冷热原油交替输送研究现状与展望

丁晋晋，韩钢，刘德俊，石博文，李诗航（.辽宁石油化工大学 石油与天然气工程学院，辽宁 抚顺 300； .舟山实华原油码头有限公司，浙江 舟山 36000）



冷热原油交替输送研究现状与展望

丁晋晋1，韩钢2，刘德俊1，石博文1，李诗航1
（1.辽宁石油化工大学 石油与天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001； 2.舟山实华原油码头有限公司，浙江 舟山 316000）

摘要：冷热油交替输送是符合我国国情的一种输送工艺，具有很大的研究价值。我国的研究起步相对较晚，经过几十年的努力，取得了很好的成果。介绍了冷热油交替输送中管道土壤传热、管内非稳态传热流动研究的常用几种方法以及耦合计算的数学模型、求解步骤和原理，分析了近年来国内冷热油输送技术的成果。最后，结合国内的研究进展，对今后的研究做了展望。

关键词：交替输送；土壤传热；耦合计算；数学模型；研究展望

我国的能源消费需求增长迅猛。根据BP石油公司2014年世界能源回顾，到2013年，中国已经成为世界上最大的能源生产国和消费国。其中，作为传统能源的石油，仍然占据很大的消费比例。2013年我国原油消费达到 50.74亿 t，比 2012年增长3.8%，而同年，国内原油产出只有20.81亿t，存在巨大的需求缺口［1］。

为了满足国内的消费需求以及实施国家能源安全战略，近年来我国大量进口国外原油。国外原油通常具有凝固点低，流动性较好等特点，可常温输送，而国产原油多为凝固点高粘度大，需加热输送。如果将进口原油与国产原油掺混输送，虽然技术上没有问题，但是混合后的物性改变，对会炼厂加工造成困难，也不利于炼制高品质油品，造成浪费。因此，原油顺序技术得到了重视。进口原油与国产原油的顺序输送过程，由于凝固点差距大，需要加热温度不同，实际是一个冷热油交替的过程。这个过程是个影响因素众多复杂的非稳态水力热力过程。

1　冷热原油交替输送应用

1999年，美国Pacific Pipeline对不同种原油进行顺序输送（见表1）。该管道长209 km，管径508 mm，输量17 800 t/d。由表中数据可见，SJVH重质原油在32.0 ℃时运动粘度19 610 cst，而LITE轻质原油在21.1 ℃时运动粘度只有35 cst，管道的运行温度变化范围广。从这些方面可以看出，Pacific Pipeline具有输送原油种类多，物性差别显著，操作条件变化幅度大等特点，也说明冷热原油交替输送的可行性。但是，文献并没有相关技术性内容的报道［2，3］。

相比国外原油顺序输送技术，国内起步相对落后。上世纪70年代末，我国先后在湛茂线和鲁宁线进行了原油顺序输送的尝试，但是最终都没有能够得到成功的原油顺序输送的适用经验。近十几年来，我国的研究工作者和科研单位对原油顺序输送进行了相关技术研究和实验，取得了一定的成果。2006年，管道科技中心在新大线实地进行了首次冷热油交替输送先导试验。试验历时30 d，经过7次不同输量的循环，是国内冷热油交替输送的先例，为冷热油交替输送提供了技术储备和安全保障。2007年，在西部原油管道上，对塔里木油、塔里木-北疆混合油、吐哈油和哈国油采用了冷热顺序输送方式［4］。同年，庆铁老线对俄油和大庆油进行冷热顺序输送。

表1　美国太平洋管道5种原油的物性Table 1　Properties of 5 kinds of oil in Pacific pipeline

2　冷热油输送研究方法

2.1冷热油管道土壤中的传热研究方法

冷热油交替输送管道在土壤中传热是一个非稳态过程。输送热油时，热油向土壤散热，土壤吸热蓄热；输送冷油时，土壤蓄热此时对冷油加热，并且随着交替的批次增加，呈现一定的周期性。研究管道在土壤中的传热，可以对交替耦合的情况进一步研究，也能为停输再启动提供依据。由于管外土壤为半无限大区域，在研究中无法进行直接的计算，需要通过一些简化、变形后才能计算。目前计算管外土壤温度场的方法主要有源汇法、因次分析法、热力影响区域法和双极保角变换法［5-11］。

源汇法，是将半无限大空间内稳定传热的埋地热油管道看连续作用线热源，利用源汇法进行解析求解。因次分析法是由苏联学者古宾提出了一种利用无因次变量来对地下输油管道热损失进行求解的近似算法。双极坐标保角变换法保角变换法又称半空间模型法，这种方法是通过双极坐标保角变换，将半无限大土壤区域转化为有界矩形或环形区域，然后可对微分方程数值求解。热力影响区法是认为管道的热力影响有一定的范围，在范围之外的影响可以忽略不计，将半无限大的土壤求解区域简化为一个矩形或扇形的求解区域。该方法在一些要求精度不高的工程问题中得到了广泛应用。

2.2管内非稳态水力-热力研究方法

在管内非稳态热力-水力耦合问题的研究中，研究者通常以管内油流的连续性方程、动量方程及能量方程为基础，对油流非稳态传热和流动进行研究。此类问题的研究方法主要归为解析法、特征线法、数值模拟三类。

前苏联学者曾根据长输管线内流体非稳定流动的特点，对管内原油非稳态流动传热进行了解析求解。但是尽管做了相当的简化，方程组仍然十分复杂，不适合工程中应用。国内研究者曾采用双特征线对顺序输送中水力、热力耦合过程进行了分析计算［12-14］。具体的耦合过程为：首先计算稳态时管流的流量、温度等参数；当边界条件变化而引起水力-热力瞬变时，当前温度取前一时步的值，根据水力瞬变特征线法，计算管道上各节点的流量、温度等参数值。在一个时间步长里，经过反复的计算达到要求的精度后，进行下一时步的运算。数值模拟法就是将求解域进行网格节点划分，通过数值方法将一系列的控制方程离散化，求解控制方程组，得到各个节点数值，从而得到整体的变化规律。

3　冷热油交替输送耦合计算

冷热原油交替输送系统是一个非稳态、多控制因素的系统。由于其输送距离长，划分网格数巨大，从时间效率和经济效率考虑，不适合用现行的商业CFD软件来模拟整个过程。研究者们对于交替输送的研究，通常是整体统筹计算，局部详细模拟。整体上从水力、热力控制方程入手，将其离散差分进行耦合的数值计算［15，16］。

3.1基本假设

假设管内油流温度只随时间和管线长度变化而变化，即同一截面温度是相同的。假设管道周围土壤介质为各向同性的均匀介质。假设忽略混油段及冷热油交界面处的导热，即认为是活塞型驱油。假设管外土壤传热只在径向平面。

经过治疗的心梗患者与脑梗患者，都会经历病变器官缺血再灌注的过程。这个过程中会产生大量的氧自由基，氢气能选择性中和具有强氧化性的·OH、ONOO-等自由基，从而减缓缺血再灌注损伤进程的发展，降低机体的氧化应激水平，改善脏器缺血再灌注后的状态。

3.2数学模型

管外传热统一方程：

管内油流换热方程：

式中：i取1，2，3，4时分别代表管壁、防腐层、保温层及土壤。 q为油流与管壁热流密度；V为油流速度，m/s；D为管道的内直径，m；A为油流的横截面积，m2；Cp为原油的比热，J/（kg·C）；T为原油温度，℃；τ为时间，s；λ为达西摩阻系数。

3.3模型的数值求解

对管外土壤计算区域进行网格划分。考虑到计算区域具有对称性，为了减少计算量，只划分右边部分。最后通过Delaunay法生成非结构化的三角形网格，并且在管壁附近进行加密［17］，如图1所示。

图1　土壤网格划分Fig.1 Grid division of soil

对管内求解，首先将输油管道沿轴向离散，如图2所示。

图2　管线的离散Fig.2 Discrete distribution of pipeline

将间距为L管线等距分N份，N+1个节点，每段步长ΔZ为L/N。节点数和步长的大小，决定了计算的精度和所消耗的时间，实际情况应根据站间距合理选择节点数。其次，对时间进行离散，取输送开始时刻时间起点；设时间步长Δt值为油流流过一个距离步长的时间，即Δt =Z/V。

根据上述原理，编制计算程序，输入初始参数，可以计算管线节点在不同时刻的温度分布。

4　冷热油交替输送研究现状

冷热油交替输送，涉及土壤蓄热、停输启动、管道预热等问题，但又比单纯的加热输送复杂。它还涉及到冷油的预热量和预热温度以及加热时机等问题。国内很多学者进行深入研究。

鹿广辉、杨云鹏等［18-21］都对冷热输送埋地管道的土壤传热进行了研究。他们通过建立土壤模型，利用商业模拟软件，对不同工况进行模拟，对输送过程中土壤蓄热，交替过程中温度场的变化以及温度场漂移的规律进行了总结。

王凯［22，23］对冷热油交替过程中加热方案的经济性进行了研究，综合采用有限差分和有限元法，编制软件对输送过程进行了数值模拟。通过分析两种不同控制方式的不同的加热方案，比较能耗得出，对低凝油尾部分加热所所需的能耗比对其整体加热的要少，应考虑第二种控制方式下的最佳加热方法。在对冷热油交替输送耦合模型的建立上，作者提出了移位网格下的虚拟边界条件法，解决常规有限差分法和交错网格的有限差分法对水力瞬态变化的不足，并且编制了更加严谨的非稳态水力-热力耦合计算程序，并在现场应用中得到了验证。

周建［24-25］介绍了常见的管道停输安全性分析方法，并且利用冷热油交替输送计算软件模拟，采用上述方法对数据进分析。结合停输时机，停输安全性特点，总结出冷热油交替输送最大安全停输时间的方法。即首先通过软件模拟找到临界停输时间tc，然后在tc附近找出符合安全判定准则的时间即为最大安全停输时间。对于交替输送中的热力影响因素，作者通过模拟分析认为，输送距离，年输送批次，相对加热量以及加热时机都会输送安全产生影响。输送距离增加不利于改善原油的流动安全，而批次的增加虽然改善了流动安全，却造成了混油量和运行管理难度增加。

Guojun Yu［26］在对埋地热油管道非稳态温度场模拟研究中，采用了POD-Galerkin降阶模型。最佳正交分解（proper orthogonal decomposition，POD）是一种基于统计学的高效的数据处理技术。利用正交特征函数的性质，通过Galerkin投影技术，将基于CFD高阶模型的方程数量大大简化。通过模拟计算，和传统的高阶模型对比，降解模型是精确和高效的方法，可以为今后冷热油输送数值模拟提供了一种新的方向。

5　冷热油顺序输送研究总结及展望

冷热油交替输送是个复杂的非稳态水力热力过程，但其产生的经济收益是可观的。目前的研究，多数都是基于控制方程，离散及简化边界条件，进行数值计算并编制交替输送的程序。这种简化的数值计算，基本上满足了工程的需要，但是对于冷热原油交替输送的规律并没有完全表现出来。例如：（1）实际交替过程中水力过程也是非稳态的过程，输送的流量、压力等对热力的影响。（2）实际交替过程中存在混油段，混油的热力变化更加复杂，混油界面的捕捉。（3）管线与周围土壤传热情况，考虑不同环境因素下的真实温度场。（4）冷热交替的循环，造成管线钢的热应力变化，所导致的管线安全问题。对于这些方面的研究应该是今后研究的着力要突破的方面。

随着计算机的性能提高，数值计算不断发展，计算机模拟占据巨大的优势。相比于实验的巨大投入，计算机模拟无疑是非常好的选择。但是，由于模型的建立和算法的选择，使得一些问题只存在理论上可算，实际上耗时巨大。所以，对于数值计算，网格的划分，算法的选择，模型的创新也是值得我们深入研究的，具有现实意义。

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Progress and Prospect of Research on the Alternative Transportation of Cold-hot Crude Oil

DING Jin-jin1，HAN Gang2，LIU De-jun1，SHI Bo-wen1，LI Shi-hang1
（1.College of Petroleum and Natural Gas Engineering，Liaoning Shihua University，Liaoning Fushun 113001，China；
2.Zhoushan Shihua Crude Oil Terminal Company Limited，Zhejiang Zhoushan 316000，China）

Abstract：Alternative transportation of hot-cold crude oil is a process in accord with China's national conditions.It has great research value.The research of the process in our country starts relatively late，but after decades of hard work，we have achieved good results.In this paper，some common research methods of soil heat transfer and unstable heat transfer in cold-hot oil alternative transportation were introduced.The mathematical model，the solving process and the principle of the coupling calculation were established and introduced.The achievements of domestic alternative transportation technology in recent years were analyzed.

Key words：Alternative transportation；Heat transfer in soil；Coupling calculation；Mathematical model；Research prospects

中图分类号：TE 832

文献标识码：A

文章编号：1671-0460（2016）01-0063-04

收稿日期：2015-09-22

作者简介：丁晋晋（1990-），男，江苏泰州人，硕士研究生，辽宁石油化工大学油气储运工程在读，研究方向：冷热油顺序输送。E-mail：ding-jinjin@outlook.com。

通讯作者：刘德俊（1967-），男，副教授，硕士，研究方向：原油及成品油管道输送技术。E-mail：ldj8448@163.com。