热油管道投产过程中复杂传热特性的分析研究
2021-10-28尚增辉李宪昭王成林付田田
尚增辉 李宪昭 王成林 付田田 周 静
(1.中国石油工程建设有限公司华北分公司;2.华北油田公司第二采油厂工程技术研究所)
利用管道输送原油时,尤其当输送的原油具有高凝点、高黏度和高结蜡点的属性时,需要采用加热输送的方式以防原油在管道内发生凝固、降低运行压力和减少原油结蜡量,确保管道正常安全运行[1~3]。 当管道在输送高凝高黏原油时,为了避免原油直接投入冷管中造成沿线温降太快,而导致沿程摩阻急剧升高或出现凝管事故,在输送高凝高黏原油的管道投产时一般使用高热容、低黏度的介质对管道进行预热,当管道的热力条件满足要求时再进行热油投产[4~6]。
热油管道投产过程是一个非稳态的传热过程。 在管道预热阶段和输送热油的初始阶段,管道周围土壤的温度场还未达到稳定,预热介质和热油的热量不断传给管道和周围土壤[7,8]。 在此阶段,随着管道中的流体温度逐渐降低,管道周围的土壤温度却不断升高,直至此传热过程达到动态平衡。
1 基本参数
某加热输送含蜡原油的管道为非保温埋地原油管道,长30 km、管径508 mm,管顶埋深为1.2 m,管道埋深处地温为15 ℃。 管道管壁、防腐层和土壤的物性参数见表1。
表1 管道管壁、防腐层和土壤的物性参数
管道输送原油的物性参数为:
密度(20 ℃) 860 kg/m3
凝点 25 ℃
含蜡量 11.5%
比热(20 ℃) 2 100 J/(kg·℃)
黏 度(15、30、50、70 ℃) 38.9、21.4、11.7、7.3 mPa·s
2 管道内部温度场变化
管道投产过程主要包含管道预热和投入热油两个阶段[9,10]:
a. 管道预热阶段。 采用70 ℃的热水对冷管道进行预热,预热时间为12 h。 在本阶段为热水与管道及其周围土壤的传热过程,并利用热水完成对管内空气的置换。
b. 投入热油阶段。在管道预热至内部温度场达到要求后,投入70 ℃的热油完成对管内热水的置换。
2.1 管道预热阶段
采用70 ℃热水预热管道6、12 h 后, 管道内温度分布云图如图1 所示。 由图1 可看出,预热12 h 后, 管道全线温度均已达到原油凝点之上,具备了输送热油的条件。
图1 预热后管道内温度分布云图
2.2 投入热油阶段
投入热油后, 运行1、3、5 d 时管道内温度分布云图如图2 所示。 由图2 可看出:随着运行时间的增长,管道前段温度逐渐趋于稳定、后段温度逐渐升高;运行1 d 时管道末端温度已达30 ℃以上,运行5 d 时管道末端温度升至45 ℃左右。
图2 运行不同天数时管道内温度分布云图
3 管道周围土壤温度分布
运行5 d 后,管道起点、管道15 km 处和管道30 km 处的管壁及其周围土壤温度分布云图如图3 所示。由图3 可以看出,管道周围土壤温度沿管壁向外呈辐射状升高,离管道外壁越近土壤温度越高。 从前端到末端管道内温度由高到低,而管道前端周围土壤温度最高、 末端的相对较低,说明管道前端对其周围土壤温度场影响最大而末端的影响较小。
图3 管道及其周围土壤温度分布云图
4 管道结蜡分析
当输送含蜡原油的管道内流体温度低于原油的结蜡点时,管道内即会有蜡析出。 管壁结蜡不仅给管道输送带来安全隐患,而且会造成很大的能量损失。 当管道的管壁出现蜡沉积时会缩小管道的内径,增大管道的延程摩阻,继而增加管道输送的动力费用。 此外,结蜡厚度过厚时易使清管操作中的清管器被卡。 因此,对热油管道的结蜡规律进行分析研究,对于提高管道的输运效率和输运安全十分重要。
4.1 结蜡速率
图4 是运行时间分别为1、3、5 d 时管道沿线各处结蜡速率的模拟结果。 由图4 可看出,管道运行1 d 时管道的结蜡速率最高, 随着管道运行时间增长管道各处的结蜡速率逐渐减小,而且管道结蜡主要发生在管道后半段,前半段基本没有发生结蜡现象, 这是由初始运行1 d 时管道后半段温度较低导致的。 而后,随着运行时间的增长,管道后半段的温度逐渐升高,随即管道内原油的结蜡速率逐渐减小。 另外,由前述可知,运行过程中管道内原油温度从管道起点到末端是逐渐降低的, 且管道前半段的温度大幅高于后半段的。因此, 管道前半段的结蜡速率小于管道后半段,且当温度高于原油结蜡温度时前半段则不会发生结蜡。 由于结蜡速率受原油蜡含率、原油温度和运行压力的共同影响,因此管道沿线各处结蜡速率会出现起伏的现象。
图4 运行不同天数时管线各处结蜡速率
4.2 结蜡厚度
图5 是运行5 d 后管线各处结蜡厚度曲线。由图5 可看出, 运行5 d 后管道起点到10 km 处结蜡厚度很薄,10 km 之后的管道结蜡厚度明显增厚;管道结蜡厚度最大值位于管道24.7 km 处。
图5 运行5 d 后管线各处结蜡厚度曲线
5 结论
5.1 热油管道投产过程是一个非稳态的传热过程。 投入热油前,采用高热容和低黏度的介质对管道进行预热,可以有效防止热油投产过程中沿程摩阻过高或发生凝管。
5.2 热油管道在输运过程中会对周围土壤温度场产生明显的影响。 其中,接近管道起点处周围的土壤温度明显高于管道末端周围土壤的温度。
5.3 对于输送含蜡原油的管道,随着管道起点到管道末端油温逐渐降低,原油的结蜡速率逐渐增高。 在投入热油之后随着运行时间的增长,管线各处的温度逐渐升高,管道内原油的结蜡速率也随之降低。 由于管道接近起点部分的温度较高而接近末端的温度相对较低,因此结蜡较严重的部位位于管道接近末端的位置。 对于管道易结蜡部位,在运行过程中应予以重点关注。