农田地区输气管道土壤温度场特性研究

赵子涵，胡志勇，潘振

农田地区输气管道土壤温度场特性研究

赵子涵，胡志勇，潘振

（辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001）

在埋地管道中，常温输送的天然气管道会影响农田地区土壤的温度场，从而改变农作物生长的土壤环境。为了研究农田地区土壤的温度特性，以某管道为例，根据该地段的土壤物性参数，采用Fluent非结构性有限容积法对农田段的温度场特性进行数值模拟研究。从管道是否敷设隔热层以及两种不同材质的隔热层对土壤温度场影响的两个角度对农田地区土壤温度场进行了数值模拟。结果表明：设置隔热层的埋地输气管道与不设置隔热层的输气管道相比对土壤温度场的影响变化明显；两种不同材质的隔热层对土壤温度场的影响相似。

埋地管道；输气管道；数值模拟；土壤温度场

某输气管道建成以来，部分农户反映某管线穿越农田段造成农作物减产现象，局部地段甚至绝收。调查证实，油气管道施工地段和管道上方农作物生长受损（减产）现象是存在的。已建各条管道的建设和运行造成农作物减产现象较为突出，给沿线部分农户造成了不小的经济损失，造成了一定程度的企（业）地（方）矛盾。上述问题如不加以研究解决，势必进一步加剧管道建设和运行管理中与周边百姓引发的矛盾、冲突，管道安全也将难以得到保障，而且还将严重制约今后我国管道行业的发展。

近年来国内外诸多学者在埋地输气管道土壤温度场方面进行了大量的科研工作，并获得了一系列的成果。杜明俊[1]等将土壤作为多孔介质模型，利用FLUENT软件进行数值模拟，对是否具有保温层条件下埋地管道周围土壤温度场进行分析，表明了采用保温材料可以有效降低冻土融化速率。付吉 强[2]等建立了以土壤为多孔介质的模型，并以某地敷设的埋地管道为例，采用 SIMPLER 算法，得到了管道周围冻土温度特性。结果表明，当地表温度有规律变化时，管道周围土壤温度特性变化巨大。石油规划总院和西北农林科技大学联合进行专项研究[3]，基本结论如下：管道输送介质温度较高时，会引发管道周围土壤温度场的变化，进而造成管道周围一定范围内土壤温度、水分养分等因素发生变化，农作物的产量随着距离管道的远近受到不同程度的影响。何毅[4]提出，油气管道施工地段的管道上方农作物受损是一个不争的事实，造成作物减产的因素有部分原因是运行期间管道温升对土壤的传热影响。张龙[5]等得出了由于管道出站段的温度过高进而影响农作物生长的事实，并提出了一系列降低管道温度影响的解决措施。

现在尚无学者针对天然气管道对土壤温度特性的影响进行深入研究。本文以某管道为例，在实测埋地管道周围土壤物性的基础上，采用Fluent非结构化有限容积法对天然气埋地管道准周期时间内的土壤温度场进行模拟研究。从管道是否敷设隔热层以及两种不同材质的隔热层对土壤温度场影响的两个角度对农田地区土壤温度场进行了数值模拟计算。

1 天然气埋地管道周围土壤温度场数学模型

为了简化计算，提出以下假设：将土壤简化为各向同性的均匀的理想介质；管道横截断热力影响区的范围为水平方向-10 m≤≤l0 m、垂直方向 -10 m≤≤0 m[6]。基于上述简化与假设建立天然气埋地管道周围土壤温度场的数学模型如下[7-12]。

管壁、防腐层导热方程：

钢管内壁和防腐层外壁：

防腐层外壁和管道周围土壤：

土壤导热方程：

边界条件：

初始条件：

2 数值模型建立和参数设定

2.1 数值模型网格建立

为了研究天然气埋地管道周围土壤温度场，本次研究选取某压气站在2014年全年出站温度和地温作为计算参数，来模拟分析输气管道出站段的管道温升对土壤热环境的影响规律。计算域的简化模型为长方形，使用Icem画图软件将计算域划分成非结构化网格，如图1所示。

此外，在Fluent中保持所有无关变量相同的情况下，开始进行数值模拟运算。分别计算当网格数量不相同时，土壤上边界处的温度情况。准备5种不同节点数的网格用于检测，分别为10万、15万、20万、25万和30万。同时计算5种网格时，土壤上边界处的温度数值趋于稳定。从图2中可以观察出，网格节点数为25万和30万时边界处的温度基本稳定在10.4 ℃。为了保证结果的精确性，本文拟用25万的网格在较大程度上保证了模拟结果与网格数量的无关性。

2.2 温度场几何模型

经试验证实天然气埋地管道轴向温降与径向温降相比可以忽略不计。在距离天然气管道截面水平方向一定距离处认为是绝热。距离地面10 m埋深以下，土壤自然温度年终趋于稳定，因此作为恒温层处理，由此建立二维稳态传热模型，10 m×20 m的研究模型。

2.3 参数选取

本次研究选取某压气站在2014年全年出站温度和地温作为计算参数，来模拟分析埋地输气管道出站段的管道温升对土壤热环境的影响规律。

1）出站温度：50 ℃；

2）取值埋深处恒温层温度：8 ℃；

3）管道外径1219 mm，平均埋深取值1.5 m；

4）地表对流换热系数20.6 W·m-2·℃-1，取值地表温度为10 ℃；

5）土壤导热系数取常数2.1 W·m-2·℃-1；

6）生根层土壤厚度：地表下40 cm。

3 计算结果分析

采用非结构化有限容积法Fluent软件，模拟埋地天然气管道的土壤温度特性。该方法与其他管道热力分析的其他方法[13-27]相比，模型中的假设较少，能准确模拟不规则的土壤区域的温度场。

本文分别模拟了在相同条件下输气管道在不设置隔热层、隔热层材料分别为挤塑聚苯乙烯或聚氨酯影响下的农田段土壤温度云图。挤塑聚苯乙烯具有较好的闭孔蜂窝结构，而且使用时间较长，并且抗蒸汽渗透性能良好[28]；聚氨酯透湿系数小，吸水率小，同时还可以耐水解，是一种集防水、保温隔热于一体的材料[29]。经过经济性分析以及可用性约束，保温层的厚度设定为23 mm。图3、图4、图5分别为不设隔热层、隔热层的材料为挤塑聚苯乙烯、聚氨酯经过Fluent模拟之后的土壤温度场云图。图6为在相同条件下不设隔热层、隔热层的材料为挤塑聚苯乙烯、聚氨酯的土壤温度变化对比的折线图。

图4 管道隔热层材料为挤塑聚苯乙烯的土壤温度场云图

图5 管道隔热材料为聚氨酯的土壤温度云图

图6 土壤温度折线图

3.1 未设置隔热层的管道对土壤温度的影响

在图3中可以明显地看出，由于管道未设置隔热层的原因，土壤的温度特性云图变化的非常不明显，尤其是在土壤接触管道的位置处土壤的温度变化基本为零，没有较大的变化幅度，这也就是直接地导致了土壤温度陡然升高的主要原因。从图6中可以观察出，在管道不设置隔热层的情况下，土壤上边界处的温度为10.4 ℃，随着深度的增加其温度持续上升。在埋深为0.26 m处，可以直观地看出土壤温度呈现出明显的上升趋势。深度为0.75 m处土壤温度出现了第一次转折点并且陡然上升，在埋深为1.125 m处土壤温度上升的斜率出现了最大值，这表明土壤温度在此处变化得尤为剧烈。在管道的正上方（管道埋深处）土壤温度达到了最大值为23.36 ℃，此后随着埋深的增加温度逐次递减形成了以管道埋深处为对称轴成轴对称的温度分布形态。不设置隔热层的管道，土壤温度的温差为12.96 ℃，如此之大的温差会导致管道周围农作物经济产量降低；过高的温度会影响土壤颗粒中的含水率进而影响生物的生长变化；管道运行提高了土壤温度，减少了土壤中的微生物和有机质的含量，改变了土壤的水热结构，阻碍了土壤大团聚体的形成；土壤温度的剧烈变化也会对其养分含量产生影响。

3.2 管道敷设隔热层对土壤温度的影响

在图4中可以观察出，由于埋地输气管道设置了隔热层，土壤的温度特性云图变化得十分剧烈，特别是在接触管道的位置处土壤的温度变化极其剧烈。在图6中观察到设置材料为挤塑聚苯乙烯的隔热层之后，土壤上边界处的最低温度为9.9 ℃，对比未设置隔热层的土壤上边界处的温度10.4 ℃，并未有较大幅度的降低。但在土壤埋深为1.0~1.5m的区间段内，设置隔热层材料为挤塑聚苯乙烯的管道对土壤温度的影响成缓慢的上升态势，在此范围内隔热层已经起到了巨大的温降作用。在管道的正上方（管道埋深处）土壤温度仅为10.1 ℃，对比未设置隔热层的管道温差为13.5 ℃，已经有了很大幅度的降低。设置隔热层的管道在此区间的温度变化十分缓慢，不会对土壤成分有任何影响。

3.3 不同材质的隔热层对土壤温度的影响

从图6的红色曲线与蓝色曲线的对比中可以观察出，设置材料为挤塑聚苯乙烯的隔热层时，土壤上边界处的最低温度为9.9 ℃，设置材料为聚氨酯的隔热层土壤上边界处的最低温度为10.1 ℃，两者不同材料的隔热层之间的温差仅为0.2 ℃。随着土壤深度的增加土壤温度呈现缓慢的状态提升，材料为挤塑聚苯乙烯的管道正上方的土壤温度为10.56 ℃，聚氨酯为10.86 ℃，两者温差仅为0.3 ℃，可见这两种材质的设置隔热层对土壤温度的影响并不大，在可接受的范围内。经对比聚氨酯泡沫材料成本比挤塑性聚苯乙烯高出约17%，考虑到经济因素等原因应采用挤塑性聚苯乙烯为隔热材料。

如果对输气管道全部设置隔热层，由于沿线热损耗大幅降低，将导致进站温度升高，这会给站内的压缩机正常运行造成较大的能耗，因此不推荐全线设置隔热层，可根据部分农田设置隔热层，具体须要结合沿线农田的分布情况确定。

4 结 论

1）经过农田地区的输气管道在不设置隔热层的情况下，地表处的温度与大气温度相近，然而在农作物的根生区土壤温度将会有急剧变化且在埋深为1 m处土壤温度出现拐点，以20.64 ℃·m-1的速率持续增加。温度土壤边界与管道埋深处的温差将会达到12.69 ℃，如此之大的温差将会影响土壤颗粒的含水率、养分含量、土壤的水热结构等，导致农作物的产量降低。

2）埋地输气管道敷设隔热层后，土壤温度出现较为明显的降低，同在1 m处增长速率仅为1.12 ℃·m-1。土壤边界与管道埋深处的温差为0.56 ℃，与未敷设隔热层的输气管道相比温差大幅度降低，有效缓解了由于土壤温差较大带来的诸多问题。经对比挤塑性聚苯乙烯不论在隔热效果还是在经济性方面都要优于聚氨酯，而且考虑到站内压缩机的性能问题，建议不要大面积敷设隔热层，具体须要结合沿线农田的分布情况确定。

符号说明：径向位置，m；

环向弧度；

取1，2别代表钢管壁、防腐层；

λ第层导热系数，W·(m·K)-1；

C第层容积热容量，kJ·m-3·K-1；

Tk=1，2分别为钢管壁、防腐层的温度，K；

运行时间，s；

1、2为天然气管道外壁、防腐层外壁半径，m；

S土壤温度，K；

λ土壤导热系数，W·(m·K)-1；

C土壤容积热容量，kJ·m-3·K-1；

k放热系数，W·m-2·K-1；

h当量换热系数，W·m-2·K-1；

k大气温度，K；

w天然气的初始温度，K；

d深度y处土壤的自然温度，K；

0土壤的初初始温度，K；

d土壤计算区域的下边界，m；

管道外壁的直径，m。

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Study on Soil Temperature Field Characteristics Around Gas Transmission Pipeline in Farmland

（College of Petroleum and Natural Gas Engineering,Liaoning Shihua University, Fushun Liaoning 113001, China）

In buried pipelines, natural gas pipelines transported at room temperature will affect the temperature field of soil in farmland areas, thereby changing the soil environment in which crops grow. In order to study the temperature characteristics of the soil in the farmland area, taking a corridor section as an example, based on the soil physical parameters of the section, the Fluent non-structural finite volume method was used to numerically study the temperature field characteristics of the farmland section. The numerical simulation of the soil temperature field in the farmland area was carried out from the perspective of whether the pipeline was laid with a thermal insulation layer and two thermal insulation layers of different materials. The results showed that the buried gas pipeline with heat insulation layer had significant effect on the soil temperature field compared with the gas pipeline without heat insulation layer; two different materials of the heat insulation layer had similar effect on the soil temperature field.

Buried pipeline; Gas pipeline; Numerical Simulation; Soil temperature field

2020-08-03

赵子涵（1995-），男，蒙古族，辽宁省抚顺市人，硕士研究生， 2018年毕业于辽宁石油化工大学油气储运专业，获得学士学位，现就读于辽宁石油化工大学油气储运专业，攻读硕士学位，研究方向：埋地输气管道土壤温度特性。

潘振（1981-），男，教授，博士，研究方向：长距离油气管道输送技术。

TE832

A

1004-0935（2021）01-0063-05