冷热原油长距离顺序输送动态传热特性数值研究

青树勇代 卿郭鸿雁杜明俊崔 奇扬子宁

(1.中国石油集团工程设计有限责任公司北京分公司,北京100000;2.中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司,四川成都610000;3.中国石油集团工程设计有限责任公司华北分公司,河北任丘062552)

冷热原油长距离顺序输送动态传热特性数值研究

青树勇1,代 卿2,郭鸿雁1,杜明俊3,崔 奇3,扬子宁3

(1.中国石油集团工程设计有限责任公司北京分公司,北京100000;2.中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司,四川成都610000;3.中国石油集团工程设计有限责任公司华北分公司,河北任丘062552)

冷热原油顺序输送对土壤温度场的要求及其严格,这也是确保冷油过后,热油能否安全进站的关键。基于传热学和流体动力学,建立了埋地管道流动与传热控制方程,数值模拟了冷热原油顺序输送过程中管道沿线不同位置轴向油温及土壤温度场的动态变化过程。研究表明,随着出站油温的冷热交替周期运行,管道沿线不同位置的管内油温及周围一定范围内的土壤温度场呈现周期性变化,并存在一定的时间或空间滞后性,且对于低输量运行的管道来说,超过一定输送距离后,输送温度趋于一致;在热油-冷油交替输送过程中,热油受前端冷油的影响,热油头进站温度最低,这是管道安全运行方案应考虑的主要因素。

长输管道; 冷热原油; 顺序输送; 动态传热

随着国际石油贸易的快速发展,国内进口原油总量不断提高,炼化企业的油源也形成了多元化供给模式。与国产原油不同,进口原油多为低黏度、低凝点、流动性好的油品,与国产原油掺混加热输送显然是不经济的[1],且不同性质的原油直接掺混容易造成管内油品分层,析出沥青质,造成局部沉积,直接影响下游储炼设施的安全[2]。冷热原油顺序输送将成为今后原油管道的主要运行方式。因此,对于工程设计单位来说,开展冷热原油顺序输送工艺的技术研究至关重要。

与成品油管道顺序输送不同,冷热原油顺序输送对土壤温度场的要求及其严格,这也是确保冷油过后,热油能否安全进站的关键。目前,国内外已有部分学者对冷热原油顺序输送技术进行了较为深入的研究,并取得一定成果[3-5]。崔秀国等[6]建立了冷热原油交替输送过程非稳态水力、热力数学模型。李传宪等[7]建立了冷热原油顺序输送水力准稳态、热力非稳态数学模型,数值模拟了冷热原油交替输送过程中土壤温度场的变化规律。王凯等[8]在一定假设的前提下建立了顺序输送非稳态传热数学模型,并采用热力特征线法和有限容积法相结合的数值算法对模型进行了求解。笔者从工程设计角度出发,基于有限差分和有限单元法,研究了冷热原油顺序输送过程的动态传热特性,所得结果可为实际工程设计提供一定的理论指导。

1 数学模型

基于一维流动理论,假设管内油温在同一截面上均匀分布,仅为时间和管道轴向距离的函数。由于冷热原油的黏度差异较大,故二者交汇处假设为活塞式驱油(即不考虑混油段),通过求解连续性方程、动量方程、能量方程及流体面积方程可得出管道瞬态水力、热力参数。

建立的控制方程:

式中,A为流体面积,m2;z为管道轴向距离,m;v为轴向Z方向的流体速度,m/s;ρo为流体密度, kg/m3;t为管道运行时间,s;gc为量纲常数;p为管道内流体的压力,Pa;f为摩阻系数;h为热膨胀系数,1/℃;d为管道内径,m;U为流体的内能,J;h为流体与管内壁的对流换热系数,W/(m2·℃);T为流体温度,℃;Tk为管内壁温度,℃;A0为管道横截面积,m2;Am为面积系数;pm为压力系数;p0为密闭输送基准压力,Pa;T0为密闭输送基准温度,℃。

忽略土壤的轴向传热,只考虑径向传热。埋地热油管道的径向传热由三部分组成,即管内油流以对流方式将热量传给管道内壁,经管壁、保温层将热量传递给周围土壤,再经地表与大气进行对流换热[6-8]。这里忽略水分迁移和冰水相变(计算时采用实测的含水土壤导热系数)对土壤温度场的影响,建立的管道径向非稳态传热数学模型如下:

管内壁对流换热方程:

式中,T为流体温度,℃;λ1为油品的导热系数,W/ (m·℃);h为流体与管内壁的对流换热系数,W/ (m2·℃);Tk为管内壁温度,℃

管道壁、保温层传热方程:

式中,i=1、2分别表示钢管及保温层;ρi为第i层的密度,kg/m3;ci为第i层的比热容J/(kg·℃);Ti为各层的温度,℃;λi为第i层的导热系数,W/ (m·℃);r为径向位置,m;θ为环向弧度。

土壤导热方程:

式中,ρc为土壤的密度,kg/m3;cc为土壤的比热容, J/(kg·℃);Tc为土壤的温度,℃;λc为土壤的导热系数,W/(m·℃)。

2 数值计算及结果分析

以东北某输油管道为例,管线全长150 km,管径D406 mm×7 mm,设计压力6.3 MPa,管道中心埋深1.6 m,保温层厚30 mm,输送介质为俄罗斯原油和国产原油,输送方式为冷热顺序输送,冬季最冷月管道沿线埋深处平均地温4℃,地表环境平均温度-15℃,平均风速2 m/s。油品、土壤及保温层的物性参数见表1,油品50 s-1剪切速率下的黏温曲线见图1。

表1 油品、土壤及保温层物性参数表Table 1 Oil product,soil and insulation physical property parameter table

图1 冷热原油的黏温特性曲线Fig.1 Viscosity temperature characteristic curve of cold&hot crude oil

目前,管道处于低输量运行状态,输送流量300 m3/h,热油出站温度55℃,冷油出站温度20℃,热油头进站油温不低于18℃,顺序输送周期为8 d(即冷热原油各输送4 d)。

2.1 冷热原油顺序输送管道轴向温降变化

图2(a)给出了热油过后,输送冷油不同时刻管内轴向油温变化规律。由图2(a)可知,随着冷油的不断注入,冷油头受前端热油和周围土壤温度场的作用很快被加热。根据管输量核算,输送冷油12 h后,冷油头应到达管道29.8 km处,从轴向油温来看,此时冷油温度与输送热油时的温度基本相同,冷油被加热的现象十分明显,这主要是由于冷油出站时,前端的热油温度(55℃)较高,冷热原油温差大,传热快,加之周围土壤蓄积的热量多,进一步加快了油品的传热,使冷油前缘很快升高了一定的温度。冷油输送初期由于冷热原油接触时间短,虽然传热速率快,但传递热量有限。因此,输送初期管道轴向油温过度段变化较为剧烈。随着后续冷油的不断注入,冷油前缘继续吸收热油和周围土壤的热量,并向冷油尾端传递,被加热的冷油段不断延长,使得管道轴向油温过度段变化越来越平缓。管道输送60.3 h后,冷油头到达末站,进站油温39.9℃;此时整个管道内超过20℃的原油长度约62.5 km,进一步表明了热油及管道周围土壤温度场对冷油动态传热特性的影响。

图2 输送冷/热油时的轴向油温变化Fig.2 The axial temperature variation of hot or cold crude oil transportation

冷油输送96 h后,开始输送热油,输送热油时不同时刻管内轴向油温变化规律见图2(b)。由图2 (b)可以看出,管内轴向输送热油与输送冷油的油温变化正好相反。输送热油时,热油头不断被前端的冷油尾冷却,加之热油需要不断的向土壤散热,故热油前缘温降较快,输送12 h后,热油头到达管道29.8 km处,油温降至20.4℃。随着热油注入时间的延长,热油前缘不断向土壤散热并被冷油尾冷却降温。60.3 h后热油头到达末站,进站油温18.2℃,即冷油尾温度18.2℃。若该管道只输送热油,则进站油温39.8℃,与顺序输送热油进站油温相差21.6℃,这部分热损失主要用于加热冷油尾及向土壤散热。结合图2可知,在冷油-热油顺序输送过程中,冷油运行96 h后,温降只有1.8℃,进一步说明了冷油对热油输送的影响。

图3给出了管道沿线不同位置冷热原油顺序输送过程中管道截面油温变化规律。由图3可知,随着出站冷热原油的周期交替输送,管道沿线不同位置的油温呈现周期性变化,但是振幅不同,并表现出一定的时间滞后性。这主要是受空间距离的影响,管内冷油头或热油头向前运行需要一定的时间。由图3不难看出,距出站距离越远,管内油温变化幅度相对越小,这主要是由于油流从出站口开始向前运行过程中不断与前端油品及周围土壤进行热交换,热交换的程度越来越大,强度相对减弱。仔细观察图3还会发现,顺序输送过程中,沿线不同位置高温油品流经管道截面的时间要长于低温油品,即冷油段被加热的长度大于热油段被冷却的长度。这主要是由于冷油-热油顺序输送过程中,前端热油及土壤传递给冷油的热量多,使冷油前缘温度升高较快,形成较长的高温区。

图3 顺序输送管道不同位置的油温变化Fig.3 The oil temperature change in different positions of pipeline in sequential transportation

2.2 管道周围土壤温度场的变化

图4、5分别给出了管道顺序输送4个周期后的首末站土壤温度场云图。结合计算的数据分析可知,管道周围一定范围内的等温线随着出站油温的周期变化,呈现周期性移动,一定范围以外的等温线受输送周期及土壤传热滞后性的影响,等温线波动不明显。

图4 输送热油后的首末站土壤温度场Fig.4 The first and last station soil temperature field after the hot oil transportation

图5 输送冷油后的首末站土壤温度场Fig.5 The first and last station soil temperature field after the cold oil transportation

输送冷油前,上一批次热油形成了较高的土壤温度场,冷油出站后油流温度小于土壤温度,土壤向油流放热,随着输送时间的延长,土壤温度场逐渐降低,高温等温线不断向管中心方向移动。

当输送热油时,上一批次的冷油形成低温温度场,热油出站后油流温度大于土壤温度,油流向土壤放热,随着输送时间的延长,土壤温度场重新建立,高温等温线不断向远离管中心方向移动。综上所述:随着出站油温的循环周期变化,沿线不同位置的管内油温及周围一定范围内的土壤温度场也呈现周期性循环变化。

图6给出了管道首末站正上方0.5 m处,土壤温度随冷热原油顺序输送过程的变化规律。由图6可知,随着冷热原油周期顺序输送的进行,首末站管道正上方0.5 m处的土壤温度呈周期性变化。但受保温层及土壤传热滞后性的影响,冷热原油输送过程中该处的土壤温度波动不大,且随着循环周期的增加,该处的温度波动幅度进一步减小,并逐渐趋于平稳。循环4个周期后,首站管道正上方0.5 m处的最大波动温差只有1.4℃。末站管道正上方0.5 m处的最大波动温差只有1.1℃,这也进一步说明了保温层对热油管道传热特性的影响是非常明显的。

图6 管道正上方0.5 m处的土壤温度变化Fig.6 The soil temperature changes above the pipeline 0.5 m

3 结论及建议

(1)当管道低输量运行时,超过一定输送距离后,无论是冷油-热油还是热油-冷油顺序输送,原油温度都趋于一致,这主要是由于随着输送距离和时间的延长,热交换程度充分的缘故。(2)在分析了各类制约因素后,发现热油-冷油交替输送过程中,受前端冷油的影响,热油头进站温度最低,这是管道安全经济运行方案应考虑的主要因素。合理确定冷油的出站温度对整个管道安全平稳运行及其重要。(3)从计算的土壤温度场来看,随着出站油温的交替运行,沿线管道不同位置周围土壤的等温线呈周期性移动,且振幅不同,并存在空间滞后性,这主要是受不同距离处管内油温与土壤换热的影响。(4)目前,关于冷热原油顺序停输再启动的研究还不多,且考虑的多为停输过程的温降变化,对其启动压力及启动过程对混油的影响研究还很少。(5)对于已建的管道若想进行冷热原油顺序输送必须测定管道周围的土壤温度场,并进行冷热原油顺序输送数值计算,从而判断其输送可行性、冷热油最佳出站温度及顺序输送周期。6)冷热原油顺序输送因其复杂性,致使计算过程仍需要进行多方面的假设。因此,开展先导性试验,进一步优化计算模型是必要的。

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(编辑 王戬丽)

Numerical Study on Dynamic Heat Transfer Characteristics of Cold and Hot Crude Oil in Long Distance Transportation

Qing Shuyong1,Dai Qing2,Guo Hongyan1,Du Mingjun3,Cui Qi3,Yang Zining3
(1.China Petroleum Engineering Co.Ltd.Beijing Company,Beijing100000,China; 2.China Petroleum Engineering Co.Ltd.Southwest Company,Chengdu Sichuan610000,China; 3.China Petroleum Engineering Co.Ltd.North Company,Renqiu Hebei062552,China)

Cold and hot crude oil orderly transportation is very strict to the temperature field of the soil,which is also the key for the hot oil to enter the station safely after the cold oil is transported.Based on heat transfer and fluid dynamics,the governing equations of flow and heat transfer of buried pipelines have been established,and the numerical simulation of the dynamic change process of cold and hot crude oil orderly transportation process along the pipeline in different axial position of the oil temperature and soil temperature field have been done.The results show that with the alternating cycle operation of temperature of the outbound crude oil,there is a periodic variation in the oil temperature of different locations along the pipeline and a certain range around the soil temperature field but a certain time or space lag.For the low throughput operation of the pipeline,more than a certain distance,the transmission temperature tends to be consistent.There is a main factor which should be considered in the pipeline safe operation plan that in the process of hot-cold oil batch transportation,hot oil inlet temperature drops to a minimum which is affected by the previous cold oil.

Long pipeline;Cold and hot crude oil;Order delivery;The dynamic heat transfer

TE832

:A

10.3969/j.issn.1006-396X.2017.01.018

1006-396X(2017)01-0092-05投稿网址:http://journal.lnpu.edu.cn

2016-11-08

:2016-12-18

中国石油工程设计公司管道技术改进项目(2016JG-13)。

青树勇(1983-),男,工程师,从事油气管道及油气田地面工程设计与研究;E-mail:cpebj-qingsy@163.com。

杜明俊(1983-),男,硕士,工程师,从事石油天然气工程设计及系统仿真研究;E-mail:dmj260750009@163.com。