埋地保温管道和非保温管道停输温降规律对比研究

聂超飞，兰 浩，范华平，闫 锋，李其抚，刁 宇

1.中国石油管道科技研究中心，河北廊坊 065000

2.北京油气调控中心，北京 100083

埋地长输原油管道有保温管道和非保温管道两种[1]。管道输送过程中，轴向对流换热远远强于径向导热[2]，相比非保温管道，保温管道散热更少、温降更小，加热能耗更低，经济性更优。管道停输过程中，轴向对流换热几乎消失，管内油温变化是“径向热阻”与“周围土壤温度场”共同作用的结果，并与停输时长有关[3-4]。对于非保温管道，径向热阻小，但管内原油与周围土壤间温差也较小；对于保温管道，径向热阻大，但管内原油与周围土壤间温差也较大[5-6]。针对埋地非保温管道、新建保温管道和在役多年保温管道三种保温效果差异性较大的热油管道，本文通过数值模拟计算，对比研究了此三种管道在停输过程中管内油温的变化规律和热力性能差异。

1 仿真模拟分析

1.1 保温层导热系数选取

埋地管道保温材料常常采用聚氨酯硬质泡沫塑料，其导热系数可取0.035～0.047 W/（m·℃）[7]。某保温管道刚出厂时整条管道的平均导热系数为0.039 W/（m·℃），放置6年后，整管的平均导热系数变为0.052 W/（m·℃），比刚出厂时增大33%[8-9]。中石油管道工程设计文件中也有说明，新建管道保温层导热系数一般在0.027～0.036 W/（m·℃）之间。因此，本文开展仿真模拟过程中，综合考虑新建管道和在役多年管道的保温特性，模型中保温层导热系数取0.025、0.055 W/（m·℃）两种极端工况。

1.2 仿真模拟

1.2.1 算例一

本文中的仿真模拟采用SPS软件，以代号为JH线、TJ线、TF线和CH线的四条热油管道的部分管段的几何参数和运行工况为建模依据，并根据对比研究的需要作适当假设和调整。仿真模型中，非保温管道保温层厚度取0 mm；管道保温层导热系数取0.025、0.055 W/（m·℃），分别代表新建保温管道、在役多年保温管道，而后通过模拟计算，对比分析不同类型管道停输过程中管内油温变化规律的差异性。模拟管段的具体几何参数和运行工况见表1，保温层厚度均为40 mm。

表1 模拟算例一的参数取值

此四种管道在给定的出站温度和流量下运行至稳定工况，然后分别模拟研究其停输48 h内各管段首端和末端油温的变化情况，计算结果如图1～4所示。

从模拟算例的计算结果可以看出：

（1）对于管段首端的停输温降，在停输时间较短的情况下（本文算例在20 h以内），非保温管道的停输温降速率和温降幅度要大于保温管道，即停输初期保温管道的热力安全性更优。然而，随着停输时间的延长，非保温管道的停输温降速率逐渐变小，并且在停输20 h以后，非保温管道内的油温开始高于保温效果较差管道（保温层导热系数0.055 W/（m·℃））的停输油温。在停输48 h终了时刻，非保温管道内的油温介于两种保温效果之间，而停输温降速率已经比两种保温效果的管道都要小。

图1 JH线管段首端和末端油温停输温降

图2 TJ线管段首端和末端油温停输温降

（2）对于管段末端的停输温降，由于停输前非保温管道末端的油温明显低于保温管道，因此停输过程中非保温管道的油温始终低于保温管道。但是，需要注意的是，从温降曲线的斜率来看，非保温管道末端的停输温降速率总体上要小于保温管道，这主要是由于非保温管道末端管内外温差较小所致。

图3 TF线管段首端和末端油温停输温降

图4 CH线管段首端和末端油温停输温降

1.1.2 算例二

实际生产中，保温管道沿线也可能存在局部非保温管段，各保温管段的实际保温效果也存在一定差异。以JH管道为例，该管道定向钻河流穿越管段采用无保温敷设，同时根据实际运行数据反算出的沿线各保温管段的传热系数也存在较大差异。本节以JH管道几何参数和实际运行工况为依据进行建模，通过模拟计算，对比分析不同管段在停输过程中油温变化规律的差异性。JH管道相关参数和运行工况见表2。

表2 模拟算例二的参数取值

管道在给定的首端温度和流量（230 m3/h）下运行至稳定工况，然后分别模拟研究其停输48 h内各管段首端和末端油温的变化情况，计算结果见图5。

从图5可以看出，对于JH管道沿线各管段的首端油温，停输过程中降温幅度和降温速率各不相同，如“中间站-6#站”管段首端停输前油温较高（55℃），停输48 h后，该处油温已基本降至最低，在所有保温管段中降温最为明显，且降温速率大于“首站-1#站”非保温管段。对于JH管道沿线各管段的末端油温，“中间站-6#站”保温管段和“首站-1#站”非保温管段初始停输过程中降温速率较快，但由于停输时中间站进站油温较低，因此本算例中停输48 h后，该处仍然是沿线热力最薄弱的环节。

综合算例一和算例二模拟结果可知，不能想当然地认为停输期间保温管段一定比非保温管段温降慢、温降小，需要通过模拟计算科学地预测停输温降。

2 结论

综上所述，埋地保温管道与非保温管道的热力性能和停输温降规律存在较大差异，而且在正反输送、间歇输送、冷热交替输送等运行工艺下的热力工况更为复杂。因此，对于管道停输温降，需要借助仿真模拟计算，综合考虑管内油温、径向热阻、土壤温度场、停输时长等各方面因素，给出客观科学的预测结果。

图5 JH管道沿线各管段首端和末端停输温降

近年来，围绕节能降耗运行目标，新建埋地保温管道的数量不断增加。对此，既要充分肯定保温管道的节能优势，同时也要注意保温管道与非保温管道在停输过程中的热力性能差异，不能想当然地认为停输期间保温管道一定比非保温管道温降慢、温降小。在生产运行管理过程中，需要结合仿真模拟具体问题具体分析，科学决策，杜绝简单惯性思维。

[1]黄维和.油气管道输送技术[M].北京：石油工业出版社，2012.

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