熱油管道防腐層大修期間熱力參數(shù)的數(shù)值模擬研究

1、熱油管道防腐層大修期間熱力參數(shù)的數(shù)值模擬研究李偉1 基金項目：中國石油天然氣股份有限公司項目(2005-3220)部分研究成果。作者簡介：李偉，男，1978年6月出生，2000年畢業(yè)于石油大學(xué)(華東)，中國石油大學(xué)(北京)在讀博士生，主要從事油氣儲運專業(yè)理論與試驗研究。E-mail:lwei0612宇波1 張勁軍1 張爭偉1 黃金萍2 （1中國石油大學(xué)（北京）城市油氣輸配技術(shù)北京市重點實驗室，北京昌平102249；2中油管道分公司沈陽調(diào)度中心，遼寧沈陽，110031）摘要：基于對防腐層大修期間施工進度與輸油工況的合理簡化，建立了有開挖段站間熱油管道正常運行數(shù)學(xué)模型，并采用有限容積法對該模型進行

2、數(shù)值離散。通過對該模型的數(shù)值求解，可以模擬防腐層大修期間不同環(huán)境條件、不同運行參數(shù)和開挖回填不同階段管道沿線原油和土壤溫度變化。根據(jù)溫度模擬結(jié)果，可以確定大修期間開挖站間的最大允許開挖長度。利用所編計算程序?qū)?006年鐵秦輸油管道葫蘆島綏中站間防腐層大修期間運行工況的模擬結(jié)果顯示，進站油溫平均計算偏差低于1.0。若考慮防腐層大修期間管溝積水的影響，鐵秦輸油管道葫蘆島綏中站間7月份最大開挖長度不超過1.0km；若不考慮，該站間7月份最大開挖長度不能超過6.0km。本研究為制定東北管網(wǎng)防腐層大修期間合理的管道運行方案提供了理論依據(jù)。關(guān)鍵詞：熱油管道 防腐層大修 開挖回填 有限容積法 數(shù)值模擬 前言

3、我國東北管網(wǎng)始建于上個世紀七十年代，已運行三十多年，為保證管道的安全運行，自2005年開始，東北管網(wǎng) 進行了有計劃的防腐層大修。大修期間，需要對管道進行開挖，從而導(dǎo)致了管道輸油工況的惡化。黃金萍1根據(jù)對大修期間埋地管道土壤熱力條件的初步分析，提出了改善管道熱力條件的措施，但所作分析基于管道運行經(jīng)驗。為制定合理的大修期間運行方案，仍需從理論方面對防腐層大修期間管道熱力參數(shù)變化進行分析，目前并未見有對該問題研究的文獻。防腐層大修期間，開挖段原油直接向大氣散熱，溫降速率增大，站間原油溫度分布隨之改變；開挖段回填后，開挖段原油向土壤散熱，溫降速率減小，隨著回填土壤溫度場的恢復(fù)，站間原油溫度分布發(fā)生改變

4、，即開挖回填期間管內(nèi)原油處于典型的不穩(wěn)定傳熱狀態(tài)。大修結(jié)束后，回填土壤溫度場逐漸恢復(fù)，恢復(fù)過程受管道散熱和環(huán)境條件變化共同作用。從管道開挖到回填土壤溫度場恢復(fù)穩(wěn)定，管內(nèi)原油的散熱處于不穩(wěn)定狀態(tài)，散熱量增多。由于防腐層大修持續(xù)時間長（每2km大修段施工時間一般在30d左右），大修期間發(fā)生氣候條件變化（寒流、突降暴雨等）時，開挖段向外界散熱速率變大，散熱量增多，進而影響到全線輸油工況的變化。因此大修期間若有氣溫突降、管溝積水等意外因素，開挖管段大幅散熱將導(dǎo)致管道輸送安全性下降。可見，在防腐層大修期間，現(xiàn)有基于穩(wěn)態(tài)運行的管理經(jīng)驗和研究成果2-7已不完全適用。本文研究者通過對開挖回填管道熱力狀態(tài)變化的

5、分析，建立了適用于開挖回填期間管道熱力參數(shù)模擬的數(shù)學(xué)模型，通過對數(shù)學(xué)模型的數(shù)值求解開發(fā)出密切結(jié)合實際生產(chǎn)的計算程序。利用程序?qū)嶋H防腐層大修期間運行工況進行數(shù)值模擬，并通過計算結(jié)果與管線運行數(shù)據(jù)及實際測量數(shù)據(jù)的對比驗證了計算結(jié)果的準確性。在此基礎(chǔ)上，提出防腐層大修期間站間最大允許開挖長度的確定方法。1有開挖段站間熱油管道正常運行數(shù)學(xué)模型根據(jù)原油流動過程中實際情況，所采用的計算模型作如下假定：(1) 管內(nèi)同一截面上的原油溫度均勻分布，即管內(nèi)原油溫度只是時間和管道軸向位置的函數(shù)；(2) 熱油管道周圍熱力影響區(qū)域簡化為矩形，該區(qū)域內(nèi)土壤為各向同性的均勻介質(zhì)；(3) 忽略原油軸向傳熱，將站間任意位置處

6、的三維不穩(wěn)定傳熱問題簡化為二維不穩(wěn)定傳熱問題。基于上述假設(shè)，對于站間未開挖位置，參照圖1，綜合考慮管道橫截面上原油、結(jié)蠟層、鋼管、防腐層、土壤（管道熱力影響區(qū)）和大氣之間的相互影響，可得到數(shù)學(xué)模型。圖1 埋地管道示意圖Figure1: sketch map of buried pipeline油流的換熱方程： （1）結(jié)蠟層、管壁和防腐層的導(dǎo)熱方程： （2）土壤導(dǎo)熱方程： （3）邊界條件：當(dāng)時 （4）當(dāng)時， （5）當(dāng)或時， （6）當(dāng)，；或，時， （7）其中，為原油密度，kg/m3； 為時間，s；為油流平均速度，m/s； 為重力加速度，m/s2； 為油流截面平均壓力，Pa；為達西摩阻系數(shù)；為原油定

7、壓比熱容，J/(kg·)；為管道內(nèi)直徑，m；為原油在單位管壁面積上單位時間的散熱量，w/m2；為原油溫度，；為原油膨脹系數(shù)，-1；為第層（結(jié)蠟層、管壁和防腐層）的密度，kg/m3；為第層（結(jié)蠟層、管壁和防腐層）的比熱容，J/(kg·)；為第層（結(jié)蠟層、管壁和防腐層）的溫度，；為第層（結(jié)蠟層、管壁和防腐層）的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·)；為徑向位置，m；為環(huán)向弧度；為土壤密度，kg/m3；為土壤比熱容，J/(kg·)；為土壤溫度，；為土壤導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·)；為垂直于軸向的水平位置，m；為深度，m ；為油流對管內(nèi)壁的放熱系數(shù)，W/(m2·)

8、；為管內(nèi)壁溫度，；為地表向大氣的放熱系數(shù)，W/(m2·)；為大氣溫度，；為自然熱力狀態(tài)下的土壤溫度，；為熱影響區(qū)域的邊界至管中心的水平距離，m；為熱影響區(qū)域的邊界至地表的垂直距離，m；為管道埋深，m；為管道最外層半徑，m。 對站間開挖段，管外介質(zhì)變?yōu)榭諝猓溥吔鐥l件處理為： 在沒有天氣突變、泡水及回填的情況下，認為開挖段管道直接和空氣進行對流換熱，根據(jù)鋼管的導(dǎo)熱量和管外壁與大氣對流換熱量的平衡關(guān)系列方程?；靥詈?，假定管道周圍回填土壤溫度均勻分布，初始溫度為當(dāng)時土壤自然溫度。 在有泡水的情況下，根據(jù)不同的泡水深度進行處理: 當(dāng)泡水完全淹沒開挖段輸油管道時，對泡水區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，用水的

9、物性參數(shù)求解泡水帶走的熱量。 當(dāng)泡水段液面在管道下方，沒有觸及管道時，按照管道外壁和大氣對流換熱來處理。 當(dāng)泡水淹沒管道一部分，并沒有完全淹沒的時候，根據(jù)上述兩種方法按照泡水區(qū)域所占的比例來進行處理。2數(shù)學(xué)模型的數(shù)值離散采用有限容積法對模型中二維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱方程進行離散化，首先對管道周圍矩形熱力影響區(qū)域進行區(qū)域離散。圖2為求解區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格劃分示意圖，圖3為該區(qū)域內(nèi)任意節(jié)點的控制容積示意圖。針對任意的控制容積，導(dǎo)熱方程（3）的積分形式如下： （8）其中V為控制容積的體積（對二維導(dǎo)熱問題為控制容積的面積），A為控制容積界面的面積矢量，其正方向與外法線單位矢量一致，如圖2所示，符號“”表示兩個矢量的內(nèi)積

10、。將上式應(yīng)用于如圖3中所示三角形控制容積，可得 （9）式中為重心為P0的三角形的面積，和分別為時間間隔的當(dāng)前時層和上一時層P0點的溫度值。是界面1，2，3上的平均溫度梯度。界面上的平均溫度梯度可以通過節(jié)點上的溫度梯度線形插值得到： （10）其中，和為插值因子。為了確定離散方程，采用最小二乘法來確定溫度梯度如下： （11）其中，表示P0節(jié)點的溫度梯度在i坐標軸上的分量，為從P0到Pj的有向線段。 圖2計算區(qū)域網(wǎng)格劃分 圖3 三角形控制容積以矩陣形式表示，代數(shù)方程（10）可寫成： （12）其中，矩陣的4個分量和列矢量的2個分量分別為 （13）是矢量的第個分量。根據(jù)所求出節(jié)點的溫度梯度很容易用式（1

11、0）求出界面的溫度梯度。為避免直接采用式（10）所可能引起的方程失耦，可以采用顯式修正的方式復(fù)耦： （14） 將（14）代入公式（9）整理得到離散方程： （15）以上代數(shù)方程為一個主對角占優(yōu)的方程，采用Gauss-Seidel迭代、共軛梯度法等方法求解即可得到各節(jié)點的溫度。當(dāng)網(wǎng)格足夠密時，所有節(jié)點上的溫度值就代表了土壤的溫度場。3開挖回填期間輸油管道運行工況分析3.1 計算實例驗證2006年鐵秦線葫蘆島綏中站間共有3個防腐層大修標段，各標段施工信息見表1。該站間長度71.2km，各標段距離出站位置分別為30km、39km與60km。利用程序計算時，回填土壤溫度為18。管輸原油為大慶含蠟原油，大

12、修期間葫蘆島出站輸量與出站油溫等運行參數(shù)變化見表2。表1 葫蘆島綏中站間各標段施工信息匯總標段長度（km）開挖信息回填信息施工日期竣工日期日平均進度（km）施工日期竣工日期日平均進度（km）標段13.44-145- 280.0755564-145- 300.07234標段22.54-145- 90.0964-145- 90.096標段32.04-165- 290.0454554-175- 300.045455程序模擬大修期間該站間進站油溫的變化趨勢見圖4，計算結(jié)果與實際溫度值的平均偏差為0.6。在原油流動過程中，管內(nèi)油溫不可直接測得，鋼管外壁溫度最接近管內(nèi)油溫。，為此，在該站間距離出站42km

13、（標段2下游）處安裝鋼管外壁溫度測溫裝置，以監(jiān)測大修期間開挖段原油溫度變化（測溫元件選用PT100 A級鉑電阻，其測量范圍50100，測量精度±0.5，在大修期間進行連續(xù)測量）。圖5為標段2大修期間，鋼管外壁溫度測量值與計算結(jié)果的對比。圖中程序計算結(jié)果與實測溫度值的變化趨勢一致，二者之間平均偏差在2.0以內(nèi)。圖4 進站油溫計算結(jié)果與實際值的對比圖5 鋼管外壁溫度計算結(jié)果與實測值的對比表2 防腐層大修期間葫蘆島出站運行參數(shù)日期日輸量（噸/天）出站油溫（）日期日輸量（噸/天）出站油溫（）2006-4-1416018.0059.502006-5-812758.0057.602006-4-1

14、515707.0059.702006-5-915642.0060.202006-4-1617858.0056.802006-5-1015412.0060.102006-4-1716925.0063.602006-5-1115680.0061.202006-4-1818764.0063.102006-5-1215437.0062.302006-4-1922901.0060.502006-5-1315557.0061.302006-4-2016298.0053.802006-5-1415346.0062.802006-4-2112898.0056.602006-5-1515808.0061.302

15、006-4-2216944.0062.102006-5-1615473.0061.002006-4-2316714.0062.502006-5-1714728.0062.602006-4-2415536.0064.502006-5-1815457.0062.702006-4-2515465.0063.802006-5-1915528.0048.902006-4-2615007.0064.802006-5-2015846.0061.602006-4-2715187.0064.302006-5-2115625.0061.502006-4-2815933.0063.302006-5-2220956.

16、0054.102006-4-2917116.0060.902006-5-2321348.0055.002006-4-3016536.0061.302006-5-2419213.0050.202006-5-116501.0060.302006-5-2513318.0044.202006-5-216339.0058.602006-5-2618999.0054.202006-5-316192.0059.902006-5-2717348.0049.902006-5-415881.0060.602006-5-2817980.0048.402006-5-515645.0060.402006-5-29166

17、43.0048.902006-5-615666.0061.302006-5-3016612.0057.102006-5-715756.0059.103.2 開挖管段對管道沿線原油溫度的影響當(dāng)站間有開挖管段時，開挖管段的大幅散熱影響到站間原油溫度分布。若該站間2km大修段同時開挖（表3），開挖段全部裸露在空氣中不同時間管道沿線原油溫度分布見圖6。圖6中顯示，管道開挖后，開挖管段原油溫度明顯降低，隨著開始時間延長，開挖段原油所流經(jīng)位置油溫隨之降低，導(dǎo)致全線原油平均溫度降低。圖7中，若保持開挖期間管道輸量與出站油溫不變，站間2km開挖管段裸露30天，進站油溫降低0.95。表3 某站間大修期間運行工況

18、與施工信息站間距（km）運行工況開挖信息管道輸量（t/d）出站油溫（）開挖時間開挖點距離出站距離（km）開挖長度（km）回填土壤溫度（）7020000477-110218圖6 管道開挖后不同時間站間原油溫度分布圖7 管道開挖后不同時間進站油溫變化3.3 根據(jù)進站油溫確定管道最大開挖長度我國現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范SY/T 5537 8規(guī)定，“熱油管道所輸原油或改性處理的原油進站最低溫度應(yīng)高于其原油凝點以上3”。對于東北管網(wǎng)，需要保證進站油溫在33。根據(jù)2005年生產(chǎn)報表統(tǒng)計，葫蘆島綏中站間7月份日平均輸量為19839t/d，出站油溫47.1。在該月正常氣溫條件下，該站間不同開挖段長度下所計算得到進站油溫見

19、圖8。圖中顯示，若保持管道進站油溫33.0，單次最大開挖段長度不能超過6km。若防腐層大修期間突降暴雨，則開挖段管道可能被水浸泡。對葫蘆島綏中站間7月份運行工況，考慮開挖后管道有3天積水繁榮進站油溫變化見圖9。計算結(jié)果表明，若考慮到管溝積水，管道最大開挖長度不能超過1.0km。因此，若大修期間突降暴雨，必須通過采取相應(yīng)的措施（提高出站溫度、及時回填開挖管段、抽取管溝積水等），提高管道運行的安全性，并避免管道進行停輸再啟動操作。圖8 開挖段長度不同時進站油溫變化圖9不同長度開挖段泡水后進站油溫變化4結(jié)論（1）建立了開挖回填過程中管道熱力模擬數(shù)學(xué)模型，通過對該模型的數(shù)值求解可以分別模擬不同環(huán)境條件

20、、不同運行參數(shù)和不同開挖回填階段管道沿線原油溫度變化，為制定防腐層大修期間合理的運行方案和施工方案提供了理論依據(jù)。（2）利用數(shù)值程序?qū)Ψ栏瘜哟笮奁陂g管道實際運行工況進行模擬，進站油溫的平均計算偏差低于1.0，鋼管外壁溫度的平均偏差低于2.0。（3）若考慮防腐層大修期間管溝積水的影響，鐵秦線葫蘆島綏中站間7月份最大開挖長度不超過1.0km；若不考慮，該站間7月份最大開挖長度不能超過6.0km。參考文獻：1 黃金萍，李俊國等 埋地管道防腐層大修對管道運行的熱力影響油氣儲運，2006，25（12）：37422 楊筱蘅輸油管道設(shè)計與管理M東營：石油大學(xué)出版社，2006 3 古賓 BE(蘇)等高粘高凝原

21、油和成品油管道輸送M陳祖澤譯石油工業(yè)出版社M，19874 黃福其，張家猷，羅塘湖地下輸油管道熱工計算J石油學(xué)報, 1980.1(1)：77915 崔秀國埋地?zé)岷炘凸艿赖姆欠€(wěn)態(tài)傳熱問題J中國工程科學(xué)，2003，5(7)：77826 Rosalind A. Archer and Michael J. O'SullivanModels for Heat Transfer from a Buried PipeC 1997，SPE: 36763-p7 Antuan Negiz, Mehmet A.hastaoglu, Robert A.heidemannThree-Dimensional T

22、ransient Heat Transfer From a Buried Pipe-I: LaminarJChemical Engineering Science，1993，48(20)：3507 -35178 中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標準SY/T 5537-92原油輸送管道運行技術(shù)管理規(guī)范北京：石油工業(yè)出版社，1992The numerical Simulation Study of the Thermal Parameter of the Hot Oil Pipeline during Coating Overhauling PeriodLiwei1 基金項目：中國石油天然氣股份有限公

23、司項目(2005-3220)部分研究成果。作者簡介：李偉，男，1978年6月出生，2000年畢業(yè)于石油大學(xué)(華東)，中國石油大學(xué)(北京)在讀博士生，主要從事油氣儲運專業(yè)理論與試驗研究。E-mail:lwei0612 Yubo1 Zhang Jinjun1 Zhang Zhengwei1 HuangJinping2 (1. Beijing Key Laboratory of Urban Oil and Gas Distribution Technology, China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249；2Shenyang Contr

24、ol Center of PetroChina Pipeline Company, Shenyang，Liaoning, 110031）Abstract: Based on the simplify of the project schedule and operation condition of the hot oil pipeline during the period of the coating overhauling, the mathematical thermal model of hot oil pipeline for the station space include exposed section is developed, and the finite volume method is used to discrete this model. In this way, the oil and soil temperature change along the pipeline during the coating overhauling period in different ambient temperature, operation parameter