油、水混合预热投油过程中传热数值计算

韩秀梅

（中国石油广西销售公司，广西南宁530028）

管道工程中经常会遇到新建或长期停输后再启动的埋地热油管道。因这种管道周围土壤温度场为自然温度场，所以其温度比输送的热油要低很多。工程实际中，有很多高粘易凝的原油需要输送，如果将其不加处理直接投入冷管中进行输送，油品会向周围土壤散热，导致油温很快下降，有时会引起管道沿程损失急剧升高而导致停输，严重情况甚至会出现油管被“冻结”现象。在实际生产中，为避免发生故障，通常都要先对管道进行预热，待管道周围土壤升高一定温度后再正常输送加热的原油。热油管道在启输投产预热阶段，管道内的介质和管道周围土壤的传热是不稳定传热过程。在热油管道预热过程中，为确定合理的启输时间和预热介质总量，有必要准确预测管内介质的温度和周围土壤温度场的分布随时间的变化规律。

目前，工程上一般采用热水对长输管道进行预热。分析热油管道预热工况是一个复杂的问题，许多学者在这方面做了大量研究，取得了很多有意义的科研成果。M Fremond等［1］和N I Osokin等［2］研究了土壤温度场，取得研究成果可为管道周围土壤温度场研究所借鉴。李长俊等［3］应用传热理论，推导出了管道周围土壤温度场随管内介质和气候条件变化的解析解，并将其应用于热油管道生产过程中温度场的研究中，取得了更接近实际的结果；后来，李长俊等［4］以将土壤物性作为随温度变化的函数为前提，应用保角变换将半无穷大土壤区域简化成有限矩形区域，得出了热油管道启输传热模型，并得出了问题的数值解。吴国忠等［5］将大地半无限大区域简化为有界的矩形区域，建立数学模型，并采用数值求解方法对该数学模型求解，对结果进行分析得出不同管径、不同敷设条件下管道的热损失变化结果。蒋绿林等［6］建立了有限区域内热油管道预热过程耦合的数学模型，并借助于计算软件求解了该模型，取得了有益的结果。陈国群等［7］通过大量研究，分析总结了热油管道启输投产技术现状，并以此为基础推导出了对热油管道预热投产进行热力计算的数学模型。李伟等［8］建立了描述埋地热油管道热力影响区的数学模型，用有限元法进行计算，研究了埋地热油管道在不同运行状态下的土壤温度场，并定量分析了管道结构参数、土壤物性参数等对管道水平方向热力影响范围影响情况。

以往的研究，有很多近似认为管道周围温度分布是以管道中心轴对称的，以此为依据，数值计算把管道传热问题简化为一维问题。实际生产过程中，埋地管道土壤周围的温度场并不是轴对称的温度场，而是一个三维温度场，准确预测原油生产过程中的温度变化，应充分考虑到三维传热的影响。为了得到更真实数据，在充分考虑土壤的初始条件和土壤表面自然条件的前提下，数值计算并分析了油、水混合预热过程中管道周围土壤温度场和管内介质温度随时间的变化规律。

1 计算模型

采用传热方程对埋地管道周围土壤温度场进行计算：

式中：c 为土壤比热容，J／（kg·℃）；ρ 为土 壤密度，kg／m3；T 为土壤温度，℃；λ 为土壤导热系数，W／（m2·℃）。

在计算过程中，对管道传热问题进行以下简化：

（1）土壤的导热系数比管材的导热系数小很多，因此忽略管壁的热阻；

（2）在管道周围土壤的计算区域内，认为各处土质相同，是各向同性的。

2 埋地管道传热数值计算

2.1 计算条件

用有限单元法对图1所示埋地热油管道进行数值计算。计算所用条件如下：热油管道半径R1＝350mm，管道中心距地面深度H ＝1.50m，管道周围土壤密度ρt＝1 700kg／m3、导热系数λ1＝1.512 W／（m2·℃）。

图1 埋地管道周围土壤区域截面图Fig.1 Soil area cross image around buried pipeline

边界条件：

式中：αh为预热介质与管壁间的对流换热系数；Tw为预热介质温度；αk为地面和周围大气之间的对流换热系数；Tk为当地气温。

计算中αh取117 W／（m2·℃），αk取21.5 W／（m2·℃），Tk取－15 ℃；土壤的初始温度取7 ℃；土壤下边界温度取5 ℃。

计算区域为以地面以下5 m×5 m 范围，网格划分采用三角形三节点单元进行。管道分为50段，每段长度为1 000m。

2.2 热水预热过程传热数值计算

对前面给出的埋地热油管道预热过程中管内介质和管道周围土壤温度变化进行了计算。预热介质为水，热水出站温度为70℃，流速取1.25m／s。图2给出了不同时刻管内介质温度在管道沿线的分布曲线。

图2 预热介质轴向温降图Fig.2 The axial temperature drop map

对图2中管内介质沿程温降分析可知，预热介质未流到的管处，管内温度与土壤的初始温度相同。预热介质流过的位置，管内温度逐渐增加。对图2中几条沿程温降曲线对比分析可知，随着预热时间的增加，管内介质温度降低渐缓，预热达到一定时间后，预热介质沿线温度基本达到稳定，这与此时管道周围土壤温度有较大提升有关，与实际相符。预热达到一定时间后，再进行预热已没有意义。因此在进行热油管线预热启动过程中，准确计算出管内介质沿程温降和管道周围土壤温度场随时间变化的详实数据，依次为依据确定相应的输油工艺，可有效节省能源。

2.3 油、水混合预热启输过程的传热数值计算

研究采用油、水混合预热的方法，即在输水预热一定时间以后，开始投油，预热和输油同时进行，只要合理选定投油时间，就可以保证在油品到达终点时，终点已预热并达到预热温度要求，通过对埋地热油管道启输过程中土壤温度场的数值模拟，可以为确定合理的投油时间提供理论依据。

对热水预热一段时间进行投油的情况进行数值计算。首先，热水和油温都取70 ℃，管内介质流速取1.25m／s。

图3（a）、（b）分别给出了预热120h和80h后投入热油的管内介质温度在管道沿线的分布。

图3 当热油温度为70 ℃时预热介质轴向温降图Fig.3 The axial temperature drop map at 70 ℃heat oil

从图3中可以看出，热水预热时，不同预热时间的轴向温降线没有交叉，随着时间的延长，由下到上依次升高；预热一段时间后开始投油，随着时间的延长，油温会有一个逐渐下降的过程，这是因为油的密度和比热容比水的相应参数小很多所致。由图3（a）、（b）对比可以看出，预热达到一定时间后，输油时热油到达终点的温度并没随着预热时间增加有较大幅度的增加。使热油到达终点时其温度达到一定高度，仅依靠增加预热时间有时并不可靠。

适当提高热油入站温度是一个有效的办法。将热油温度提高到75℃，预热热水温度还保持70℃，管内介质流速仍取1.25m／s，将这种工况下预热投油过程的管道周围土壤温度场和管内介质沿程温降进行了数值计算。图4（a）、（b）分别给出了预热60 h和80h后投入热油的管内介质温度在管道沿线的分布。

图4 当热油温度为75 ℃时预热介质轴向温降图Fig.4 The axial temperature drop map at 75 ℃heat oil

将图4与图3对比后可以看出，改变热油温度，对热油到达终点的温度有一定的影响。提高输油温度，热油到达终点的温度有一定程度的提高，当预热达到一定时间后，继续预热意义并不大。有时适当增加热油出站温度，减少预热时间是一个有效提高终点油温的办法。

以上计算结果与实际相符，该研究成果可为合理地确定投油时间和温度提供科学的依据。确定了合理的、最短的投油时间，就达到了节能的目的。

3 结论

通过对预热一定时间开始投油后埋地热油管道启输过程温度场的数值模拟，得出以下结论：

（1）热水预热一定时间后开始投油，在预热过程中会出现管内介质温度逐渐下降的现象。这是由于水的比热容要比油的比热容大得多，从而引起的放热量减小，温度降低，结果符合实际。

（2）改变热油温度，对热油到达终点的温度有一定的影响。提高输油温度，热油到达终点的温度有一定程度的提高，当预热达到一定时间后，继续预热意义并不大。

（3）为在热油启输过程有效利用能源，有必要准确预测预热介质温度和管道周围土壤随时间变化情况，以此为依据可确定合理启输时间。

［1］ Fremond M，Lassoued R.Raln falling on a frozen ground［C］.Thimus J F.Ground Freezing 2000，Balkema：Rotterdam，2000：25－30.

［2］ Osokin N I，Samoilov R S，Sosnovskiy A V，et al.Influence of snow cover properties on migration of moisture in the course of ground freezing［C］.Thimus J F.Ground Freezing 2000.Balkema：Rotterdam，2000：51－54.

［3］ 李长俊，曾自强，江茂泽.埋地管道的温度计算［J］.国外油田工程，1999（2）：59－62.

［4］ 李长俊，骆建武，陈玉宝.埋地热油管道启输热力数值模拟［J］.油气储运，2002，21（12）：16－19.

［5］ 吴国忠，庞丽萍，卢丽冰.埋地输油管道热力计算数值求解结果分析［J］.油气田地面工程，2001，20（2）：1－2.

［6］ 蒋绿林，付迁，张青松.埋地管道非稳态传热数值研究［J］.炼油技术与工程，2007，37（5）：36－38.

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

［8］ 李伟，张劲军.埋地热油管道停输后周围土壤温度常数值模拟［J］.西安石油大学学报：自然科学版，2005，20（6）：27－30.