寒区输油管道正反输温降规律分析

周刚 张伟 杨林 等

摘 要：采用SPS仿真软件建立寒区埋地热油管道的正反输仿真模型，对正反输送工艺的温降变化进行仿真。分析正反输运行时沿线油温随时间变化规律，首站油温随时间变化规律及不同时刻加热后的油头在管道中流动时的温降变化规律。仿真结果分析表明，反输开始后，反输首站油温先迅速降低后升高，最后达到稳定，且反输运行温降变化在20h左右达到稳定；对于保温管道，反输最低温度出现在冷油头到达首站时，在制定正反输运行方案时需特别注意。通过运用SPS软件对埋地热油管道正反输温降分析，可对以后制定正反输运行方案具有一定指导意义。

关 键 词：寒区；输油管道；正反输；SPS仿真软件；温降

中图分类号：TE 832 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2016）03-0542-03

Abstract： Pipeline simulation software SPS was adopted to establish the simulation model of right and reverse transportation of buried oil pipelines in cold region. The law of the temperature drop during the process of right and reverse transportation was analyzed， including temperature variation along pipes and in initial station over time， and temperature drop variation when oil head floating after heating at different moments. The simulations suggest that oil temperature in initial station drops rapidly and then increases when reverse transportation beginning， keeps stable finally. The temperature variation during reverse transportation is little after 20 h. The lowest temperature of insulated pipeline during reverse transportation appears as cold oil head reaches to initial station. Analysis of the temperature drop during the process of right and reverse transportation of buried hot oil pipeline based on SPS has guiding significance to make the plan of right and reverse transportation in future.

Key words： Cold region；Oil pipeline；Right and reverse transportation；SPS；Temperature drop

目前国内大部分油田已处于开发中后期，尤其是大庆油田、呼伦贝尔油田等寒区油田，油田产能下降，导致原油管道处于低输量运行状态。由于寒区原油具有高凝点、高含蜡、高粘度的“三高”特点，低输量运行会使管道温降增大，凝管概率大大升高[1]。正反输送工艺是解决低输量运行的一种有效方法[2-3]，本文运用油气管道仿真软件SPS[4]建立寒区输油管道的正反输仿真模型，对正反输过程的温降规律进行仿真，并对反输运行时的温降进行分析。

1 SPS软件简介

（Stoner Pipeline Simulator）SPS能够对管道输送的单一种流体，批次流体或单相混合流体进行模拟，是先进的瞬态水力模拟软件。SPS通过计算流量、压力、密度、温度和其它一些沿管线随时间变化的变量来建立复杂的数学模型，以此来对复杂的工况调节进行实时仿真，是国内外公认的高精度长输管道工艺仿真计算软件，已经在国内秦京线[5]、乌兰线[6]等多条管道中成功得到应用。

2 正反输运行模型的建立

2.1 基础仿真参数

东北某原油管道全长39.5 km，管径DN200，全线设有首站、末站，输送介质为原油，末站压力为0.3 MPa。根据现场正反输运行方案，正输运行时首站温度为82℃，输量为80 m3/h，反输运行时末站温度为75 ℃，输量为97 m3/h，正输切反输操作流程按80 min计算。管道、环境相关参数及沿线高程示意图如表1和图1所示。

2.2 正反输送工艺模型建立

假设条件：在现场实际运行中，正反输送工艺流程切换需进行大量设备操作和流程切换，由于复杂的流程切换主要是为了保证正反输切换过程的安全性，本文在运用SPS进行仿真模拟时将正反输送工艺切换流程进行简化，在MODEL BUILDER中建立简化后的正反输送模型如图2所示。

将管道高程-距离曲线及相关参数输入到软件中，正反输送温降计算选择TRANSTHERMAL传热计算模型，土壤边界选择等效圆筒模型边界。

3 正反输运行温降规律分析

3.1 正输运行及正输切反输过程中沿线温度变化

在相关参数输入及模型建立以后，首先需要对模型进行正输稳态运行仿真。将多组现场运行实测数据输入软件，在INTRAN文件中编写正输控制程序，使正输达到稳态运行，通过INGRAF文件编写相关程序将计算结果在OUTGRF中进行输出。

在INTRAN文件中编写正输切反输流程控制程序，为了避免水击造成压力波动过大现象出现，缓慢依次关闭阀B1，阀B3，并依次打开阀B4，阀B2，切换到反输运行状态。，正输稳态运行及正输切反输过程管道沿线油温变化仿真结果如图3所示。

由表2分析可知，由于管道保温层具有很好的隔热作用，阻碍了管道中存油向周围土壤的散热，使得正输稳态运行与正输切反输流程结束后的管道沿线油温变化不大。

3.2 反输运行冷油头及沿线温度变化

正输切反输过程结束后，进入反输运行状态，反输运行模型的初始条件为正输切反输过程结束后的管道沿线油温，周围土壤温度为稳定运行时所建立的土壤温度场。反输运行油温随时间变化仿真结果如图4所示。由图4，通过分析整个反输运行过程中管道各距离处每一时刻管内原油沿线油温随反输运行时间的变化可知，反输开始后冷油头反向推进，最终冷油头到达首站处的温度要低于正输时的末站温度，这是由于管道保温层的隔热特性引起的，反输时保温层隔绝了土壤向冷油头传热，使冷油头在管道输送过程中没有出现温升现象，反而出现了进一步的温降。

另外，反输开始后末站油温与土壤温度之间的温差较大，出现较大的温降梯度使油温迅速降低，随着运行时间的积累，由于热油头在管道不断向前推移，出现温降梯度较大的管段部分也随之向前推移，同时，不断有新的热油头对周围土壤进行传热，进而使热油头与土壤之间的温差减小，最终在20 h左右反输运行管道内油温达到稳态。

3.3 反输首站油温分析

反输首站油温随时间变化仿真结果如图5所示。

由图5分析可知，反输开始后，首站附近处存留的原油温度较高，与土壤温差较大，使首站处油温迅速下降，当管内全部存油排出管道时，首站油温达到最低点，这也是正反输送整个过程中出现的最低油温点，是需要特别注意的。之后，随着热油不断经过首站，使首站处油温不断升高，最终在20h左右首站油温达到稳定状态。

3.4 加热后的末站原油在管道中的温度变化

不同时刻加热后的油头在管道中流动时的温降变化过程如图6所示。

由图6分析可知，0 h末站的热油头油温较高，而由于正输结束时此处的土壤温度较低，使末站热油头油温迅速下降，将热量传递给周围土壤系统，使周围土壤温度升高，进一步使下一时刻的热油头与周围土壤之间的温差减小，由此验证了之前温降分析的准确性。最终在5 h时的热油头流过管道时油温变化趋于稳定，由于模拟反输流量为97 m3/h，经计算热油头需要15 h左右流经整个管道，这与前述所分析的反输运行20 h左右达到稳定是一致的。

4 结论与建议

（1）运用SPS仿真软件构建正反输送工艺仿真模型，对正反输送工艺的管道油温温降变化进行仿真。

（2）通过对正反输运行时沿线油温随时间的变化进行分析，得出反输开始后，所选管道在20h左右达到稳定运行，且对于保温管道，最低温度出现在冷油头到达首站时，制定反输方案时需特别留意。

（3）通过对反输首站油温随时间的变化进行分析，得出反输首站油温先降低再升高，最后达到稳定的温降规律。

（4）通过分析加热后油头在管道中温度变化，得出反输时，热油头对周围土壤系统进行传热的规律，进一步验证了之前温降分析的准确性，并对寒区输油管道制定正反输送运行方案提供一定指导。

参考文献：

[1]董有智，吴明，缪娟，王昆，赵名师，刘宝明，吴东旭. 低输量运行管道的不稳定性分析[J]. 管道技术与设备，2007，02：15-16+19.

[2]戢运波. 原油管道低输量运行影响因素分析与优化措施[J]. 长江大学学报（自科版），2013，25：101-103.

[3]马伟平，李立，徐海红，等. 任京输油管道加降凝剂正反输运行规律研究[J]. 油气储运，2006，02：27-30+62+3+2.

[4]Advantica. Stoner Pipeline Simulator（SPS）9.7.2[R].2009

[5]熊辉. 原油管道仿真系统的开发[D].青岛：中国石油大学，2010.

[6]霍连风. 顺序输送管道调度计划动态模拟研究[D].成都：西南交通大学，2006.