冷热原油交替输送土壤温度场重建研究

丁晋晋， 刘德俊， 唐绍猛， 任 帅， 于 欢

(1.辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001；2.中国石化股份有限公司金陵分公司 油品储运部，江苏 南京 210033；3.内蒙古西部天然气管道运行有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯017000；4.安徽实华工程技术股份有限公司 宁波分公司，浙江 宁波 315000)

冷热原油交替输送土壤温度场重建研究

丁晋晋1,2， 刘德俊1， 唐绍猛1， 任 帅3， 于 欢4

(1.辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001；2.中国石化股份有限公司金陵分公司 油品储运部，江苏 南京 210033；3.内蒙古西部天然气管道运行有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯017000；4.安徽实华工程技术股份有限公司 宁波分公司，浙江 宁波 315000)

建立冷热油输送管道的土壤截面模型，利用CFD软件模拟夏冬季节冷热原油交替输送土壤温度场的变化情况，以及再次改输热油时温度场的重建情况。模拟结果表明，冬季改输冷油后热油管道形成的温度场120 h基本被破坏；夏季改输冷油后热量消耗缓慢，由于地温较高，可继续对冷油放热，温度场不能完全被破坏。当冬季土壤温度场被破坏，再次输送热油时，需要提高热油温度，以保证输送安全。以长吉输油管线冬季情况为例，输冷油240 h后土壤温度场完全被破坏，再次输送热油时，将出站热油提高到53 ℃，输送30 h后，即可以恢复到先前的稳定热油温度场。在实际输送过程中，可以把交替输送中的温度场变化作为确保输送安全的参考依据之一。

交替输送； 土壤温度场； 温度场破坏； 温度场重建； 输送安全

冷热原油顺序输送是高、低凝点原油顺序输送的主要方式。输送温度周期性变化，当输送热油时，对土壤有加热过程，土壤在一定的范围内蓄热；当改输冷油时，输送热油时土壤蓄积的热量对冷油有加热的过程，破坏热油管道形成的温度场；再次改输热油后，温度场重新被建立。所以，随着冷热油的交替输送，管道和周围的土壤形成一个周期性的温度场。影响温度场的因素有地表温度、土壤性质、原油输送温度、输送流态、管壁性质和埋地深度等[1-2]。

国内外很多学者通过数值计算的方法研究了热油管道土壤温度场的变化[3-9]。施雯等[10]针对物理特性差别较大的多种原油在相同管道中顺序交替输送的问题进行了分析研究，并在此基础上提出了土壤温度场模型和原油顺序输送时所产生的非稳态温度场的模型；杨云鹏、鹿广辉等[11-12]对冷热输送埋地管道的土壤传热进行了研究，通过建立土壤蓄热模型，利用CFD模拟软件，针对不同工况进行模拟，得出了输送过程中土壤蓄热和交替过程中温度场的变化以及温度场漂移的规律。

本文从冷热原油交替输送过程中土壤温度场的变化以及温度场的重建角度出发，利用CFD软件模拟了不同季节温度场变化情况，并以冬季条件为例，模拟再次改输热油时温度场重建所需要的条件，以期为冷热油交替输送安全提供理论支持。

1 模型的建立

1.1 模型及网格划分

埋地管道和土壤形成一个半无限大环境，但是热油管道的热力影响有一定的范围。当管道外径D<1 m时，热力影响区域的范围不超过10 m[13]。以长吉输油管线某段管道进行实例计算，管道外径为508.0 mm，壁厚为6.4 mm，管道埋地深度为1.5 m。因此，建立深10 m、宽10 m的模型满足计算要求。在建模过程中，考虑到计算区域具有对称性，设置了对称边界条件以减少网格数量，加快计算速度。建立5 m×10 m的计算区域，计算区域的网格模型如图1所示。网格划分采用非结构三角形网格，为了提高管道附近传热的模拟效果，在管道周围进行局部网格加密。

图1 计算区域的网格模型

1.2 控制方程和边界条件

热传导方程：

(1)

式中，ρ为密度，kg/m3；c为比热容，J/(kg·℃)；λx、λy、λz为分别为x、y、z方向的导热系数，W/(m·℃);T为温度，℃；t为时间，s；qi为内部热源密度，W/m2。

边界条件如下：

(1)绝热边界。在x=5 m处，界面与外界不进行换热。

(2)

(2)换热边界。在管道外径和y轴处进行热量交换。

(3)

(4)

式中，r为管道的外半径，mm；λd为管壁当量导热系数，W/(m·℃)；Td为管壁温度，℃；α1为油品与管壁的换热系数，W/(m2·℃)；Ty为原油温度，℃；λs为土壤导热系数，W/(m·℃)；α2为土壤与大气的换热系数，W/(m2·℃)；Tair为大气温度，℃。

(3)恒温边界。在y=10 m处，界面温度恒定。

T=const，y=10m

(5)

1.3 物性与相关参数设置

在本算例中，大庆油出站温度为42.0 ℃，进站温度为35.7 ℃，模拟进站截面土壤温度，热油温度场形成后，改输俄油的温度为10.0 ℃。如图1所示网格模型的顶端边界为地面，设为对流换热边界，与大气进行对流换热，对流换热系数α2=16.5 W/(m2·℃)；底端边界为土壤的恒温层，设恒温边界；左边为对称边界；右边为热力影响区末端，设为绝热边界；管壁设置为油品与管壁对流换热，换热系数α1=120.0 W/(m2·℃)。土壤密度ρs=1 455 kg/m3，土壤导热系数λs=1.5 W/(m·℃)，比热容cs=2 225 J/(kg·℃)。设置地表温度：夏季为25.0 ℃，冬季为-10.0 ℃，恒温层温度为10.0 ℃。

2 模拟结果与分析

季节因素对冷热顺序输送的影响主要体现在大气环境温度，夏季和冬季的大气温度相差比较大，环境温度对管道的作用也不尽相同。

2.1 输送热油时的温度场

输送热油一段时间后，夏冬季节输送热油进站截面土壤温度场在自然温度场和热油温度场的共同作用下，土壤温度场逐步稳定并达到平衡，土壤蓄热达到最大。夏季和冬季输送热油时的温度场如图2所示。由图2可以看出，热油管道形成的高温温度场主要在热油管道附近，管道上下两侧的热力分布并不均匀。这是因为：管道上侧靠近地表，土壤与大气进行对流换热，热量散失比较严重，导致热力影响带比较窄。对比夏冬两季的温度场可以发现，由于地表温度不同，热量散失程度也不同，夏季热力影响区域大于冬季。

(a) 夏季 (b) 冬季

2.2 改输冷油时的温度场

夏季和冬季改输冷油10、40 h的温度场云图如图3所示。

10 h 40 h

10 h 40 h

(b) 冬季

图3 夏季和冬季改输冷油10、40 h的温度场云图

随着冷油的持续输送，冷油从土壤吸收热量，输送热油时形成的温度场开始被破坏。由图3可知，输送冷油时温度场只在一定范围内发生改变，也从侧面验证了热力影响区的假设是正确的；冬季大气温度低，不断进行对流热交换，管道上方温度散失速度比管道下方更快，而夏季大气温度高，上下散热则较均匀。

将模拟的数据导出，由于网格和数据量比较大，本文只导出模型沿x方向不同输送时间的数据，用Origin软件绘制折线图。夏季和冬季改输冷油x方向的温度变化曲线如图4所示。

(a) 夏季

(b) 冬季

从图4可以看出，季节因素对改输冷油后温度场的破坏影响很大；冬季改输冷油120 h后，热油温度场被破坏殆尽，而夏季在改输冷油120 h后，虽然热油温度场被破坏一部分，但由于土壤温度高，冷油仍然从土壤吸热，温度场不能被完全破坏。

2.3 再次改输热油时的温度场

土壤温度场被破坏后再次改输热油时，需要提高热油温度，以满足安全需求。以热油进站温度45.0 ℃为例，模拟冬季再次改输热油温度场。热油进站温度为45.0 ℃、改输时间为30 h的土壤温度场如图5所示。当进站热油温度为45.0 ℃时，通过反算得出，达到出站温度53.0 ℃所需的输送时间约为30 h，此时可恢复到开始时热油温度场的蓄热量。

3 结 论

(1)在冷热顺序输送过程中，当先行热油输送时，在一定范围内形成的土壤蓄热、温度分布与大气环境有关。冬季大气温度较低，与地表形成强烈的对流场，管道上方热量散失多，等温线上密下疏，热力影响区形成上窄下宽的近似圆环型。

(2)冬季改输冷油后，温度场的蓄热作用开始体现，对冷油输送有加热过程，热油管道形成的热油温度场开始遭到破坏，120 h后热油温度场基本被破坏，蓄热消耗殆尽。对比冬季，夏季改输冷油后热量消耗缓慢，改输120 h后，先前的热油温度场的蓄热被消耗，但是因为夏季地温较高，可继续对冷油放热，所以高温温度场不能被完全破坏。

(3)当土壤温度场被破坏，再次输送热油时，需要提高热油温度，以保证热油安全。

在实际输送中，可把交替输送中的温度场变化作为参考依据之一，合理安排冷热油的加热温度和交替输送的时间，确保输送安全。

图5 热油进站温度为45.0 ℃、改输时间为30 h的土壤温度场

[1] 杨筱蘅.输油管道设计与管理[M].北京：石油工业出版社，2006：202-203．

[2] 吴玉国.冷热原油顺序输送技术研究[D].青岛：中国石油大学(华东)，2010.

[3] 王常斌，赵月，贾雪松，等.热油管道温度场的数值模拟[J].管道技术与设备，2011(3)：9-12.

[4] 崔秀国，董学彦，张志斌，等.津华管道冷热油交替输送工艺应用研究[J].石油化工高等学校学报，2015，28(6)：87-92.

[5] 王琪，马贵阳，孙楠.冷热原油交替输送管道周围土壤温度场的数值模拟[J].辽宁石油化工大学学报，2009，29(3)：44-47.

[6] Yu B，Yu G J，Cao Z Z，et al.Fast calculation of the soil temperature field around a buried oil pipeline using a body-fitted coordinates-based POD-Galerkin reduced-order model[J].Numerical Heat Transfer Applications，2013，63(10)：776-794.

[7] Pei G H，Han D X，Leng J.Numerical simulation for temperature variability of the stable transported hot oil pipeline[J].Advanced Materials Research，2012，502：386-391.

[8] 周立峰，宁军，吴玉国.导热系数对管道周围土壤温度场的影响[J].当代化工，2013，42(8)：1194-1197.

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

[10] 施雯，吴明.冷热原油顺序输送过程不稳态传热问题的研究[J].油气田地面工程，2008，27(12)：16-17.

[11] 杨云鹏，刘宝玉，张玉廷，等.冷热原油顺序输送温度场波动规律[J].辽宁石油化工大学学报，2013，33(1)：53-56.

[12] 鹿广辉，张冬敏，于达，等.冷热原油交替输送的传热过程研究[J].油气储运，2007，26(4)：14-16.

[13] 林名桢，李传宪，杨飞.管道埋深对稳定运行热油管道热力特性的影响[J].石油化工高等学校学报，2008，21(3)：63-67.

(编辑 宋锦玉)

Study on Temperature Field Reconstruction of Cold and Hot Crude Oil Transportation

Ding Jinjin1,2， Liu Dejun1， Tang Shaomeng1， Ren Shuai3， Yu Huan4

(1.CollegeofPetroleumEngineering，LiaoningShihuaUniversity，FushunLiaoning113001，China； 2.DepartmentofOilStorage，SinopecJinlingPetrochemicalCorporation，NanjingJiangsu210033，China； 3.InnerMongoliaWesternNaturalGasPipelineCorporation，EerduosiInnerMongolia017000，China； 4.NingboBranch，AnhuiShihuaEngineeringandTechnologyCorporation，NingboZhejiang315000，China)

The soil section model of cold and hot oil pipelines was established and the CFD software was used to simulate the variation of soil temperature field in summer and winter and soil temperature field reconstruction. The results showed that the hot oil temperature field was destroyed after 120 h after changing to transport cold oil in winter. In summer, the process was slow due to the ground temperature high and the temperature field could not be completely destroyed. When the accumulation of heat was destroyed in winter, the temperature of the hot oil need be raised to ensure the safety of transporting. Taking the example of Changchun to Jilin pipeline in winter, the accumulation of soil heat was completely destroyed after transporting 240 h cold oil .When it was changed to hot oil, the out-station temperature would be increased to 53 ℃ and transport 30 h, which could return to previously stable oil temperature field. In actual, the results could be used as a reference to ensure the transportation safety.

Alternate transportation； Soil temperature field； Temperature field failure； Temperature field reconstruction； Transportation safety

1672-6952(2017)01-0034-04

投稿网址：http://journal.lnpu.edu.cn

2016-06-27

2016-08-29

丁晋晋(1990-)，男，硕士研究生，从事原油顺序输送方面的研究；E-mail：530039052@qq.com。

刘德俊(1967-)，男，硕士，副教授，从事原油及成品油管道输送技术研究；E-mail：ldj8448@163.com。

TE832.2

A

10.3969/j.issn.1672-6952.2017.01.007