同沟敷设原油和成品油管道三维温度场的数值模拟

2011-10-12陈保东何利民陈其胜

石油化工高等学校学报 2011年2期

田娜, 陈保东, 何利民, 陈其胜, 吴琦, 史昊

(1.中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院,山东东营257061; 2.辽宁石油化工大学石油天然气工程学院,辽宁抚顺113001; 3.中国石化化工销售华北分公司,北京100120; 4.中国石油西部管道分公司,新疆乌鲁木齐830012)

田娜1,2, 陈保东2, 何利民1, 陈其胜3, 吴琦2, 史昊4

热油管道周围温度场是管道停输再启动及管道安全运行的基础,只有准确掌握管道周围的温度场分布,才能使管道安全运行,避免凝管事故的发生。在同沟敷设管道中,常温输送的成品油管道必将影响热原油管道的温度场,因此同沟敷设管道的温度场与单根输油管道的温度场不同。为了准确掌握同沟敷设原油和成品油管道的温度场,以国内某同沟敷设管段为研究对象,采用Gambit软件的非结构化网格技术和F1uent软件的标准-模型对同沟敷设管道的三维温度场进行数值模拟。通过与相同条件下单根原油管道的温度场比较,分析成品油管道对同沟敷设原油管道的影响。

成品油管道; 原油管道; 三维温度场; 数值模拟

随着石油工业的发展,我国现已拥有数万公里的输油管道,担负着65%以上原油产量的输送任务,被称为国民经济的“地下大动脉”。近几年来,为了节省投资,又兴建了同沟敷设管道。例如,在2004年9月开工兴建从新疆鄯善到兰州的西部原油、成品油管道工程。

目前国内外专家和学者在埋地热油管道温度场方面进行了大量的研究工作,并取得了一定的进展。W heeler J A[1]应用有限元、有限差分理论研究了永冻土区埋地热管道的传热量、热量损失及温度场。Weon-Keun Song[2]利用有限容积法对埋设在不同介质情况下的长输管道进行了传热分析计算,并对管道周围温度场的变化情况进行了实验测试。崔秀国等[3]采用有限元法求解了埋地热油管道在稳定运行条件下的热力影响区,并对地温、管内油温、管道直径、管道埋深和土壤导热系数等参数与管道水平方向热力影响范围的关系进行了定量分析,确定不同条件下管道的热力影响范围。马贵阳等[4]对埋地管道周围土壤水热耦合温度场的数值模拟进行了研究,考虑了土壤中水分迁移和相变对温度的影响,使输油管道周围土壤温度场的计算更准确,并指出水分迁移和相变对土壤温对土壤温度场有影响。此外,国内的学者已经展开对并行敷设管道的研究工作。宇波等[5]对同一管沟中并行敷设的成品油管道对加热原油管道温度场的影响进行了研究,给出不同敷设间距条件下,并行管道横截面的温度场分布及管道沿线的温度变化情况。凌霄等[6]采用非结构化有限容积法对原油和成品油管道同沟敷设新技术进行了研究。

但是,对于同沟敷设输油管道的研究仍处于刚刚起步阶段,还有大量的问题有待于进一步研究。目前,还没有学者对同沟敷设管道的三维温度场进行研究。热油管道周围土壤温度场是管道停输再启动及管道安全运行的基础,只有准确掌握管道周围的温度场分布,才能使管道安全运行,避免凝管事故的发生。为了准确掌握同沟敷设原油和成品油管道的温度场,以国内某同沟敷设管段为研究对象,采用Gambit软件的非结构化网格技术和F1uent软件的标准-模型对同沟敷设管道的三维温度场进行数值模拟。

1 同沟敷设管道的三维数学模型

对于稳定运行的埋地输油管道,管内的油品、土壤和大气构成了一个热力系统,因而对其热力问题的完整描述,应包括管内油品的传热和管外土壤中的导热两部分。对于管内油流的传热与土壤中导热的耦合,可利用管道内流体换热量与土壤中导热量的平衡关系在两者之间建立联系。

基本假设:

(1)管内油流为牛顿流体;

(2)将土壤简化为各向同性的均匀介质;

(3)忽略管道沿线高程的变化对同沟敷设管道温度场的影响;

(4)忽略管壁、防腐层的导热;

(5)管道横截面热力影响区的范围为水平方向-15 m≤X≤15 m、垂直方向-10 m≤Y≤0 m。

基于上述简化与假设,建立同沟敷设埋地管道稳定运行条件下的三维数学模型如下[7-9]:

管内流体流动的数学模型包括质量守恒、动量守恒、能量守恒方程以及湍流的标准k-ε两方程模型,各方程的张量形式如下:

质量守恒方程

动量守恒方程

为使上述方程封闭,引入雷诺应力公式:

能量守恒方程

湍流的标准k-ε两方程模型

式中,i和j指标的取值范围为1,2,3;ρ为管内油品密度,kg/m3;u为速度矢量,m/s;p为油品压力,Pa;Si为动量守恒方程的广义源项;T为油品温度,K;φ为耗散函数;k为湍动能,m2/s2;ε为耗散率,m2/s3;μ为油品动力粘度,Pa·s;μt为湍动粘度,kg/(m·s);Gk为平均速度梯度引起的湍动能k的产生项,m2/s3;Gb为浮力引起的湍动能k的产生项;YM为湍流动能耗散项;Sk,Sε为用户定义的源项,文中未考虑用户自定义源项,Sk=0和Sε=0。

各式中的计算参数取值为C1ε=1.44,C2ε=1.92,σT=1.0,σk=1.0,σε=1.3,Pr=0.85。

上述方程对成品油管道和原油管道都适用。

土壤导热方程:

式中,λs为土壤导热系数,W/(m·K)。

管内油品和土壤的传热过程相互关联,以原油管道为例,满足:

管内油品与管外土壤:

式中,α0为油流对管内壁的放热系数,W/(m2·K);T0为管内壁温度,K;R0为管道内半径,m。

边界条件:

当y=-H时,Ts=Tn

式中,αa为地表向大气的放热系数,W/(m2·K);Ta为大气温度,K;Tn为恒温层温度,K;H为热力影响区域深度方向边界位置,m。

2 算例

以国内某同沟敷设管段为例,原油管道为φ813 mm×11 mm,成品油管道为φ559 mm×7 mm,沿线管道平均间距为2 m,管道长度为230 km。原油管道防腐层厚度为3 mm,成品油防腐层厚度为2.5 mm。管壁导热系数为48 W/(m·K),防腐层导热系数为0.42 W/(m·K)。风速取为1.85 m/s。大气温度为279.85 K,恒温层温度为286 K。原油输送量为1 033.3 m3/h,出站温度为324.15 K,进站温度为292.85 K,293.15 K下的密度为869 kg/m3,293.15 K下的粘度为38.29 m Pa·s,303.15 K下粘度为15.8 m Pa·s,原油反常点温度为283.15 K,析蜡点温度为290.15 K;成品油输送量为842.8 m3/h,出站温度为284.45 K,进站温度为286.55 K,293.15 K下的密度为827.2 kg/m3,293.15 K下的粘度为2.81 m Pa·s,313.15 K下粘度为1.82 m Pa·s。管道沿线土壤密度为1 806.4 kg/m3,比热容为1 812 J/(kg·K),导热系数为1 W/(m·K)。

油品物性参数计算式如(10)式所示:

式中ρ,(T)温度为T时的密度,kg/m3;ρ20为293.15 K下的密度,kg/m3;ξ为温度系数,kg/(m3·K)。

式中,c(T)为比热容,J/(kg·K);ρ15为288.15 K下的密度,kg/m3;Tsl原油析蜡温度,K。

式中λ,(T)为温度T时的油品导热系数,W/(m·K)。式中,v(T)为牛顿流温度T时的油品运动粘度,m2/s;v＊为参考温度为T＊时油品的运动粘度,m2/s;u为粘度指数,不随温度而变;TF为反常点,K。

2.1 数值模拟方法

以国内某同沟敷设管段为计算区域,进行管道的三维温度场数值模拟。利用Gam bit软件在计算区域内生成三维网格,由于所研究的管道没有保温层,管壁导热系数较大,防腐层厚度又很薄,在管壁和防腐层区域温度场变化很小,因此管壁和防腐层厚度在此作了一个近似,网格划分时不需要画出。管内油流为主要为六面体网格,管外土壤主要为四面体网格,通过试算比较,按30个节点数量划分体网格,计算结果与实际进站温度基本吻合,计算网格见图1。

Fig.1 The unstructured mesh of parallel buried pipelines图1 同沟敷设管道非结构化网格示意图

管道入口的边界条件为速度入口,管道出口边界为出流。根据已知参数计算可得,原油入口流速为0.59 m/s,雷诺数为27 879;成品油入口流速为1.02 m/s,雷诺数为68 125,因此管内流体的流态为湍流,根据下式计算入口的湍动能和耗散率:

式中,I为湍流强度;Re为雷诺数;D为管道内直径,m;l为湍流长度尺寸,m;为湍流脉动平均速度,m/s;Cμ为经验系数,取0.09。

经计算原油入口k=0.000 8,ε=0.000 1;成品油入口k=0.000 2,ε=0.000 8。

2.2 数值模拟计算结果

采用非结构化有限容积法以及Fluent软件,模拟同沟敷设管道三维温度场。该方法与热油管道热力分析的其它方法相比[10-14],模型中的假设少,能对不规则土壤区域的温度场准确地进行模拟。

本文分别模拟两种不同情况下的温度场,第一种是同沟敷设管道温度场,第二种是相同环境条件下的单根原油管道温度场,模拟结果见图2,热油管道左右两侧x=0.8,y=-1.6位置的温度沿管道轴向变化曲线见图3,原油温度沿管道轴向变化曲线见图4。

Fig.3 Soil temperature on the left and right side of crude pipeline at different position图3 热油管道不同位置土壤温度场沿管道轴向的变化

Fig.4 Temperatures of crude oil and product oil along the pipelines图4 管内原油和成品油温度沿管道轴向的变化

从模拟计算结果可知,原油管道的进站温度为290.7 K,成品油管道的进站温度为286.39 K,与实际进站温度差值分别为2.15 K和0.16 K,表明模拟结果与实际数据基本符合。从图2中进出站位置的温度场可以看到,成品油管道对原油管道右侧的温度场几乎没有影响,对原油管道左侧温度场影响较大。从图3中可以看到,在原油管道右侧位置,单管温度略高于双管的温度,两者间最大差值为0.3K,这也说明成品油管道对原油管道右侧的温度场几乎没有影响;在原油管道左侧x=-0.8,y=-1.6位置,单管和双管间温度最大差值为2.3 K,随着距离的增大,单管和双管的温差逐渐减小,在管道末端双管温度略高于单管温度,这主要是由于随着距离的增大成品油管道由从周围土壤中吸热变为向土壤中放热造成的。从图4中看到,由于受到成品油管道的影响,双管中管内原油温度要低于单管原油的温度,两者间差值的变化趋势是先增大后减小,原因也是由于随着距离的增大成品油管道由从周围土壤中吸热变为向土壤中放热造成的。总的来说,对于同沟敷设管道,必须考虑成品油管道对原油管道温度场的影响。

3 结束语

(1)本研究中数值模拟结果与管道实际相接近,表明计算模型与模拟研究结果正确,基本可以满足工程需要。

(2)通过研究表明,对于同沟敷设管道必须考虑成品油管道对原油管道温度场的影响,否则将会导致温度场计算结果产生误差。

(3)通过对同沟敷设管道稳定运行条件下三维温度场的数值模拟,可以全面掌握管道周围的温度分布,为管道停输在启动以及管道的安全运行提供基础数据。因此,对同沟敷设管道来说,研究稳定运行条件下三维温度场意义重大,它是进行同沟敷设管道后续研究的先决条件。

[1］Wheeler J A.Simulation of heat transfer from a warm pipeline buried in permafrost.A ICHE 74 national meeting[C].New Orleans:[s.n.],1973.

[2］Weon-Keun Song.Thermal transfer analysis of unpaved and paved freezing soil media including buried pipelines[J].Numerical heat transfer,2005,48(6):567-583.

[3］崔秀国,张劲军.埋地热油管道稳定运行条件下热力影响区的确定[J].石油大学学报:自然科学版,2004,28(2):75-78.

[4］马贵阳,刘晓国,郑平.埋地管道周围土壤水热耦合温度场的数值模拟[J].辽宁石油化工大学学报,2007,27(1):40-43.

[5］宇波,凌霄,张劲军,等.成品油管道与热原油管道同沟敷设技术研究[J].石油学报,2007,28(5):149-152.

[6］凌霄,王艺,宇波,等.原油成品油管道同沟敷设新技术中的热力分析[J].中国工程科学,2008,10(11):30-36.

[7］王福军.计算流体动力学分析一CFD软件原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2004.

[8］陶文铨.数值传热学[M].2版.西安:西安交通大学出版社,2001.

[9］Yu B,Wang Y,Zhang JJ,et al.Thermal impact of the products pipelineon the crudeoil pipeline laid in one ditch-The effect of pipeline interval[J].Int.j.heat and mass transfer,2008,51(3-4):597-609.

[10］Bau Haim H,Sadhal SS.Heat losses from a fluid flow ing in a buried pipe[J].Int.j.heat and mass transfer,1982,25(11):1621-1629.

[11］Himasekhar K,Bau Haim H.Thermal convection associated with hot/cold pipes buried in a semi-infinite,saturated,po rousmedium[J].Int.j.heat and mass transfer,1987,30(2):263-273.

[12］Chung M,Jung P S,Rangel R H.Semi-analytical so-lution for heat transfer from a buried pipe with convection on the exposed surface[J].Int.j.heat and mass transfer,1999,42(20):3771-3786.

[13］张国忠,马志祥.热油管道安全经济输油温度研究[J].石油学报,2004,25(1):106-109.

[14］李长俊.埋地输油管道的热力计算[J].西南石油学院学报,1997,19(1):79-84.

(Ed.:W YX,Z)

Three-Dimensional Numerical Sim ulation on Temperature Field of Crude Oil Pipeline and Products Pipeline Laid in One Ditch

TIAN Na1,2,CHEN Bao-dong2,HE Li-min1,CHEN Qi-sheng3,WU Qi2,SH IHao4
(1.School of Storage & Transportation and A rchitectura l Engineering,China University of Petroleum(Huadong),Dongying Shandong257061,P.R.China;2.School of Petroleum Engineering,L iaoning Shihua University,Fushun L iaoning113001,P.R.China;3.Sinopec Huabei Chem ical Products Sales Com pany,Beijing100120,P.R.China;4.PetroChina West Pipeline Com pany,U rumqi Xinjiang830012,P.R.China)

for hot crude oil pipeline,shut down,start-up and operation are based on the soil temperature around the crude pipeline.Only the distribution of the soil temperature was obtained accurately can make sure the pipeline operate safely and avoid condensing the pipeline.In pipelines laid in one ditch,hot crude oil pipeline temperature field was influenced by the cool products pipeline,so the temperature field of pipelines laid in one ditch was different from the single pipeline.On the crude oil pipeline and the products pipeline in China,the three-dimensional temperature field of pipelines laid in one ditch was carried out with the unstructured mesh and standardk-εmodel.Comparing the temperature field of pipelines laid in one ditch with the one of single pipeline,the effect of products pipeline on temperature field of crude pipeline was analyzed.

Products pipelin;Crude oil pipeline;Three-dimensional temperature field;Numerical simulation

.Tel.:+86-13500430756;e-mail:tianna19800720@163.com

TE832

10.3696/j.issn.1006-396X.2011.02.024

2010-12-02

田娜(1980-),女,辽宁海城市,讲师,在读博士。

辽宁省教育厅科技项目(No.2008S137);中国石油西部管道公司科学研究与技术开发项目(XG22-2009-008)。

1006-396X(2011)02-0092-05

Received2December2010;revised27February2011;accep ted2M arch2011