靖三聯(lián)靖二聯(lián)埋地熱油管道停輸后的溫降規(guī)律研究

傅 波，劉 青，周 寧，陳康林 (中石油長慶油田分公司第三采油廠， 寧夏 銀川 750006)

傅 波，劉 青，周 寧，陳康林 (中石油長慶油田分公司第三采油廠， 寧夏 銀川 750006)

通過研究埋地熱油管道的溫降規(guī)律，將埋地管道停輸后罐內(nèi)原油的冷卻過程視為一系列準穩(wěn)定狀態(tài)，通過公式分析推導，得出管道允許停輸時間的計算方法，其計算結(jié)果與現(xiàn)場報表數(shù)據(jù)對比誤差較小，因而有一定現(xiàn)場指導意義。

溫降規(guī)律；安全停輸時間；安全；運行

1 管道運行概況

靖三聯(lián)-靖二聯(lián)輸油管線于2009年3月27日投運，全長26.27km, 管線規(guī)格?219mm×6mm，外包30mm厚的泡沫塑料保溫層，管道中心埋深1.5m。輸油管線途經(jīng)陜西省榆林市靖邊縣、志丹縣，主要地形地貌有黃土塬、黃土梁峁、黃土斜坡、河流階地、基巖等。由于倒罐、低庫存、檢修等原因，靖三聯(lián)-靖二聯(lián)輸油管線自投運以來啟停輸頻繁，2009年5月份平均輸量為62m3/h，停輸48次，累計停輸時間239.5h，平均停輸時間為5h/次，最長停輸時間為15h/次，平均停輸時間間隔為10.5h/次；2009年6月份平均輸量為111m3/h，停輸29次，累計停輸時間為127h，平均停輸時間為4h/次，最長停輸時間為12h/次，平均停輸時間間隔為20h/次。截止目前，由于管線無序運行，管線周圍不能形成穩(wěn)定的溫場，導致發(fā)生4次輕微堵塞事故。頻繁啟停輸使得新鮮油頭未進站就成為死油。按排量65m3/h、管程26.27km計算，油頭從靖三聯(lián)到靖二聯(lián)就需要13.6h。此外，若在冬季運行，容易導致凝管事故。因此，研究停輸后原油的溫降規(guī)律和允許停輸時間對生產(chǎn)調(diào)度和管道的安全運行有重要指導意義[1]。

2 埋地熱油管道停輸后的溫降影響因素

圖1 停輸后油溫及土壤溫度隨時間的變化

由于管道周圍土壤中蓄積的熱量比管中存油的熱容量大上百倍，故埋地熱油管道停輸后油溫的下降主要取決于周圍土壤的冷卻情況。剛停輸時管內(nèi)壁油溫與管外壁土壤間的溫差較大，溫降較快[2]。概括來講分為2個階段：①管內(nèi)油溫較快地冷卻到略高于管外壁土壤溫度；②管內(nèi)存油和管外壁土壤作為一個整體而緩慢地冷卻。圖1所示為停輸后油溫及土壤溫度隨時間的變化情況，曲線1為實驗場中實測的管道存油的冷卻情況，油溫為管中心部分測點的平均值；曲線2為計算的管外壁側(cè)面土壤溫度的下降情況。可以看出，在開始停輸?shù)?0h內(nèi)，油溫下降比較迅速；當油溫接近管外壁土壤溫度后，溫降要緩慢得多。

2.1管徑的影響

表1 地溫2℃時不同管徑管道停輸30h后的管內(nèi)油溫

埋地管道管徑越大，管內(nèi)原油的熱容量和土壤蓄熱量也越大，所以在同等條件下，大口徑管道的溫降較慢。表1所示為?377～813mm管道在地溫2℃時停輸30h后溫降的數(shù)值計算結(jié)果。由表1可知，管徑越小，管內(nèi)原油的熱容量越小，停輸過程管內(nèi)油品降溫幅度越大，如DN377輸油管管內(nèi)平均油溫的降溫幅度為DN813輸油管降溫幅度的1.7倍。

2.2地溫的影響

表2所示為靖三聯(lián)-靖二聯(lián)管道在冬季和夏季地溫條件下停輸后溫降的數(shù)值計算結(jié)果。由表2可知，受埋地熱油管道準周期土壤溫度場的作用，季節(jié)不同，管外土壤溫度不同，管外土壤的蓄熱量也不同。夏季，大氣溫度高，管外土壤蓄熱量遠大于冬季的管外土壤蓄熱量。管外土壤溫度高，油溫與管外環(huán)境溫差小，管道停輸后，降溫過程慢，同樣的停輸時間，降溫幅度就小，而地溫越低，則管內(nèi)原油降溫速率越快。

表2 靖三聯(lián)-靖二聯(lián)管道在冬、夏季不同地溫條件下停輸后原油溫度變化

2.3油溫的影響

管道在地溫15℃時停輸10h后，在管道出站處(停輸前55℃)油溫下降了16.3℃(停輸10h后38.7℃)，而在管道進站(停輸前28℃)處，油溫僅下降5.3℃(停輸10h后22.7℃)。因此，油溫越高，與地溫溫差越大，溫降就越大。

3 埋地熱油管道停輸后管內(nèi)油溫計算分析

由于土壤蓄熱量及熱阻均很大，埋地管道在停輸后溫降緩慢，可將管內(nèi)原油的冷卻過程視為一系列準穩(wěn)定狀態(tài)，列出在dτ時間內(nèi)的熱平衡方程。假設在dτ時間內(nèi)，管內(nèi)存油及鋼管溫降放熱量等于管道向環(huán)境的散熱，且總傳熱系數(shù)K′等于穩(wěn)態(tài)運行時的K值，通過推導得到下式[3]：

令：

則：

(1)

式中，D、D1和D2分別為管道平均直徑、鋼管內(nèi)徑和外徑，m；cy為油的比熱容，J/(kg·℃)；ρy為油的密度，kg/m3；T為距離管道起點L處停輸τ時間后的油溫，℃；T0為管道埋深處土壤的自然溫度，℃；K為管道穩(wěn)態(tài)運行時的總傳熱系數(shù)。

對式(1)積分，當τ=0、L=0時，T=TR。此時距起點L處的油溫TL可按蘇霍夫公式計算[3]：

式中，TR為出口溫度，℃；L為計算點距離管道起點的距離，m；G為原油的質(zhì)量流量，kg/s；c為輸油平均下降的比熱容，J/(kg·℃)。

由此可得距起點任意距離L處停輸τ時間后管內(nèi)油溫的近似計算式：

(2)

式中，τ為停輸時間，s。

利用上述公式對靖三聯(lián)-靖二聯(lián)管線停輸后原油溫降模擬計算并與現(xiàn)場實測值進行比較，其結(jié)果如表3所示。由表3可以看出，根據(jù)式(2)計算停輸后管內(nèi)油溫值與實測值的平均誤差為0.97℃，最大誤差為2.28℃，說明模擬計算值與實測值比較接近，這對于現(xiàn)場生產(chǎn)有一定指導意義。

表2 靖三聯(lián)-靖二聯(lián)管線停輸后原油溫降模擬計算值與實測值比較

4 結(jié)論與建議

1)通過研究埋地熱油管道停輸后的溫降規(guī)律，將管內(nèi)的原油冷卻過程視為一系列準穩(wěn)定狀態(tài)，建立熱平衡方程。利用該方法計算的停輸后管內(nèi)油溫值與現(xiàn)場實測值較小，對生產(chǎn)調(diào)度有一定的指導意義。

3)夏季可適當降低進站溫度，一般將進站溫度控制在22～24℃左右，這樣能達到節(jié)能降耗的目的。

4)冬季運行時若不可避免需要停輸時應盡量縮短停輸時間，同時可根據(jù)實際情況考慮加降凝劑輸送甚至啟用反輸流程，以防發(fā)生凝管事故。

[1]楊筱蘅.輸油管道設計與管理[M].北京：中國石油大學出版社，2006.

[2]劉曉燕，龐麗萍，王振.慶哈埋地管道允許停輸時間的計算[J].油氣儲運，2003，22(5):18-21.

[3]楊世銘，陶文銓.傳熱學[M].北京：高等教育出版社，1998.

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.09.022

TE732

A

1673-1409(2012)09-N063-03

2012-06-19

傅波(1978-)，男，2002年大學畢業(yè)，工程師，現(xiàn)主要從事油氣田開發(fā)管理方面的研究工作。

[編輯] 李啟棟