埋地热油管道投产运行规律探讨与浅析

娄 晨，林 棋

（中国石油大学（北京）油气管道输送安全国家工程实验室，北京 102249）

埋地热油管道投产运行规律探讨与浅析

娄 晨，林 棋

（中国石油大学（北京）油气管道输送安全国家工程实验室，北京 102249）

为了掌握原油管道投产运行规律，探讨了埋地热油管道投产过程中管内介质温度以及管外土壤温度场的变化规律，并分析土壤导热系数、输量对管内介质和管外土壤温度场的影响，并对不同预热方式进行浅析比选。结果表明：土壤导热系数和管道输量是埋地热油管道投产过程的主要影响因素;闷管预热的能量利用率最高，正向预热效果最好。

埋地热油管道；投产；预热；温度；探讨

近些年我国管道行业的迅速发展，西部原油管道、苏丹原油管道、中俄、中哈及中缅管道等一系列国内外大型管道工程建成投产。“十二五”期间，随着国家战略能源通道的建设，还将有大批原油管道工程建成并投入生产运行。这些原油管道工程中，有很大一部分是加热输送的原油管道。这些热油管道的安全、稳定运行，对于保障国家能源安全具有重要意义。作为由建设施工转入生产运行的关键阶段，热油管道的投产过程对于检测管道的设计和施工质量具有重要意义。一个完整的预热投产过程由预热和介质置换两部分组成，对于埋地热油管道而言，原油的输送温度是决定管道安全、经济运行的关键［1］。

1 原油管道预热投产概述

1.1 预热方式

在投产过程中，不同于等温输送的原油管道，热油管道及土壤温度场始终处于瞬态，是一个双耦合问题（介质流动与传热耦合、介质换热与土壤导热耦合），任何事故或计划停输都将增大凝管风险。原油管道预热过程涉及介质和土壤两个热力问题。对于介质主要采用热力特征线法和有限差分法；对于土壤主要采用半经验公式法、有限差分法、有限元法、边界元法和有限容积法[2]。

预热目的是建立一个符合管道运行要求的土壤温度场，以满足管道安全运行的要求。满足要求的预热方案有很多种，从安全、经济的角度，存在一个较为优化的方案[3]。在埋地原油管道的预热方式中，主要有以下五种方法：(1)正向预热：从管道起点注入预热介质进行预热，当进站温度和管道沿线温度场基本稳定后，从管道起点进行投油再转入生产运行；(2)反向预热：从管道末点注入预热介质进行预热，当管道起点位置温度和沿线温度场基本稳定后，从管道起点进行投油再转入生产运行；(3)“闷管”：首先从管道起点注入预热介质，预热一段时间后，全线停输，使热量通过自然对流的方式由预热介质传递到管壁，再由管壁通过导热传递到土壤中，达到预计停输时间后，再转入投油运行；(4)正反向预热：首先从管道起点注入预热介质，预热一段时间后，改向管道末点注入预热介质对管道进行预热，满足设计预热时间后，再由管道起点位置向管道内投油运行；(5)反正向预热：与正反向预热方式相反，投油生产运行过程相同。

1.2 基本方程

管内介质的连续性方程、动量方程和能量方程：

由基本方程组得到介质与管壁的换热方程、管壁和防腐层的导热方程及管道周围土壤的导热方程：

式中：τ—时间，s；

Z—距管道起点的距离，m；

ρ—管内介质在截面处的平均密度，kg/m3；

V—管流介质的平均速率，m/s；

A—管道的截面积，m2；

g—重力加速度，m/s2；

α—管道轴向与水平方向的夹角；

P—介质在截面处的平均压力，Pa；

f—达西摩阻系数；

D—管道有效流通截面的直径，m；

u—管内介质比内能，J/kg；

s—相邻单元间的高程差，m；

h—管内单位质量介质的比焓，J/kg；

q—管内介质与单位面积的管壁在单位时间内的热交换量，W/m2；

Cp—管内介质的定压比热容，J/(kg∙℃)；

T—管内介质温度，K；

β—管内介质的膨胀系数，K-1；i

ρ —第 i层的密度，kg/m3；

Ci—第 i层的比热容，J/(kg∙℃)；

Ti—第 i层的温度，℃；

r —径向位置，m；

θ—环向弧度；

Cs—土壤的比热容，J/(kg∙℃)；

Ts—土壤的温度，℃；

x—距离管道中心竖直截面的横向距离，m；

y—距离地表的纵向深度，m。

2 运行规律分析

建立如下埋地热油管道站间计算模型：管道规格 mm，站间距 120 km，预热介质为水，管壁导热系数及地表对流换热系数分别为 48 W/(m∙℃)、20.6 W/(m∙℃)，土壤密度 2225 kg/m3，土壤导热系数 1.4 W/(m∙℃)，土壤比热容 1 085 J/(kg∙℃)，油品密度 864 kg/m3（凝点为 20 ℃）。

2.1 土壤、预热及输送介质温度变化规律

基于正向预热方式，对上述模型进行计算（预热 96 h、投油 96 h），分析各参数的变化规律。

由图 1（a）可得：预热 24 h 后热水头到达管道末端，管道末点介质温度接近管道中心埋深处的自然地温。随着预热过程的推进，预热介质不断向管道周围土壤放热，土壤温度升高，管道内介质的热损失也不断减小，温度不断升高，温升速率也不断减小；预热介质沿线温度稳定后，向管道中投油置换预热水。

图 1 正向预热算例-计算结果Fig.1 The calculated results of preheating process

如图 1（b）介质置换过程完成后，管道前半段油品的温度会小幅上升，而后半段油品的温度则会显著降低，直至管道介质及周围土壤的换热重新达到稳定；由图 1（c）可得：各点轴向位置的介质温度变化规律是一致的。随着距离的增加，介质温度发生突变的时刻也有所推移，且其变化更趋于平缓。这是因为随着距离的增加，介质温度显著降低，其与周围土壤换热的强度也不断减弱（介质温度突变滞后的时间即为介质从上游位置流动到下游位置所用的时间）；由图 1（d）可得：各土壤监测点的温度要显著低于同时刻管内介质的温度，与管壁距离较近的土壤监测点（0.5 m）温度呈现出与管内介质温度类似的变化规律，但存在一定的滞后性，主要是由于土壤导热；随着与管壁之间距离的增加，土壤监测点温度受管内介质温度变化的影响逐渐减小，土壤蓄热主要发生在管道附近区域。

2.2 影响因素分析

2.2.1 土壤导热系数

从图 2（a）中可以看出，随着土壤导热系数的增大，预热结束后管道沿线原油温降幅度增大。此外，还可以看出管道前半段的温降速率也随着土壤导热系数的增大而增大。因为埋地热油管道周围的土壤可以视为一种广义上的“保温层”。土壤导热系数越低，“保温层”的保温效果越好，管内介质的热损失也越小。管道终点处管内介质温度随时间的变化如图 2（b）所示，在不同土壤导热系数下，介质温度均会在一定的时间延迟后急剧升高，然后渐渐趋于定值；预热结束投油运行后，介质温度会首先降低，然后逐渐趋于定值。正向预热时介质升温所滞后的时间即为介质从管道起点流动到监测点所在位置所需要的时间，而管道投油后监测点介质温度下降是由于原油的比热容显著小于水所造成的。并且，土壤导热系数越大，监测点处正向预热和投油运行的平衡温度均越低。

土壤导热系数小幅上升将会使管道投油运行后全线温度大幅降低，说明土壤导热系数是埋地原油管道投产过程中的一个敏感变量，其数值的准确性对计算结果的影响较大。因此，分段精确测定管道沿线的土壤导热系数对于管道投产工作的顺利开展是非常必要的。

图 2 土壤导热系数对预热投产的影响Fig.2 Influence of soil heat conductivity in preheating process

2.2.2 管道输量

从图 3（a）中可以看出，随着输量的增大，预热结束后管道沿线原油温度分布趋于平缓，温降幅度减小。这主要是由于输量增大后，管内介质的流速增大，单位体积的介质与管壁的换热强度降低，单位体积的介质向周围土壤散失的热量下降，使得进站油温升高。在管道终点处管内介质温度随时间的变化如图 3（b）所示，可以看出，随着输量的增加，各监测点处温度拐点的出现时间均有所提前。这主要是因为介质流速增加，流过相同的距离所需的时间缩短。此外，还可以看出，管道沿线不同位置处由于输量不同产生的介质温差随着里程的增加而增加。由此说明，在实际投产过程中，若加热炉功率一定，优选并适度增大输量将对提升预热效果起到积极作用。

图 3 管道输量对预热投产的影响Fig.3 Influence of throughput in preheating process

2.3 预热方式比选

正向预热及反向预热时间均为 96 h，正反向及反正向的预热时间均为正向预热 48 h、反向预热 48 h，闷管预热时间为 48 h，再停输闷管 48 h；五种预热方式的投油时间均为 96 h。由此进行预热方式比选。

由图4可得：由于不同预热方式预热介质的有效传热位置不同，原油将管内预热介质置换完成时，不同预热方式的沿线油温分布差别较大；随着投油时间延长，管道沿线土壤温度分布将逐渐趋于运行稳定后管道沿线的土壤温度分布，使得不同预热方式下沿线油温分布的差异逐渐缩小。可以看出，管道投油运行96 h后，正向预热的整体油温分布最高，反向预热整体油温分布最低，“闷管”、反正向输送以及正反向输送依次位于两者之间。

由图5可得：由于预热介质输送方向不同，在预热过程的前 48 h，管道上游位置正向预热、正反向预热以及“闷管”三种预热方式的管内介质温度高于反向预热和反正向预热的管内介质温度；管道下游位置则表现出相反的趋势。在正反向预热和反正向预热调换介质输送方向后，管道上游位置反正向预热的管内介质温度开始显著升高，正反向预热的管内介质温度开始显著下降；管道下游位置仍表现出相反的趋势。 “闷管”方式在管道停输后则表现为全线温度下降。

由表1可得：不同预热方式的管道沿线土壤蓄热量不尽相同。预热结束时刻，正向预热和反向预热的土壤蓄热总量最大，“闷管”的土壤蓄热总量最小，正反向预热和反正向预热的土壤蓄热总量相等，并位于两者之间[7]；投油运行 96 h 后，土壤蓄热总量由大到小依次为正向预热、反正向预热、反向预热、正反向预热和“闷管”。

图 4 投油 96h 后管道沿线原油温度分布Fig.4 Oil temperature along the pipeline at 96h after preheating

表1不同预热方式土壤总蓄热量值Table 1 Total soil thermal storage along the pipeline in different preheating plans

3 结 论

（1）通过所建计算模型，以正向预热为例，探讨了原油管道预热投产过程中管内介质温度的变化规律以及管外土壤温度场的变化规律；

（2）分析了土壤导热系数及管道输量对管道投产的具体影响，发现土壤导热系数是原油管道投产热力过程的一个敏感变量，其数值的准确性对计算结果的影响较大；管道输量对预热效果的影响较大，预热过程中应优选并适度增大输量；

（3）对正向预热、反向预热、正反向预热、反正向预热及“闷管”五种预热方式进行了比选研究。研究发现，正向预热的预热效果最好，“闷管”的能量利用率最高，经济性最好；

（4）下一步可结合现场管道的投产运行数据，验证本文的理论计算结果，从而使得理论与实验相互统一。

［ 1］ 崔 岩 .原 油 长 输 管 线 投 产 运 行 参 数 控 制 与 判 断 .油 气 田 地 面 工程,2010,29(8):53-54.

［2］ B.M.阿卡帕金,Б.Л.克里沃舍因,В.А.尤芬著.罗塘湖译.原油和油品管道的热力与水力计算.北京:石油工业出版社,2006:234-244.

［3］王凯,张劲军,宇波.原油差温顺序输送管道温度场的数值模拟研究.西安石油大学学报(自然科学版),2008,23(6):63-66.

［ 4］ 王 昆,王 东 生 ,孙 超.埋 地 热 油 管 道 正 向 预 热 过 程 的 计 算 .油 气 储运,2010,29(1):25-27.

［ 5］ 毛 珊 ,王 欣 然,宇 波 .原 油 管 道 YOYO 系 统 流 动 安 全 性 .油 气 储运,2012,31(5):345-348.

［6］李长俊,骆建武,陈玉宝.埋地热油管道启输热力数值模拟 .油气储运,2002,21 (12):35-38.

［7］ Yu B, Li C, Zhang Z et al. Numerical simulation of a buried hot crude oil pipeline under normal operation. Applied Thermal Engineering, 2010, 30(17-18):2670-2679.

Discussion and Analysis on Commissioning of Buried Heated Crude Oil Pipeline

LOU Chen, LIN Qi
（National Engineering Laboratory for Pipeline Safety, China University of Petroleum, Beijing 102249, China）

In order to master the law of commissioning and operation of crude oil pipeline, the change laws of media temperature in the pipeline and soil temperature around the pipeline during commissioning of buried heated crude oil pipeline were discussed. The impact of soil heat conductivity, throughput to the thermodynamic characteristics of media inside the pipeline as well as the soil around the pipeline was analyzed. Then the performance of different preheating ways was compared. The results show that soil heat conductivity and pipeline throughput are two critical variables in the preheating commissioning of heated crude oil pipelines, the preheating of stuff tube has the highest energy efficiency, the forward preheating is the best in preheating effect.

Buried heated crude oil pipeline; Commissioning; Preheating; Temperature; Discussion

TE 832

： A文献标识码： 1671-0460（2014）07-1357-04

2014-03-19

娄 晨 （ 1990-）， 女 ， 中 国 石 油 大 学 （ 北 京 ） 油 气 储 运 专 业 在 读 研 究 生 ， 研 究 方 向 ： 长 输 油 气 管 道 仿 真 计 算 。 E-mail：louchen1990@petrochina.com.cn。