埋地含蜡原油管道停输温降最新进展

陈顺江，王为民，董珊珊

（辽宁石油化工大学 石油与天然气学院，辽宁 抚顺 113001）

埋地含蜡原油管道停输温降最新进展

陈顺江，王为民，董珊珊

（辽宁石油化工大学 石油与天然气学院，辽宁 抚顺 113001）

梳理了我国含蜡原油停输温降的最新研究进展，强调了停输过程中析蜡潜热对原油温度场的影响以及合理处理凝固潜热的必要性；在传热学的理论基础之上，研究了用显热容法建立的新的数学模型。热油管道停输温降过程是输油管道中常见的现象，研究含蜡原油管道停输过程的温度变化规律,为原油输送管道的科学设计和安全、经济运行提供了一定的理论参考。

含蜡原油管道；停输；温度变化；显热容法；新进展

与世界上许多产油国不同，我国所生产的石油大多为易凝高黏原油。经过多年的研究和探索，含蜡原油的输送工艺逐渐成为我国油气储运技术的特色。近年来，国外易凝高黏原油输送技术及相关的理论发展较快[1]。含蜡原油的流动性较差，加热输送是最为常见的含蜡原油管道输送工艺，各国都特别重视含蜡高黏原油输送及流动保障技术研究。在管道运输过程中，停输问题是无法避免的。当管道停输后，管内含蜡原油的粘度随着温度下降而急剧上升。当油温低于析蜡点时，原油中还会有蜡晶逐渐析出。由于蜡晶不断析出，蜡晶之间会形成交联的网状结构,使原油结构强度增大，降低原油的流动性，长时间的停输会给管道的再启动带来巨大困难,严重的会导致凝管[1]。所以，为了确保含蜡热油管道安全经济运行,深入研究停输后管内原油的温度变化规律至关重要。

随着计算机技术和计算方法的发展，目前求解热油管道非稳态流动传热问题多运用数值求解方法。与解析法相比,数值解法使用的假设条件较少，通过使用合适的数值计算方法，进行控制网格的划分，可得出高精度的解，因此，在分析埋地含蜡原油管道停输温降时通常采用数值解法。

1 埋地原油管道停输温降过程的分析

由于管道周围土壤中蓄积的热量要比管中存油的热容量大上百倍，埋地原油管道停输后温降变化主要取决于周围土壤的冷却情况，故埋地含蜡原油管道停输后的温降过程大体上分为两个阶段[1]：

第一阶段，管内油温较快的冷却到略高于周围土壤温度，靠近管壁处的油温下降很快，管壁与管中心的油温差别较大，是自然对流传热为主的阶段；第二阶段，管内存油和管外土壤作为一个整体缓慢冷却，该阶段自然对流强度减弱直至消失，只剩导热，此阶段包括自然对流和导热共同控制阶段以及纯导热阶段[1]。

前人对埋地管内原油温降过程研究的主要核心内容有两个方面：原油的自然对流和具有移动边界的原油析蜡相变传热[2]。解决这两方面的问题，大多采用数值模拟的方法来求解[3]，建立数学和物理模型，应用FLUENT软件模拟热油管道温降过程[4]。

关于停输过程中管道内热油温度场的求解，早期的研究者试图对管道停输问题采用解析求解的方法，但由于问题的复杂性，解析求解过程中要作很多简化处理，因而求解结果往往偏离实际。

杨晶[5]等在传热学的理论基础上，分析了原油管道停输后的温降过程及其影响因素，并运用ANSYS软件对埋地输油管道停输后的原油温降过程进行了数值模拟，分别计算出了不同管径情况下停输温降情况，得出了关于埋地管道的停输，提高输油初始温度和增大管径均能延长安全停输时间。但是文中没有分析管道材料的物性等其他影响素对停输过程的影响，对计算结果会产生一定的影响。

李伟[2]等分析了埋地含蜡原油管道停输后的温降过程以及停输温降的影响因素，提出了一些关于停输温降计算方面的关键问题，分析了几种常见的停输温降的数学模型，并分别比较了埋地原油管道与输水管道、稠油输送管道等的异同之处，为后来的研究者提供比较好理论研究基础。

杜明俊[3]等对多年冻土区环境下运行的输油管道进行了研究，采用有限容积法对控制方程进行离散，运用SIMPLE算法求解温度场，但是文中将流体和固体并存的过渡区域看成动态的多空孔质进行处理，并将物理模型简化为二维非稳态传热模型，对研究结果的准确性有一定的影响。

刘刚[4]等通过分析热油管道停输后管内油流的物理传热过程，提出介质温度低于析蜡点时，原油中的蜡会在整个管道截面上析出。通过假设环境水温不变，采用FLUENT软件模拟温降过程，划分控制网格，得到更加精确的解。计算过程中对一些影响因素作了理想化假设，与实际结果有些许差别，需要进一步优化完善模型和计算方法。

2 传热模型的建立与数值模拟计算

在传热模型研究方面，邢晓凯[6]等分别建立了土壤、凝油和液油能量方程，但未考虑管道各层对传热的影响，对研究结果有一定的影响；卢涛[7]等通过模拟正常输油时埋地原油管道的稳态温度场，结合边界条件对停输过程进行数值模拟求得停输温度场，但文中是通过假设原油凝固区是固相和液相的多孔介质区域，所得结果与实际有一定的偏差，需要做进一步的完善。

有关停输温降过程中析蜡潜热的处理方法有多种，早期研究者忽略蜡晶潜热对原油温降的影响，这直接影响求解原油温度场的准确性；还有一些学者将蜡晶潜热当作是一内热源，采用当量导温系数来考虑其影响；随着科学技术的发展，有学者采用实际测量含蜡原油的比热容一温度关系计算温降，将蜡晶潜热对原油温降的影响通过原油的比热容随温度的变化来反映[8]。然而，这些方法都是在一定假设的情况下建立的，所得计算结果都有些偏离实际工况，只能对实际停输温降过程进行近似计算。

含蜡原油在停输时，管内温降过程非常复杂，主要是因为存在析蜡潜热，对温度变化有一定的影响，对于相变潜热的处理，前人有很多的研究和探讨。有的学者对停输过程进行分区研究，但是分析过程太过复杂，计算起来不太方便。张园园[9]等利用Fluent软件模拟计算含蜡热油管道停输过程，将析蜡潜热转化为附加原油比热容，不需要跟踪固液相界面的移动，计算过程得到了很大的简化。

许康[10]等使用焓法方程计算埋地热油管道的停输温降并进行了详细的数学描述，在建立数学模型时将停输温降看作是二维非稳态传热问题，这与实际情况有所不同，需要进一步的研究。

焓法方程的微分形式为

式中：ρ—原油密度，kg/m3；

h—原油焓，J/kg；

K—原油导热系数，W/(m℃)；

T—原油温度，℃；t为停输时间，s。

通过采用上述方法计算的埋地原油管道停输温降与实测数据偏差不大，说明此法是可行的，且具有一定的准确性。

刘晓燕[11]等分析并研究了几种现有的关于求解停输温降的数学模型，提出了用显热容法建立了新的数学模型，用显热容法表示能量方程和传热方程，简化了计算过程，为埋地含蜡原油管道停输温降过程的研究提供了新的思路。

3 新模型的建立——显热容模型

显热容模型原理：由于架空管道里原油的相变不是严格地在某一特定的温度下发生，而是一个小的温度范围内发生[12]（如图1所示）的。所以将相变潜热看作是在这个小温度范围内有一个很大的显热容，显热容的大小由相变潜热和相变温度范围来确定[11]。

用显热容法表示凝固区原油能量方程为

图1 非纯物质相变区Fig.1 Phase transition of non pure substance

能量方程简化为

式中：ρ—原油密度；

c—原油比热容；

L—原油平均析蜡潜热；

U—原油固相率。

3.2 管壁、保温层、防水层的传热方程

式中：ρn—管道第n层材料密度；

cn—管道第n层材料热容；

Tn—管道第n层材料温度；

λn—管道第n层材料导热系数。

根据显热容法，认为模糊两区内导热系数随温度变化呈线性分布，热容量按平均法取值，且相变潜热热不随温度变化，在发生相变的温度范围内构造等价比热容与等效导热系数函数区。

原油析蜡相变的特点，决定了显热容模型更适用于原油管道停输温降过程中有关相变导热的计算。在计算时，需要考虑如何确定固相率，从理论上讲，固相率可以通过蜡晶析出率来解释，所以有必要求出析蜡量与温度间的定量关系，计算出管内原油的结蜡状况的定量结果，但这个过程的研究与求解目前是一个难点，分析过程相对比较复杂，因此，显热容模型目前仍处于理论研究阶段，运用到实际工况计算中还需要进一步深入研究和探讨。

4 结 论

当前对于埋地含蜡原油管道停输温降的研究方法依然比较单一，大多采用数值计算的方法，对于处理停输后管内原油析蜡相变传热问题大多数学者使用分区建立数学模型，计算过程不够简化。对于显热容法处理这类问题，尚不够完善，仍然在理论研究阶段，还没人运用到埋地含蜡原油管道以及海底管道的停输温降研究中，仍需要进一步深入研究，得到更精确地结果，为埋地含蜡原油管道的停输温降过程的研究提供更多简便的方法。

［1］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.

［2］李伟，张劲军,等.埋地含蜡原油管道停输温降规律[J].油气储运，2004,23(1):4-8.

［3］杜明俊,等：冻土区埋地热油管道停输温降数值模拟[J].天然气与石油，2010，28(4):55-57.

［4］刘刚，张国忠,等.热含蜡原油管内停输温降计算[J].中国石油大学学报，2010，34（5）:136-140.

［5］杨晶，赵兴民,等.热油管道停输温降过程的数值模拟[J].科学技术与工程，2011,11（16）:3797-3780.

［6］邢晓凯,等.，埋地热油管道停输再启动过程研究[J].石油规划设计，2000,11(5):21-23.

［7］卢涛，姜培学.埋地原油管道停输期间温降及原油凝固传热模型及数值模拟[J].热科学与技术，2005,4（4）:299-303.

［8］祖耀.埋地输油管道中热油温度场数值模拟.南充：西南石油大学硕士学位论文，2003.

［9］张园园.利用FLUENT软件模拟计算含蜡原油管道的停输温降过程[J].管道技术与设备，2009(06):1-4.

［10］许康,等.采用焓法方程计算埋地管道含蜡原油停输温降[J].石油大学学报，2009，29（1）:84-88.

［11］刘晓燕，王海燕,等.热油管道停输介质温度分布数学模型分析与新模型的建立[J].科学技术与工程，2010,10（28）:6874-6877.

［12］王海燕.停输介质径向传热研究[D].大庆：东北石油大学，2011.

［13］韩善鹏，等. 管道蜡沉积模型中扩散系数的研究［J］.当代化工，2014, 43（10）：2178-2180.

Research Progress in the Shutdown Temperature Drop of Buried Wax Oil Pipelines

CHEN Shun-jiang , WANG Wei-min, DONG Shan-shan
（Department of Oil&Gas Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China）

New research progress in shutdown temperature crop of buried wax oil pipelines in China was introduced. Influence of latent heat of wax precipitation during the shutdown on crude oil temperature field was discussed as well as the necessity of dealing with solidification latent heat. Based on the heat transfer theory, a new mathematical model was established with the method of apparent heat capacity. The temperature drop of hot oil pipelines is a common phenomenon in oil pipelines, research on the temperature variation of wax oil pipelines will provide some theoretical references for scientific design and economic-safe running of oil pipelines.

waxy oil pipeline; shutdown; temperature variation ; apparent heat capacity method; new progress

TE 832

A

1671-0460（2014）11-2299-03

2014-05-15

陈顺江（1990-），女，湖北黄冈人，辽宁石油化工大学油气储运专业在读硕士，研究方向：油气储运技术研究。E-mail：1068cjx@163.com。