基于焓温法的石克管线停输温降三维数值模拟

李庆杰，李媛媛，陈慧萍

（新疆油田油气储运公司, 新疆 克拉玛依 834002）

无论是成品油管道还是原油管道，在输送过程中，由于运行工况的变化,其停输是不可避免的。分析原油管道停输过程中的沿程降温，对确定安全停输时间，优化管道运行管理，提出再启动方案及制定停输检修方案具有一定的指导作用。对于管道停输温降过程，国内外学者做了大量的工作，且成果显著。D.E Thomton[1]分别对有保温层和无保温层管道进行了稳态和非稳态的数值计算，得出了解析解；王敏等[2]利用二维数学模型分别模拟了不同土壤导热系数、大气温度的管道温度场分布；许丹等[3]数值模拟了三维非稳态传热埋地管道温度场模拟，该文章考虑了原有物性随温度变化的关系,对管道采用离散算法；卢涛等[4]建立了土壤、管道与原油相互耦合的传热模型并进行了停输期间原油温降的数值计算。本文综合考虑了析蜡潜热对温降的影响，利用有限容积法进行方程离散，采用SIMPLE 算法进行求解，且得到了石克管线停输温降的演变过程，为优化管道运行提供了依据。

石克D377 管线始建于1996 年,起初为输送天然气管道,无保温层,其防腐采用沥青玻璃丝布,后由于实际工况需要,将其改输陆梁原油,其首站石西距末站701 站全长147 km，与石克D273 管线并行输送；但由于两条管线间距较大，其温度场不存在相互影响。由于冬季来临，石克线输量降低，且 D377 管线无保温层，故欲进行间歇输送或停输。为了能够合理安排输送时间，必须对管道沿线及停输时间做详细分析。

1 模型的建立

1.1 数学模型

由于大气温度周期性变化，从而导致埋地管道周围土壤温度随之改变，且土壤传热是一个非常复杂的非稳态传热过程，受土壤物性、水文参数、埋地深度等影响。本文利用管道内油品换热量与土壤导热量的平衡，建立了油流传热与土壤导热之间的耦合关系。其基本假设：

（1） 假设土壤为各向同性的均匀介质；

（2） 管道内油品为牛顿流体；

（3） 不计管道沿线高程差。

1.1.1 土壤传热方程[5]：

1.1.2 停输过程原油温降控制方程

“焓温法”又称焓多孔度法，是将单元网格内流体所占有的体积分数定义为多孔度，把固体和流体并存的区域视作动态的多孔介质。因为所分析流体为多种组分混合物，凝点不一，即在一定的温度范围内可连续出现凝固现象，鉴于这一特点，将凝油区定义为纯固区和混合区两相，依照多孔介质的传热理论，使用凝固区原油质量方程、动量方程以及能量方程[4,6]：

固区原油质量方程：

动量方程为：

式中：ε 为混合区液相原油的体积分数，可表示为：

S 为源项，可表示为：

能量方程为：

式中：H 为凝固区固态原油和液态原油的焓，可表示为：

式中： Ci—固相原油的比热；

Cj—液相原油的比热；

L—析蜡潜热；

γ—原油凝固温度变化范。

1.1.3 边界条件

保温层与土壤接触面：

2 数值模拟及结果分析

2.1 停输前后温度场对比分析

石克 D377 管线全长 147 km, 管径 377×7/6 mm，埋深1.8 m，出站油温41 ℃，进站油温20.1℃，出站压力3.18 MPa,进站压力0.35 MPa，原油粘度随温度的变化关系见图2；原油密度859 kg/m3，比热容2 225 /(kg·K)，导热系数0.14 W/(m·K)；土壤参数：密度1 806 kg/m3，导热率1.2 W/(m·K)，比热容1 818 J/(kg·K)，埋地8 m 处地温恒定，其值为18 ℃；时限参数取地表平均风速2 m/s，当月平均环境温度-5 ℃，埋地处管道沿线地温12 ℃。

图1 出站41 ℃时油温随轴向距离变化曲线Fig.1 Oil temperature change with axial distance at 41 ℃

石克D377 输送陆石油，其凝点为16 ℃，根据输送要求进站温度需高于凝固点3 ℃以上，通过计算进站温度为21 ℃，满足工艺需求。由图2 可以看出，温度高于30 ℃，油品粘度较小，低于30 ℃，粘度大幅度上升，这表明，低于此温度，油品中的蜡晶开始析出，随着温度的进一步降低，蜡晶大量析出，并形成网状结构，表现为油品粘度增加，低于20 ℃以后，粘温曲线变得非常陡峭，因此在20℃以下，油品中的蜡晶开始大量析出，故在输油时，优先保证输油温度高于20 ℃。

由图3 可以看出，当停输17 h 后，其管道末端温度为16 ℃，达到其凝点温度，至此可以得出其停输时间为17 h，随着时间的推移，其温度将持续降低，管段油流将沿末端向前逐步凝结。

由图 3 可以看出,出站温度较高时,轴向温降较快，随着距离的增加，温度的降低，其温降速度明显减弱。并从图4-8 可以得出如下结论：

图2 油品的粘温曲线Fig.2 Oil viscosity-temperature curve

图3 停输前后温度变化曲线图Fig.3 Temperature curve before and after shutdown

图4 三维数值模拟局部放大图Fig.4 Enlarge map of three-dimensional numerical simulation

(1)在稳态条件下，停输前后距出口越近，管道正下方等温线越稀疏，而距出口越远，其等温线越密，这主要是由于温度梯度所造成；

(2)在同一截面处，停输后的等温线较停输前的等温线密集；

(3)停输前后，管道正下方同一截面处的相同位置，停输前的温度较停输后的温度高，由于停输时间较短，温差不明显，随着输送距离的增长，这种温差越来越小；

(4)由于停输后原油温度降低，土壤吸收管道热量减少，从末端开始，管道周围温度场受环境影响增大。

图5 停输前出站温度场Fig.5 the temperature field at the station before shutdown

图6 停输17 h 后出站温度场Fig.6 The temperature field at the station after shutdow17 h

图7 停输前147 km 处温度场Fig.7 Shutdown temperature field at 147 km

图8 停输17 h 后147 km 温度场Fig.8 The temperature field at 147 km after shutdown 17 h

2.2 出站温度对停输时间的影响

为了便于分析石克D377 管线的停输特性，在其他条件不变的情况下，只改变出站温度，计算其进站油温和停输时间。由表1 可以看出，单纯提高出站温度，延长停输时间效果并不明显。在此基础上，结合当地最冷月气象温度，得出了在沿线埋地管段为2 ℃的地温下，欲使管道顺利输送而不凝管，需要将出站油温增加到78 ℃，这将大大增加输送成本，不利于管道的优化运行（图9，10）。

图9 不同出站温度的轴向温降Fig.9 Axial temperature drop at different outbound temperature

图10 最冷月的出站温度Fig.10 Outbound temperature at the coldest month

表1 不同出站温度的停输时间Table 1 Shutdown time at different outbound temperature

3 结束语

利用焓温法建立的三维数学模型，得到了热油管道停输过程中的温度场分布，通过分析可以得出，在其短暂的停输时间内，管道温度场变化不明显，给合理安排停输时间及再启动过程中温度场恢复时间提供了理论依据。并结合实际情况，计算出不同出站温度的停输时间及最冷月的输送温度，能够给管道优化运行提供可靠的理论支持。

［1］ Thomton D E. State –state and quasi –static thermal results for bare insulted pipes in permafrost CAN[J]. CEQTEH,J， 1976, 13（2）:56-57.

［2］ 王敏，于远洋.埋地热油管道停输温降的CFD 模拟[J].科学技术与工程,2011 ,11（22）: 5281-5284.

［3］许丹，申龙涉，杜明俊,等.埋地热油管道停输三维非稳态传热过程的数值模拟[J].辽宁石油化工大学学报，2010,30（4）:47-50.

［4］卢涛，姜培学.埋地原油管道停输期间温降及原油凝固传热模型及数值模拟[J].热科学与技术，2005,4:298-302.

［5］邢晓凯,等.埋地热油管道正常运行温度场的确定[J]. 油气储运,1999, 18( 12): 8-13.

［6］刘扬，袁亮，魏立新.庆哈原油管道停输时间的模拟[J].油气储运，2009, 4（28）:16-18.

［7］杜明俊，马贵阳，陈笑寒.冻土区埋地热油管道停输温降数值模拟[J].天然气与石油,2010, 4 (28):54-57.

［8］ 刘刚，张国忠，张园园.热含蜡原油管道内停输温降计算[J].中国石油大学学报（自然科学版），2010，5（34）:136-140.