输油管道停输期间温度场数值模拟

陈小榆，朱 盼，冯碧阳，苏 鑫，凌沛文

（西南石油大学石油与天然气工程学院，四川成都610500）

某海上油田的集输系统为连续生产系统，由于受天气或其它因素（如计划检修、电源中断等）的影响，经常会出现关井停产现象，导致管线停输。这时海管内的原油具有储热能力，受海水温度的影响，向周围介质传递热量。刚停输时管内油温下降较快，但随着停输时间的延长，最后降到与海水相同的温度。传热过程包括：管内原油以对流方式将热量传给凝油层内侧，而凝油层、管壁、保温层等以导热的方式将热量传递给周围的土壤，再与大气或水进行对流换热。该油田的原油凝点较高（大于32 ℃），因此管线停输后很容易出现凝管现象，这样就会造成管线停输再启动的能耗增加，加大了输油成本。所以有必要研究管线停输后热油管道的热量传递、散热损失及温度分布情况。对于热油管道停输的温降规律，科研工作者做了大量的研究。Wang 等[1]应用FLUENT 软件模拟了在不同土壤的导热系数及不同大气压下埋地热油管道停输的温度场和速度场分布规律。Du 等[2]在考虑原油凝固潜热对温降影响的基础上，采用“焓-多孔度”技术模拟了水下管道停输过程中管内原油温降规律，得出不同停输时刻管内原油的凝固区、混合区、液油区的位置。Nan 等[3]建立热油管道停输温降分析微分方程组，采用数值解法获得热油管道停输后的温度变化规律，对合理确定安全停输时间提供了理论依据。

以计算流体力学和传热学为理论基础，用FLUENT 软件建立埋地输油海管的有限元模型，分析模拟管线停输后原油温度随停输时间的变化规律，从而为油田管线停输时间的确定和再启动方案的选择提供理论依据。

1 模型建立

1.1 物理模型

某油田输油管道的热力系统主要包括输油管道、保温层、海泥层、海水层。模拟时作以下假设：海水恒温；原油为不可压缩流体；忽略由于原油流动产生摩擦对油温的影响；忽略沿管线轴向的热量损失。其模型如图1所示。

图1 海底埋地管道物理模型Fig.1 Physical model of submarine pipeline

1.2 数学模型

管线在停输降温过程中应遵守质量守恒、能量守恒和动量守恒。

质量守恒方程

动量守恒方程

能量守恒方程

式中，u、v 分别为x、y 方向的速度，m/s；fx、fy分别为x、y 方向的单位质量力，m/s2；t 为时间变量，s；μ为流体的运动黏度，m2/s；P 为计算压强，Pa；T0为油品的热量，J。

2 实例模拟计算

油田集输管线资料和油品物性：原油的密度为893.4 kg/m3，黏度为1×10–5m2/s，比热容为2100 J/(℃·kg)，导热系数为0.15 W/(m·℃)，凝点为35℃，倾点为38 ℃，停输时油温为65 ℃。海底土壤的密度为2000 kg/m3，比热容为2500 J/(℃·kg)，导热系数为6 W/(m·℃)。保温材料的厚度为50 mm，导热系数为0.04 W/(m·℃)，密度为65 kg/m3，比热容为1390 J/(℃·kg)。沥青厚度为5 mm，密度为900 kg/m3，比热容为2350 J/(℃·kg)，导热系数为0.15 W/(m·℃)。集输管道的半径为Φ520×7 mm，弹性模量E=210 GPa，泊松比μ=0.3，导热系数为1.2 W/(m·℃)，线膨胀系数α为1.2×10–5mm/(mm·℃)，密度为7850 kg/m3，埋深1.5 m，管道长度为25.9 km。

2.1 网格划分

用前处理器建立管道模型并合理划分网格。对管内原油区域采用Quad 单元以Tri Primitive 方法划分面网格，使用Tri Primitive 可以将一个三侧面分成3个四边形区域，并在每个区域生成如图2所示的网格，正好适应于1/4 半圆原油区域的网格划分；对于钢管、保温层、沥青区域均为规则图形，采用Quad 单元以Map 方法进行面网格划分，生成结构化四边形网格；在对土壤区域划分网格时，由于越靠近管道系统传热效应越明显，为提高模拟的精确度应该细化管道系统周围的土壤网格，并且区域为不规则图形，因此采用Tri 单元以Pave 方法进行网格划分，生成非结构化三角形网格。网格的密度设置为1 mm×1 mm，整个模拟模型区域包括65510个网格单元。管道模型及网格如图2所示。

图2 管道模型网格Fig.2 Grid of pipeline model

2.2 传热模拟

通过原油的流变性实验，可知原油在模拟温度范围内为牛顿流体，黏-温关系如图3所示。原油的黏度随温度是变化的，其关系式如式（5）、式（6）。并且在模拟时忽略温度对导热系数的影响，即导热系数是定值。

图3 原油的黏温曲线Fig.3 Viscosity temperature curve of crude oil

2.2.1 稳态传热

海底埋地管道的散热主要包括热油与管道壁面之间的传热，管壁及防腐层之间的传热以及管道与沥青层、土壤之间的传热。模拟时在水平方向，距离管道热力半径以外的区域温度受管道传热的影响可以忽略不计，即可认为是绝热边界，无热量交换。边界条件设置为热流边界，热通量为0 W/m2。查阅资料[4]可知，垂直土深为8 m 时，土壤层可以认为是恒温，温度为8 ℃，边界条件设置为温度边界。海水与土壤通过对流换热的方式交换热量，边界条件定义为对流换热边界，对流换热系数为120 W/(m2·K)，设海水温度为4 ℃。

开启能量方程，采用SIMPLE 算法进行求解[5]，模拟油品输送一段时间后油品及土壤的温度分布，并将其稳态传热结果作为管道停输后非稳态传热的初始值。停输初期管道系统及周围土壤温度分布云图如图4所示，用Tecplot 绘制的温度场等值线图如图5所示。

图4 停输时管道系统温度分布云图Fig.4 Temperature distribution at the stage of Pipeline shutdown

图5 停输时温度场等值线图Fig.5 Temperature contour diagram at the stage of pipeline shutdown

从管道系统温度分布云图（图4）可以看出，原油在长时间输送过程中管道及周围介质形成了稳定的温度场。管道上方温度梯度明显大于管道下方的温度梯度。这是由于海水温度较低，海水与管道上方土壤以对流方式传递热量，管道上方的土壤温度与原油温度相差过大，致使管道向上方土壤传递更多的热量。在垂直距离6 m 处，土壤温度几乎不受热油管道温度的影响，这进一步验证了垂直土深为8 m 时，土壤层取为恒温的合理性。在水平方向，左右距离管道3 m 的区域内，土壤温度受油温的影响非常明显[6]。从图5温度场等值线图可以看出距离管道左右3 m 以外的区域，等温线呈线性分布，这充分说明该区域温度场基本不受管道温度的影响。

2.2.2 非稳态传热

以稳态传热模拟出管道停输时温度场，作为非稳态模拟的初始值继续模拟，定义解算器为非定常模型，得出在不同停输时刻管道系统及周围土壤的温度场，如图6所示。

图6 不同停输时刻土壤温度分布图Fig.6 Distribution of soil temperature at different pipeline shutdown time

从不同停输时刻土壤温度分布图（图6）中可以看出，靠近管道的土壤等温线呈椭圆形分布，且中心向下偏移[7]，说明管道上方土壤受海水温度的影响，温度变化较管道下方的缓慢。对比图4 停输时管道系统温度分布和图6 中停输15 h 后管道系统温度分布发现，随着停输时间的延长，在垂直方向上的温度梯度变化明显，等温线越来越密集，这是由于在这段时间内管内原油向周围土壤大量放热，同时由于土壤热阻作用，使温度在传递过程中出现了延迟效应。同样对比停输15 h 和30 h 的温度场云图可以看出温度变化不明显，这是因为随着原油不断向周围土壤释放热量，温度逐渐降低，传热能力减弱，而土壤蓄热量趋于稳定。随着停输时间的延长，最终原油管道系统和周围土壤温度达到平衡，形成稳定温度场。

利用FLUENT，通过XYPlot 读出不同停输时刻管道中心及壁面的温度，绘制的温降曲线如图7所示。

图7 管道中心及壁面停输温降曲线Fig.7 Temperature drop curve of pipeline shutdown

从原油停输1 h 后管内原油的速度矢量分布图（图8）可知，在停输初期原油没有结蜡，管道内不同位置的原油温度不同，且原油与周围介质的温差较大，使温度较高的原油上升到管道上部，温度相对低的原油下沉，从而原油内部形成自然对流。在停输初期这种自然对流传热剧烈，温降曲线下降快，在停输的10 h 内，温度降低接近20 ℃。随着油温的降低，自然对流强度减弱，油温随停输时间的变化缓慢，在此阶段蜡晶开始析出，传热和自然对流共同主导热量传递。随着油温的进一步降低，管内原油自然对流完全消失，主要依靠导热方式传递热量，此时温降较上一阶段明显。管道停输后，原油传热方式的3 种变化对应了温降曲线上3个不同的阶段。同时从图7中可以看出，在不同停输时刻管道中心的温度明显高于壁面的温度，这是由于管道外壁靠近土壤，温度相对较低，并且管材的导热系数大于油品的导热系数也引起了这一现象。

图8 停输1 h 后原油速度矢量分布图Fig.8 Velocity vector diagram of crude oil after pipeline shutdown 1 h

从温降曲线图可以看出，当停输时间达到21 h时原油温度降为38 ℃，高于原油凝点3 ℃，因此管道系统安全的停输时间为21 h。当停输时间超过安全停输时间时，需要加载足以克服管内原油静屈服应力的压力，管线才可能被启动。

3 结 论

对某油田集输管道停输温度场进行二维数值模拟，结果如下。

（1）管道上方温度梯度明显大于管道下方的温度梯度，并且管道上方的等温线相对密集。靠近管道的土壤等温线图呈椭圆形分布，且中心向下偏移。

（2）管道停输后，原油传热方式有3 种变化，即：自然对流、自然对流和导热、纯导热；对应的温降曲线也分为3个阶段。

（3）管道系统安全的停输时间为21 h。

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