埋地热油管道预热过程周围土壤温度场蓄热量计算

李少华，尚增辉，公茂柱，王洪亮，叶 昆

（中国石油集团工程设计有限责任公司华北分公司, 河北 沧州 062550）

当加热原油进入温度等于埋深处自然地温的冷管路中时，原油与管壁和周围土壤的温差很大，冷管路及周围土壤将从初始的油流中吸收大量的热量，使热油温度急剧下降[1]。由于土壤导热系数小和热容量大的特点，土壤温度场达到稳定需要很长一段时间，在此过程中土壤将大量蓄热。本文采用原油参数进行模拟预热过程的热力计算[2]，当模拟预热流体的进站温度和水力条件满足启输条件时，记录下相应的土壤蓄热量。写作该文的目地以期对原油管道启输时的热水预热和冷热原油交替输送的预热提供参考。

1 热力计算模型

埋地管道散热的物理模型如图1所示，为了简化计算，做如下假设：忽略油品温度沿径向的变化，即认为同一时刻在管道的同一横截面上油温相同；由于钢管的导热系数较大，进行传热计算时可忽略壁厚；在以管截面为中心圆截面上，沿圆周各个方向的散热量相等； 在管路周围存在矩形热影响区域，在热影响区域内土壤温度受热油管道的影响；未启动时，管道初始温度为埋深处土壤地温。由此建立数学模型[3]。

图1 埋地管道物理模型Fig.1 The buried pipelines physical model

采用二维导热偏微分方程对原油管道在土壤中的传热进行描述。土壤的导热方程为：

当r=R时，边界条件为：

当y=H0时，边界条件为：

当 x= ±L /2时，边界条件为：

当y=H0-L时，边界条件为：

式中：Ts，Ts0—土壤任意时刻和初始时刻土壤温度分布，℃;

T,Tk—管内介质温度和大气温度，℃

t —输送时间，s;

ls—土壤的导热系数，W/(m·℃);

ak，as—土壤表面向大气的放热系数和管内介质向土壤的当量放热系数;

R，L —管道外半径和土壤热影响区域的范围, m。

2 算例分析

以东北某输送原油管道为例[4]，利用有限体积法对其输送的大庆原油的预热工况和土壤蓄热量进行计算和分析。

2.1 数据准备(表1)

表1 土壤的物性参数Table 1 The physical properties of the soil

数值模拟计算中所需要的其他数据见表2。

表2 其他数据Table 2 The other data which needed

2.2 数值模拟

由于热油管路输送过程中，管路轴向各点的油温是不同的，各处的蓄热量也是不同的。在计算中可取站间平均油温[5][Tp= TR/3 + 2TZ/3]来计算站间的平均蓄热量。因此需要计算出Tp所在截面热影响区内土壤的蓄热量。

结果见图2-6。由图3所示保温层热流密度的变化曲线图可知，热油启输时管道周围土壤温度场达到稳定状态所用的时间大约为200 h。根据模拟计算结果，待土壤温度场达到稳定状态时，整个土壤温度场的平均温度为292.83 K。

图2 保温层热流密度随温度变化曲线图Fig.2 Insulating layer heat flux with temperature curve

图3 启输50 h土壤温度场温度分布云图Fig.3 50 hours later, the distribution of soil temperature field

图4 启输100 h后土壤温度场温度分布图Fig.4 100 hours later, the distribution of soil temperature field

图5 启输150 h后土壤温度场温度分布云图Fig.5 150 hours later, the distribution of soil temperature field

图6 启输200 h后土壤温度场达到稳定状态时温度分布云图Fig.6 200 hours later, the distribution of steady soil temperature field

平均油温 TP处所在截面热影响区内土壤的蓄热量可按下式计算：

带入数据得：q =2 009.30 kJ。

两加热站间从启输热油到土壤温度场达到稳定时土壤总蓄热量为：

3 结 论

（1）由图2可以看出，预热开始后穿过保温层的热流密度先剧烈增加，而后逐渐减小，最后趋于定值。这是因为预热开始时管道内油品和管道外的土壤温差很大，传热剧烈所引起的。随着传热的进行，管道外土壤的温度逐渐升高，油品和管道外土壤的温差逐渐减小，因此传热强度也相应减小，随着时间的延长，传热系数趋于一个定值，这说明管道周围土壤温度场逐渐趋于稳定。这时土壤的蓄热量也趋于稳定，可以认为是热油稳定输送状态下土壤的蓄热量。

（2）图 3-6描述了预热过程中土壤温度场的整个变化过程，并采用原油作为模拟预热的介质，计算了整段管道预热完成后土壤温度场的蓄热量。其意义在于可以为原油管道的热水预热或冷热油顺序输送过程中的预热问题提供依据和指导。

［1］卢涛，孙军生，蒋培学．埋地热油管道预热启输过程外界气温及预热水温对土壤温度场的影响[J]．太阳能学报，2006，27(10):1053-1057．

［2］陈国群，马克峰，丁芝来，等．热油管道启输投产热力计算[J]．油气储运，2005，24(7):13-16．

［3］刘晓娜，赵会军，张廷全．稳定的热油温度场对后续冷油温度的影响[J]．天然气与石油，2009，27(2):5-7．

［4］崔秀国，张劲军．冷热油交替输送过程热力问题的研究[J]．油气储运，2004，23(11):15-19．

［5］杨筱蘅．输油管道设计与管理[M]．东营：中国石油大学出版社，2006:84-85．