停输管道含蜡原油相变传热研究进展

徐 颖， 王慧军， 刘 扬， 成庆林， 刘晓燕

( 东北石油大学 土木建筑工程学院，黑龙江 大庆 163318 )

含蜡原油集输系统涉及升温及降温等工艺环节，常伴有原油的液固相变传热现象发生。蜡的存在使原油的凝固及融化传热过程异常复杂，传热过程涵盖潜热吸收或释放、相界面移动、液—固/固—液相转化、传热方式变换和流固耦合等物理现象[1-4]。管道原油安全输送、停输再启动等油气储运领域涉及的关键性问题，与管道原油相变传热直接相关。

1 相变传热实验

中国原油多具有含蜡特性。关于停输管道传热，人们开展实验及现场试验，获得停输原油温度及埋地管道周围土壤温度场等变化规律，进行停输管道介质传热机理研究。

1.1 自然对流换热准则方程

李才等[5]利用φ377 mm×7 mm×5 000 mm及φ219 mm ×7 mm×700 mm管段，以胜利原油及淮阳原油作为实验介质，开展架空及水下停输管道原油降温过程实验测试，采用滞流点将管道原油分为对流区与导热区，由数据回归得到适用于含蜡原油降温过程的自然对流换热准则方程。对于埋地实验环道，崔秀国等[6]开展原油管道停输温降测试实验，测试管道油温及环境温度变化，基于数据回归得到热油管道原油传热的自然对流换热关系式。

1.2 传热规律分析

邱峰[7]搭建埋地停输管道实验台，以工业白油和含蜡原油作为实验介质，对不同环境温度和初始温度工况，进行多次温降实验，分析工业白油和含蜡原油温降过程规律。魏振红[8]采用大庆原油作为实验介质，利用φ219 mm×13 mm×875 mm管段模拟架空管道停输降温过程，初始温度为50 ℃，在管道内设置25个温度监测点，获得停输22 h内的各点温度变化，开展传热规律分析。

1.3 验证及求解

有关停输管道含蜡原油相变传热的研究更多采用数值模拟计算。为验证数值模型及求解方法的准确性，一般设计实验台，在典型位置上设置热电偶，获得停输过程中温度的变化。安家荣等[9]、张园园[10]、杨显志[11]、齐晗兵等[12]、吴国忠等[13]以相似理论为依据，设计海底输油管道传热实验台，对海底输油管道周围土壤温度场，以及管道介质的温度变化进行实时监测。利用相似原理搭建停输管道平台，可以指导模化实验，研究不同尺寸实际管道的物理过程。受管道介质自然对流复杂性的影响，在实验过程中无法保证同名已定准则数实时相等，因此现有的相似停输管道实验台仅是一种近似模化方法，其测试结果多用于验证数值模拟的准确性。

对于某埋深为1.4 m的φ426 mm×6 mm埋地管道，许康等[14]测试土壤温度场及管道壁周向温度，对实验条件开展数值模拟，验证原油相变模型的正确性。HAGEMANN O等[15]以水为介质，利用一根T形丙烯玻璃管模拟海底管道停输过程，停输冷却3 h，利用热电偶和电阻温度检测器测量管壁和管道流体温度。

管道原油停输温降实验多数建立在循环管路的基础上，其动力系统及恒温控制系统是实验装置重点解决的部分。英国石油公司搭建Kenting原油环道实验装置[16]，能够实现循环流动，测试管段较长，采用水套控温时难度较大，精度低。DAVENORT T C等[17]对Kenting原油环道实验装置进行改进，采用水浴改善控温效果，采用高压气体作为原油推动力，以避免附加的剪切作用。VERSCHUUR E等[18-19]设计螺旋形的实验装置，采用水浴对管道进行控温，采用气体为油流提供动力。

由于实验研究多是对某一特定原油及一定实验工况的，其结果具有局限性。因此，研究含蜡原油相变过程中温度场变化、凝油层增长规律、潜热及自然对流作用影响等传热问题多采用数值模拟方法。

2 相变传热模型

含蜡原油的相变传热过程主要涉及移动的相界面变化、随温度非线性变化的潜热量影响、自然对流传热的处理等问题[9,20-28]。含蜡原油相变传热模型可归纳为两大类——无限薄相界面模型和焓—多孔介质模型。前者将管道内原油分为液相、固相两个区间，分区建立控制方程；后者将管道原油视为多孔介质，其中固相原油是骨架，利用液相率表征孔隙度，采用焓—多孔介质法描述流动及传热过程。现有的相变传热研究主要集中于原油的降温凝固过程，只有少量文献涉及原油的升温融化过程。

2.1 无限薄相界面模型

按照自然对流处理发展过程，无限薄相界面模型经历忽略自然对流、引入当量导热系数、联立N-S方程组开展数值求解过程。

孙元[29]、李长俊等[30-31]考虑原油冷凝相变、有关物性参数随温度的变化，以及油温沿径向和周向的变化，分区建立原油传热数学模型，对传热方式的描述只有导热，没有考虑原油的自然对流作用，认为析蜡潜热只在固液界面处一次性完全释放。VENEEV D E[32]、NAGANO Y等[33]将原油物性看作常数，忽略自然对流换热的影响。

邢晓凯等[34]、张国忠[35]忽略潜热的影响，采用将原油的自然对流转换为当量导热的处理方式，在对管道流体自然对流换热研究不甚清楚的情况下，不失为一种可以接受的方法，但是无法深入分析自然对流作用转化过程。

刘晓燕等[36-37]、LIU X Y[38]等建立分区法模型，根据原油相态分别建立液相区和固相区的控制方程，在液相区能量方程中引入当量导热系数概念，采用附加比热容法处理析蜡潜热问题。安家荣等[9]忽略潜热影响，通过实验测试停输过程中管道径向温度场变化，利用实验数据拟合计算管道原油自然对流换热系数，通过引入当量导热系数开展数值传热计算。

文献[10,39-45]以原油凝点作为相界面分区点，联立N-S方程、能量方程，结合层流或湍流模型，求解原油相变传热问题。张园园[10]将析蜡潜热看作原油的附加比热容，联立N-S方程及层流模型，获取管道典型位置原油温降变化曲线。王梓丞等[39]考虑原油变物性的影响，但未对潜热处理。朱新建[40]对原油牛顿及非牛顿特性分别给出动量方程，利用Simple算法求解N-S方程组，对密度仅考虑动量方程中与体积力有关的项，其余各项的密度作为常数。XU Y 等[41]利用N-S方程组、层流模型、附加比热容法处理潜热问题，分析原油变物性对停输温度场的影响，将原油物性视为定值，导致温度场分布与实际相差较大，尤其将密度视为定值，相当于忽略自然对流换热的影响，黏度的不同取值方式对停输温度场变化的影响可以忽略。陈晶华等[42]、陈小榆等[43]、龙安厚等[44]利用FLUENT软件求解海底管线停输温降规律，忽略自然对流换热的影响，导致温降大幅减小。CHENG Q L等[45]建立埋地管道传热模型，分析析蜡过程中的相界面移动，研究不同土壤导热系数、大气环境因素对相变传热的影响。

原油具有典型的非牛顿流体特性[46-49]，除文献[40-41]外，在传热控制方程中未见对原油非牛顿特性的描述。多数文献采用黏温曲线，表征原油非牛顿特性的影响。

在无限薄相界面传热模型中，潜热的处理可以归纳总结为三类方法——相界面上的一次释放、内热源法及等价比热容法。内热源法是在控制方程中加入潜热作为热源项。等价比热容是将潜热直接转化为附加比热，在控制方程中直接引用等价比热容函数。

2.2 焓—多孔介质模型

焓—多孔介质模型具有无需确定液固界面的优点，广泛应用于原油、石蜡等介质的相变传热研究[50-53]。该模型将凝固的原油视为固体骨架，孔隙内为液相油，采用随温度线性变化的液相率表征孔隙度变化。

卢涛等[54-55]采用焓—多孔介质方法，求解停输管道原油温度场，认为多孔介质区潜热、液相率随温度呈线性变化，与实际析蜡过程不符，且将相变区间选择为凝点上、下1.5 ℃的区间，未给出解释依据。杜明俊等[56]、许丹等[57]、苏凯等[58]建立冻土区埋地管道停输过程非稳态传热模型，结合焓—多孔度，考虑凝固潜热和自然对流换热对温降的影响，对管道原油凝固演化过程进行仿真，假设潜热在宽区间均匀释放。

王露[59]利用FLUENT软件模拟胶凝原油在热水中的融化过程，分析原油管径、水温和油温等因素对原油融化的影响，潜热量按照析蜡点至凝点均匀分布。刘晓燕等[60]分析不同油水温差、水流速度下典型尺寸胶凝原油的温度场及液相云图，得到不同初始条件下球形胶凝原油的总融化时间及温度变化曲线。

王敏[61]分别利用焓—多孔介质模型、层流模型、大涡模拟方法和标准k-ε模型，对储罐含蜡原油凝固及融化开展数值模拟，析蜡量按照随温度线性分布求解。YU G J等[1]将原油相变分为四个阶段，利用焓—多孔度模型描述传热过程，利用显微镜技术确定多孔介质温区为倾点上、下5 ℃，考虑相变区间液相率、潜热量均匀分布。

2.3 模型对比

无限薄相界面模型将管道原油分为液相、固相两个区间，在实际原油析蜡过程中，由液相向固相转化的过程经历一个宽的相变区间，原油呈多孔介质特性[1]，其传热特点与液相区、固相区不同，因此，采用两相区模型无法准确描述析蜡相变传热过程。焓—多孔介质模型将潜热量与析蜡量按照相变温区均匀分布处理，而实际含蜡原油蜡晶成分复杂，不同碳原子数的蜡晶含量不同，对应的析蜡温度也不同，析蜡量、潜热量与温度呈强非线性关系[62-63]。因此，焓—多孔介质模型中，潜热量、析蜡量处理方法与实际的析蜡过程不符，导致求解的温度场存在偏差。此外，对于该模型的相变温区确定，始终缺少合理的解释及判定依据。

3 研究方向

原油相变传热模型存在的问题与析蜡过程密切相关。对于不同种类的含蜡原油相变传热过程，需要结合原油蜡晶微观聚集行为及相态变化特点，明确不同相态下的传热方式转化，分区开展传热及流动描述。

在原油降温过程中，当温度低于析蜡点后蜡晶析出，同时伴有析蜡潜热释放。由于蜡晶刚析出时分布不均匀，间距较大，因此随温度降低，析出的蜡晶依附在已形成的蜡晶基础上生长，并趋向于局部聚集，形成具有较大孔隙的类似多孔介质的网络结构。随温度继续降低，蜡晶数量不断增多，近距离的蜡晶之间受范德华力而聚集，在已形成的网络结构上生长，网络结构逐渐清晰，结构变得越加致密。在原油相变传热过程中，蜡晶网格结构的形成与发展对传热方式的转化意义重大，改变原油的相态特点，使原油呈现多孔介质特性，导致传热方式发生变化。

鉴于蜡晶相态变化对传热方式的影响，停输管道原油可分为三相区模型，采用分区描述方法建模并求解。原油分为液相区、液固混合多孔介质区及固相区。液相区中，原油传热方式以自然对流换热为主；液固混合多孔介质区中，原油传热方式为对流和导热，且满足渗流流动特点；固相区中，原油整体失去流动性，可视为近似纯导热过程。需要解决问题：(1)表征蜡晶的相态变化过程；(2)微观实验中，原油形成多孔介质网格结构时对应温度的确定方法；(3)数学模型中，表示液固混合多孔介质区间原油液相率的非线性变化。