埋地热油管道轴向温降仿真分析

包日东， 赵腾飞， 李珊珊

(沈阳化工大学 能源与动力工程学院， 辽宁 沈阳 110142)

埋地热油管道轴向温降仿真分析

包日东， 赵腾飞， 李珊珊

(沈阳化工大学 能源与动力工程学院， 辽宁 沈阳 110142)

为了降低热油管道输送中的运行能耗，在考虑大气温度和管道埋深处土壤自然温度场的准周期变化规律、总传热系数、油品流速对沿程温降影响的条件下，建立油流温降模型,并给出解析解,详细分析了长输热油管道加热站出站油温、油流沿线温降变化规律.这对热油管道生产运行工作制度的制定具有重要的理论价值，为埋地热油管道的平稳低耗运行提供可靠的理论依据.

埋地热油管道； 沿程温降； 土壤温度； 仿真分析

目前在易凝高黏油品管道输送过程中，通常将油品进行加热输送，降低黏度，使其在管道输送时不凝固，以降低输送过程中的动力损耗[1].加热油品沿管道流动，油品中的热量不断向周围的介质中传递，导致油品温度不断下降.由于油品沿程温度与油品的质量流量、油品与管道外部的温差、管道总热阻等参数有关，且不容易准确确定，因此，为了保证安全输送，油品初始温度一般较高.在输送过程中周围环境对其温度变化影响很大，其温降过程一般为非稳态的传热过程[2].另外，大气温度的周期性交替变化也会影响管道环境温度的变化，从而影响到油品的沿程温度.本文考虑大气温度和管道埋深处土壤自然温度场的准周期变化规律[3]，采用管道分段计算的方法，仿真分析长输热油管道加热站出站油温、油流沿线温降变化规律，旨在为埋地热油管道的平稳低耗运行提供理论依据.

1 热油管道沿程温降

油品在加热站中加热之后进入输油管道，油品在管道输送过程中，由于油品不断向周围散热，所以，油流温度有所降低.在实际工程中，由于土壤自身热容量比较大，土壤温度场变化比较慢，使得输油管道在工作一些时间后才能达到相对稳定的状态[4]，因此，对于热油管道轴向温降，需要在热力、水力相对稳定状态的前提下进行模拟计算.

1.1 土壤自然温度场随季节的变化

据统计，以年为周期的大气温度随时间呈周期性变化，其规律可以近似看为简谐波动[5]:

(1)

式中：Ta为大气温度，℃；Tam为年平均气温，℃;Ta max为一年内日平均最高气温，℃；t1为一年内日平均温度最高日算起的时间，s；t0为一年计算时间，s.

可以把大气向土壤的传热过程视为半无限大均匀介质中的一维传热问题，其微分方程为:

(2)

式中：α为土壤导温系数，m2/s；h为距地表距离，m.

取大气-土壤边界为第三类边界条件，得时间与深度对土壤自然温度的影响的变化规律为:

T0(h,t1)=Tam+(Ta max-Tam)φ·

(3)

(4)

(5)

1.2 管道轴向温降

稳定工况下，在长度为dl的微元管段上能量平衡方程式如下：

KπD(T-T0)dl=-GcdT+gGidl

(6)

式中：T为微元段上油温，℃；G为油品质量流量，kg/s；i为油流水力坡降；dT为流经dl长度后，油流产生的温降.

在管道长度为L的管段上，设总传热系数K为一个常数，则对等式(6)整理并积分，能够得到沿程温降计算公式，即列宾宗公式：

T=Tzexp(aΔL)+(T0+b)·

[1-exp(aΔL)]

(7)

式中：G为油品的质量流量，kg/s;c为输油平均温度下油品比热容，J/(kg·℃)；D为管道外直径，m；L为管道输送的长度，m；K为管道总传热系数，W/(m2·℃)；T为管段开端处油温，℃；Tz为管段终端处油温，℃；T0为周围介质温度，其中埋地管道取管中心埋深处自然地温，℃；g为重力加速度，m2/s.

将式(3)代入式(7)，可得一年内管道沿线油温随时间变化的计算式：

T=Tzexp(aΔL)+[1-exp(aΔL)]{Tam+

(8)

2 仿真模型

管道埋深、油温高低、流速大小、原油的物性参数、管道直径以及土壤的物理性质、管道和土壤接触的紧密程度、管道内壁结蜡的厚度等等，都是影响油品向外传递热量的因素，鉴于埋地管道周围温度计算的复杂性，为便于模拟其求解和分析，做如下一些假设[6-8]：

(1) 土壤本身存在温度场，并且在距离底边深度H=8 m处，地表温度及输油管道散热情况对该处影响随时间变化极小，假设该处温度为恒温；

(2) 在距离输油管水平上方的一定距离处，管道散热对其温度影响忽略不计，并且为绝热边界，无热量交换；

(3) 假设管道与土壤之间只通过导热进行热交换；

(4) 土壤为连续均匀的介质；

(5) 将原油在管道内的流动情况视为一维流动，取油品的温度、流速、压力等参数为管道界面的平均值；

(6) 将原油视为不可压缩流体；

(7) 忽略原油管道管壁的热阻；

若直接建立20 km的管道模型，对计算机负荷太大，无法进行计算，所以对物理模型进行简化：以L=1 000 m为步长进行计算，距离地表深H=8 m处为恒温层即绝热边界.简化模型如图1所示.

图1 埋地热油管道的简化模型

3 仿真分析

3.1 管道埋深处地温年周期变化

以东北地区为例进行分析，大气最高温度出现在一年中的第201天，大气最低温度出现在一年中的第20天，空气最高温度Tmax=35 ℃，空气年平均温度Tam=8 ℃，土壤导热系数λs=1.4 W/(m·℃)，土壤导温系数α=5.3×10-7m2/s，地表风速Va=1.0 m/s，管道埋深h=1.5 m.管道埋深处地温年周期变化如图2所示.

图2 管道埋深处土壤温度随大气温度的周期变化

从图2管道埋深处土壤自然温度随季节变化的准周期规律看出：管道埋深1.5 m处的土壤的自然温度比地表温度的变化趋势滞后约35 d左右，且埋深处土壤温度变化较地表温度的变化平缓.

3.2 埋地管道沿程温降仿真分析

设置管道埋深2 m，管径0.74 m，管长20 km，保温层厚度取30 mm.土壤物性参数为：密度1 680 kg/m3，比热容2 100 J/(kg·℃)，导热系数1.512 W/(m·℃).保温层材料为聚氨酯硬质泡沫塑料，其密度为60 kg/m3，比热容700 J/(kg·℃)，导热系数0.04 W/(m·℃).传热系数计算可参考文献[1].设管道入口为速度入口，出口处为自由流出，土壤上下层边界为温度边界，上边界温度取地表温度，即20 ℃，下边界取4 ℃.土壤的初始温度为8 ℃，管道起点油温60 ℃.

分别对不同总传热系数、不同流速时沿程温降进行仿真计算，结果如图3和图4所示.

由图3可以看出：不同总传热系数K的沿程温降是不同的，随着K值的增大，沿程温降不断加快，因此，在对管道轴向温降进行模拟计算时，应考虑适当的K值，避免产生不必要的误差.

图3 不同总传热系数沿程温降

图4 不同流速沿程温降

由图4可以看出不同流速时沿程温降的对比，随着流速的增大，沿程温降不断减小，但在管道实际输送过程中还需要考虑其它因素，因此，可以选择适当的油品流速以达到最佳的经济输送效果.

对夏季地温20 ℃、冬季地温-10 ℃时管道起点处周围土壤温度场仿真计算结果如图5和图6所示.

图5 夏季土壤温度场分布

图6 冬季土壤温度场分布

通过图5与图6土壤温度场的对比可以看出：由于在冬季油品与周围土壤温差较大，管道向周围散热量大，因此，冬季管道周围土壤温度场明显比夏季密集.同时由于冬季地表温度低于土壤恒温层的温度，使得管道上方土壤温度梯度比管道下方大；夏季地表温度则高于土壤恒温层温度，管道下方土壤温度梯度要比上方大.

将地温年度变化代入进行模拟计算，经数据处理后，得到加热站出站油温的年变化曲线，如图7所示.

图7 加热站出站油温的年变化规律

由图7可知：加热站出站油温在一年内是随时间波动变化的，在各种不同流速下其波动的规律相同，与管道埋深处土壤的自然温度变化规律正好相反，即当管道埋深处土壤的自然温度最低时，所需的加热站出站油温最高，当管道埋深处土壤的自然温度最高时，所需的加热站出站油温最低，这主要是由土壤蓄热量和油流向土壤的散热量不同所导致.所以，从降低能耗的优化运行角度出发，加热站对油品的加热温度应该在一年内随时间不断调整，致少应做到随季节进行必要的调整.

4 结 论

管道埋深处的土壤的自然温度比地表温度的变化趋势滞后35 d左右，为了降低热油管道加热能耗,应尽量保持进站油温在略高于允许的进站温度的稳定状态下运行,因此，加热站的出站温度应根据年内管道埋深处土壤温度的准周期变化规律来做季节性的调整，而不应该全年只采用一种加热站出站油温.对不同的总传热系数、不同流速，应当采用不同的出站油温.当管道埋深处的土壤温度较高时，降低加热站的出站油温；当管道埋深处的土壤温度较低时，再提高加热站的出站油温.

[1] 杨筱蘅,张国忠.输油管道设计与管理[M].东营:石油大学出版社,1996:77-82.

[2] 刘晓燕,刘扬,孙建刚,等.输油管道运行优化研究[J].工程热物理学报,2004,25(4):558-561.

[3] 张国忠.埋地热油管道准周期运行温度研究[J].油气储运,2001,20(6):4-7.

[4] 李长俊,骆建武,陈玉宝.埋地热油管道启输热力数值模拟[J].油气储运,2002，21(12):16-19.

[5] KURAK S K.Power Optimization Yields Savings for Products Pipeline[J].Oil & Gas Journal，1989,87(26):65-66.

[6] 吴国忠,曲洪权,庞丽萍，等.埋地输油管道非稳态热力计算数值求解方法[J].油气田地面工程，2001,20(6):6-7.

[7] 王常斌,徐洋,赵艳红，等.埋地热油管道沿程温降的数值模拟[J].管道技术与设备，2012(1):15-17.

[8] 张争伟,凌霄,宇波，等.埋地热油管道正常运行的数值模拟研究[J].工程热物理学报，2008,29(8):1389-1392.

Simulation Analysis of Buried Heat Oil Pipeline

BAO Ri-dong, ZHAO Teng-fei, LI Shan-shan

(Shenyang University of Chemical Technology, Shenyang 110142， China)

Basis on the aim of reducing energy consumption of heating oil pipeline operation,the mathematical model of temperature during oil transportation was established,considered the influence of the periodic and unsteady temperature of atmosphere and pipeline surrounding soil,the heat transfer coefficients,the flow rates to the on-the-way temperature drop.The outlet temperature of heat operating station,and the changing laws of temperature reducing were simulated using the pipeline segmentation method.The result can provide a scientific basis for actual production and management,significance to pipeline safe operation and energy saving.

buried heat oil pipeline; on the way temperature drop; the oil temperature; simulation analysis

2015-05-20

国家自然科学基金资助项目(51275315)

包日东(1967-)，男，福建上杭人，教授，博士，主要从事输流管道流固耦合振动与控制的研究.

2095-2198(2017)02-0158-04

10.3969/j.issn.2095-2198.2017.02.013

TE832

： A