埋地热油管道停输再启动研究

侯昊 章涛 白桦 李江飞

摘 要：管道停输与再启动是埋地热油管道运行中经常遇到的问题。介绍了国内外的专家学者在该领域的研究成果，包括实验研究和数值模拟两个方面。在对不同研究者的研究方法进行分析后，总结了管道停输与再启动数值模拟方面目前尚未解决好的问题，为停输再启动过程的研究提供了一定参考。

关 键 词：含蜡原油；停输再启动；管道；数值模拟；实验

中图分类号：TE 832 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2015）07-1560-04

Study on Shutdown and Restart of Buried Hot-Oil Pipeline

HOU Hao1，ZHANG Tao1，BAI Hua1，LI Jiang-fei2

（1. China University of Petroleum （Beijing）， Beijing 102249， China；

2. Department of Thermal Engineering， Chengde Petroleum College， Hebei Chengde 067000， China）

Abstract： The shutdown and restart of buried hot-oil pipelines often occur. Researchers have done a lot of studies on these problems and acquired quantities of achievements. In this paper， research status of shutdown and restart of buried hot-oil pipelines was introduced from aspects of numerical simulation and experiments. Unsolved problems of shutdown and restart were presented.

Key words： Waxy crude oil； Shutdown and restart； Pipeline； Numerical simulation； Experiment

热油管道的停输是不可避免的，无论是意外故障还是计划维修都会导致管道停输。然而，管道的停输会导致管内油品和管外环境由于温度差异而产生复杂的热量交换。如果外界环境温度低于管内介质温度，管内油品温度降低，这时就有可能出现蜡的析出现象。大量蜡晶可能形成一定的结构（例如网状）增强油品结构的强度。如果泵提供的压力不足以破坏这个结构强度，就有可能发生凝管事故。为此，国内外研究者对管道停输再启动过程从数值计算和实验研究两方面展开了大量的研究，本文在分析总结前人研究工作的基础上，探讨了目前关于停输再启动过程的研究中所存在的一些问题，为以后的研究提供了一定的参考。

1 数值模拟

1.1 停输温降计算

对热油管道停输温降的研究方法主要有数值方法和解析法[1，2]，由于热油管道停输温降是一个三维的非稳态的过程，并且伴随着析蜡放热和边界移动等问题，加之对热油管道停输温降的影响因素很多，并且有些因素还具有模糊性和随机性，因此对于这样一个复杂的过程是很难通过解析的方法来求解的，除非进行大量的假设和简化。因此，数值方法表现出其优越性，加之近年来计算机技术的飞速发展为数值计算提供了便利，因此越来越多的研究者通过数值方法对热油管道停输温降进行了大量的模擬分析研究，取得了很大进展。

1.1.1 计算区域的确定

实际情况中，管道停输后的热量交换问题十分复杂，可能还包括流体相平衡及相变、对流导热的耦合等问题。尤其是三维计算区域下，网格节点很多，计算量非常大，所消耗的资源更是巨大。考虑到管道停输后的轴向温降与径向温降相比小得多，所以往往忽略轴向的温度梯度，这也是国内外通用的做法。加之管道及周围土壤温度场的分布的轴对称性，因此温度场计算区域可以简化为垂直于管道的半无限大平面。直接对半无限大区域计算，会带来计算量大且重复，效率不高的问题。对此，研究人员可以通过建立的各种数学模型进行求解，有代表性的方法是半空间模型法[1，3]、等效圆筒法[4]和热力影响区域法[5-7]。对于半空间模型法，通常将半无限大土壤区域简化为有界的区域进行计算。热力影响区域法认为，大地恒温层温度Th在距地面H处不受热油管道温度的影响；而在水平方向上距离管道中心L距离处热量的传递可以被忽略。等效圆筒法把管道看做是土壤包裹着的介质，土壤被意象为圆筒状，可以视为包裹着管道的环状的保温层。国际著名的流动模拟软件OLGA就是根据等效圆筒模型而开发的。该方法可以广泛应用于稳态模型的求解，但是鉴于其界定保温层厚度的难度，对求解非稳态问题并不适用[8]。因此，对停输再启动过程的研究很少采用等效圆筒模型。

1.1.2 停输温降过程的研究

原油管道停输以后，按照传热方式的不同，可以把管内停输温降过程分为三个阶段[9]。第一阶段：自然对流传热主导阶段，管道刚停输时油温较高，结蜡层很薄，管内油品主要以液态形式存在，因此自然对流放热强度较大；然而管内存油和钢管的热容量都较小，故该阶段温降速度很快。第二阶段：自然对流与热传导共同控制阶段。当原油温度下降至析蜡点以后，原油开始析蜡胶凝。管壁结蜡层不断加厚，固液界面会逐渐扩展到管中心方向。第三阶段：纯导热阶段。该阶段管内存油已全部形成网络结构，原油失去流动性，凝油层主要以热传导方式向外界散热。该阶段中的温降速率低于第一阶段而高于第二阶段。因此，在管道停输后的热力方程分析求解通常围绕以下三方面主题：（1）液相区自然对流传热；（2）固液移动相界面传热；（3）原油析蜡潜热的处理。

一个方法是把热油管道停输温降问题视为一系列类似的非稳态导热问题来进行处理，即联立土壤导热方程、管壁以及保温层导热方程以及油品导热方程，结合边界条件进行数值求解。显然这种处理方法跟实际情况有很大的差异。

另一种研究方法则考虑原油温降过程中自然对流的影响。即通过划分对流区和导热区的方法综合考虑自然对流和导热换热的影响，划分的边界也是动态变化的。为了更好地处理自然对流问题，人们在此引入了当量导热系数的概念以转化自然对流问题为导热问题，这样可以凭借一个导热方程描述整个对流换热和导热过程。与普通导热方程不同之处就在于方程中的导热系数不是原来意义上的实际导热系数，而是当量导热系数。原油凝结析蜡过程会放出析蜡潜热，人们开发了两种方法研究相变潜热释放后可能带来的相态变化问题，第一种[10]将析蜡潜热对原油温降的影响通过原油的比热容随温度的变化来反映，第二种[3]认为原油只是在固液界面上放出析蜡潜热。目前，普遍采用的是第一种方法。

1.2 再启动计算

含蜡原油管道停输后再启动时，往往采用热油或者水，甚至直接用低粘度油品做顶级液顶出管内凝结油品。启动过程是否顺利，取决于停输过程的温降幅度、启动初始时刻的油温分布以及原油的流变性等因素，最终通过流量的恢复情况来反映。

1.2.1 管道再启动过程的热力计算

李长俊等[11]将再启动过程中土壤热物性参数看作是随温度变化的函数，通过keller盒式积分法和广义阻尼牛顿-拉夫逊法对所建立的数学模型进行求解。赵晓东[12]等对管道再启动过程进行热力计算时认为压力波到达前，热力计算模型与停输温降模型相同；压力波到达后，则通过联立油流热平衡方程、凝油层导热方程以及土壤导热方程，用数值法进行求解。

1.2.2 再启动过程的水力计算

热油管道再启动过程通常是热力和水力相互耦合的过程，对再启动过程的计算通常是联立求解原油的控制方程，结蜡层、管壁、保温层的导热方程。管道启动时，压力有一个传递过程，使得胶凝原油的屈服不是在同一时间完成，而是沿管道不断向前推进的。再启动过程的不同时刻，压力波所到达的位置不同，管道不同截面或相同界面不同径向位置原油的结构参数、屈服情况以及剪切历史均不相同，因而管道不同位置处的原油触变过程是不一样的。为此，压力波传播速度及其影响因素以及触变过程的研究是再启动过程水力计算的重点。

如前所述，再启动过程的不同时刻，压力波所到达的位置不同。管道不同截面或相同界面不同径向位置原油的结构参数、屈服情况以及剪切历史均不相同，因此不同屈服段的原油的触变过程是不同的。如何描述不同屈服段的触变过程是个难题，引起了很多专家学者的讨论和研究，也取得了一定成果。目前，有以下几种方法处理不同屈服段：Sesteak[13]模型没有考虑管道轴向和径向上原油结构参数的变化，也忽视了凝油压缩性和惯性的影响，凝油段的触变过程采用Houska模型进行描述。通过本模型求解控制方程，可以预测管道停输后所需最小启动压力以及凝油的排出时间。王东等[14]把再启动过程所需启动压力视为顶挤液压降、被顶凝油段压降、惯性压降和高程差产生的压降四部分之和。因为顶挤液通常为热水或热油，用牛顿流体或幂律流体的压降公式进行计算；考虑到被顶挤液有可能是牛顿流体、无触变性的幂律流体或触变性流体，触变性流体通过试算得到压降；惯性压降由每一列压力波产生流量增量所产生的压力的叠加而得到。陈宏健等[15]用双速率触變模型计算触变性原油再启动过程，认为结构屈服应力和稠度有各自的裂降速率，不是等速率裂降。

Chang[16]认为由管壁向管中心，凝油截面可以分为三个区，依次称为流动区、蠕变区和弹性形变区。在对管道加上一个恒定的启动压力以后，管道的启动情况也可能有三种变化，包括瞬时启动（Start-up without delay）、延时启动（Start-up with delay）和失败启动（unsuccessful start-up）这三种情形。以上三种启动情况可以通过力平衡关系计算得出。描述触变性采用的则是宾汉姆模型，该模型的缺陷在于，凝油压缩性的影响并没有被考虑进去，同时也忽视了轴向上流变性变化的作用。

Cawkwell[17]改进了传统的sesteak模型，具体内容如下：网格的划分沿管道的轴向和径向方向，采用二维网格，即轴向和径向上流变参数的变化都被纳入了考虑；该模型提出了“流核区”的概念，假设剪切在该区域内并不会发生，而只在该区域与管壁之间的环形空间里产生剪切现象。

2 实验研究

实验研究包括室内环道实验和现场实现两种方式来，主要用来对所建立的再启动模型进行检验和修正。通过实验可以对管道停输与再启动过程停输温降、压力波速和再启动压力等方面进行研究。

目前研究者们通过实验主要进行以下各方面的研究：

（1）崔国秀、李才等[18-20]主要通过环道实验来研究管道再动动过程的压力波传播规律及其影响因素。研究者们通过测量压力波传到不同位置处的两个传感器的时间差，计算出压力波传播的平均速度，然后分析不同因素对压力波的影响。李才等[36]在室内环道上进行了启动胶凝原油的实验，以研究管道中的压力的传递过程。通过实验得出压缩胶凝原油中的“孔隙”的阻尼作用和凝油屈服过程的径向滞后是影响压力传递速度的两个重要因素，然后通过实验数据回归出估算胶凝原油管道中压力传递速度的表达式。

（2）还有研究者[18，21]通过环道实验来研究管道停输后的温降规律。可以通过在管道内部以及管道周围土壤中不同布置一些热电偶，对停输与再启动过程的温度场情况进行监测，可以得到停输温降规律和再启动过程的温度场情况。

（3）因为油品在流变仪内的受剪切情况跟在埋地管道内的受剪切情况有很大差异，因此有的研究者[22，23]通过实验环道来测量原油流变参数；

（4）还有的研究者[24]通过环道实验分析添加流动改进剂对管道再启动特性的影响。通过实验研究添加流动改进剂后，油品流变性、再启动压力、压力波速等的变化。

（5）通过现场实验进行研究；管道现场实验的主要目的有两个方面，目的之一是检验埋地热油管道停输与再启动数学模型和计算方法的可靠性以及计算结果的准确程度，从而对数值计算模型进行检验和修正[25，26]。另一个目的是通过现场实验来研究添加流动改进剂（如降粘剂、降凝剂等）对管道再启动特性的影响[27，28]。

3 结 论

管道再启动过程的数值计算还有很多没有解决的问题，目前数值模拟方面尚未解决的问题主要表现在以下五个方面：

（1）对热油管道而言，其停输与再启动的过程十分复杂，往往牵扯到非稳态的水力和热力过程。所以，研究者们通常都会对控制方程进行简化，例如做一些假设的先决条件以降低计算量。这些简化就会带来计算的不准确和误差。此外，还有一些变量（例如剪切）历史对油品工况的影响目前很难定量描述，这也会带来计算结果的不准确。

（2）热油管道停输以后，随着温度降低蜡结晶析出管道流动中还会出现相变现象。目前，研究人员要么在导热系数中加入相变的影响因素，即当量导热系数的影响，要么只考虑相变过程放出的相变潜热。显而易见，上述处理手段总会带来计算结果与实际情况的差异。

（3）原油在胶凝过程中，胶凝界面并不与管道中心成同心环状[3]。目前对移动边界问题的研究均认为相界面是与管道同心的环状，因此会产生误差。边界移动问题还有待于研究。

（4）到目前为止，还没有研究者考虑过压力波反射对原油结构参数的影响。对不同触变段的研究目前主要的处理方法有四种，均没有考虑压力波反射对结构参数的影响。

（5）目前还没有公认的触变性模型。另一方面，由于实验环道与实际生产管道的差异，实验环道上所得的结论不一定跟实际情况完全符合。因此数值方法和实验应该结合起来，以实验检验和修正数值计算结果，以数值计算改进实验研究。

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（3）发现催化剂硫中毒后，严格执行硫高降温的基本规则，适当加大注氯量，抑制可逆硫的吸附，同时迅速查找原因，根据具体情况选择最佳的解决办法。

（4）严格监控重整进料，密切关注重整各反应参数的变化，加强工艺管理及设备管理，保证第一时间发现问题。

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