

将第3阶段马力布原油的出站温度由25 ℃降为15℃进行输送，其它条件同算例1(表2)。

从图4中可看出第3阶段马力布出站温度改为 15℃后第3阶段的输送可顺利进行。而在第4阶段阿姆纳油头的进站温度已低于此油品的凝点，在约距首站52 km处油头的温度已低于凝点（20.8 ℃），油品将产生凝固而发生凝管现象。主要原因是第 3阶段的油品出站温度为 15 ℃时，此阶段输送末端沿线油温较低，而在第4阶段刚刚转输时沿线油温无法有较大恢复。因此，第3阶段油温为15 ℃不能保证混输油品的正常输送。

表2 顺序输送油品次序（算例2）Table 2 Sequence of batch transportation (Example 2)

图4 降温输送后各阶段油头温度Fig.4 Oil temperature of various stages after cooling transportation

4 结 论

（1）通过对湛茂线原油管道的实际运行进行分析，建立湛茂线原油管道顺序输送的热力模型。

（2）通过有限差分法对原油的初始状态、转输热力过程进行求解。

（3）通过实例对湛茂线原油顺序输送进行模拟，为实际工作中制定管输方案提供理论依据。

［1］姜笃志．输油管道非稳定热力过程数值分析[J]．油气储运，1996,15(8)：1-5．

［2］吴世逵，梁朝林，李大上，等．易凝原油低温热输送的研究[J]．油气储运，2004,23(5)：13-16．

［3］古才荣．湛茂线高比例混输高凝原油的可靠性分析[J]．安全、健康和环境，2008,8(3)：2-5；10．

［4］周诗岽．原油管道顺序输送热力过程模拟[J]．油气田地面工程，2010,28(4)：12-13．

［5］杨筱衡．输油管道设计与管理[M]．东营：中国石油大学出版社，2006．

［6］崔秀国，张劲军．埋地热油管道稳定运行条件下热力影响区的确定[J]．石油大学学报，2004,28 (2)：75-78．

［7］丁芝来，梁静华．冷热油交替顺序输送中热力问题分析[J]．油气储运，2005,24 (10)：46-49．

［8］田娜，陈保东，何利民，等．并行埋地管道准周期土壤温度场的数值模拟[J]．科技导报，2011,29(8)：44-48．

［9］Song W K. Thermal transfer analysis of unpaved and paved freezing soil media including buried pipelines [J]. Numerical Heat Transfer, Part A:Applications, 2005,48(6)：567-583．

［10］李长俊．埋地输油管道的热力计算[J]．西南石油学院学报，1997, 19(1)：79-84．

［11］吴玉国．冷热原油顺序输送技术研究[D]．山东东营：中国石油大学，2010．

［12］吴明，江国业，安丙威．输油管道土壤温度场的数值计算[J]．石油化工高等学校学报，2001, (12)：54-57．

Research on Thermodynamic Simulation of Crude Oil Batch Transportation Pipeline

SHI Wen1，WANG Qi1，WANG Chun2
（1. Guangdong University of Petrochemical Technology, Guangdong Maoming 525000，China；
2. PetroChina Liaoyang Branch, Liaoning Liaoyang 111000，China）

Only one pipeline is used to transport many kinds of crude oils whose rheological properties are great different, it was the batch transportation of crude oil with different freezing points and departure temperature. The temperature field must be fluctuated; it is a problem of unsteady thermodynamic process. So the temperature model of unsteady transportation and the one of soil were established. The finite difference theory was used for calculation. A mixed mesh method was applied,the rectangular mesh was used in the inner field, and normal line mesh was used near the pipe surface. Taking the pipeline of Zhanjiang to Maoming as an example, the thermodynamic process of batch transportation was simulated and calculated. Through analyzing data of oil and soil temperature, the batch and departure temperature can be defined. The mathematical model can provide a theory evidence for project of pipeline transportation.

Crude oil; Batch transportation; Mathematical model; Thermodynamic process; Simulation

TE 832

A

1671-0460（2012）05-0533-04

广东石油化工学院自然科学研究项目，项目号：511002。

2012-02-24

施雯（1983-），女，辽宁本溪人，讲师，硕士，2006年毕业于辽宁石油化工大学油气储运工程专业，研究方向：从事油气储运工程专业教学与研究工作。E-mail：shiwen7117315@163.com。