基于CFD的深海管匯傳熱數值模擬研究*

祁明華 李 揚 李自力 王菲菲 琚選擇 石 磊 丁小勇

(1.中國石油大學(華東)儲運與建筑工程學院；2.中國石油大學勝利學院；3.海洋石油工程股份有限公司；4.中國石油北京油氣調控中心)

基于CFD的深海管匯傳熱數值模擬研究*

祁明華**1李 揚1李自力1王菲菲2琚選擇3石 磊3丁小勇4

(1.中國石油大學(華東)儲運與建筑工程學院；2.中國石油大學勝利學院；3.海洋石油工程股份有限公司；4.中國石油北京油氣調控中心)

以深海水下管匯為對象，建立管匯在海水中的傳熱模型，并通過CFD軟件模擬了管匯的溫度分布情況。結果表明：未施加保溫層的管匯整體溫度較低，不能滿足正常的生產要求；施加保溫層后，管匯溫度明顯升高，支管溫度梯度逐漸平緩；隨著保溫層厚度的增加，管匯溫度不斷升高，而當保溫層厚度超過50mm后，整個管匯溫度升高幅度變小。

深海管匯 傳熱模型 保溫措施 CFD數值模擬

海底石油儲量極為豐富，在海洋礦產資源中居首位[1]。由于陸地油氣儲量不斷減少，開采難度逐漸增加，因此油氣資源開發從陸地轉向海洋、從淺海灘轉向深海已成為必然趨勢[2]。

管匯是應用于深海石油開發的水下生產系統中的重要組成部分，主要由一條匯管和幾條支管構成，負責將各油井產出的原油匯集在一起并進行輸送。然而在實際運行過程中，管匯不可避免地會遭遇油田停電、管線維修等意外事故，這將導致管線停輸。停輸后管匯中原油的流速變慢，溫度快速降低，容易發生結蠟甚至凝管的現象，造成管匯堵塞。而對于深海管匯，由于靜水壓力很高，一旦發生堵塞，解堵疏通將極其困難，因此做好保溫工作對于深海管匯的正常運行至關重要。對于水下管匯，目前主要有干式保溫和濕式保溫兩種技術，相比于傳統的干式保溫，濕式保溫具有保溫效果好、結構簡單及運行安全等優點，所以在現場得到了廣泛應用。在濕式保溫中，關鍵因素是確定合適的保溫層厚度。保溫層過薄，可能造成熱量流失，不能滿足安全生產的要求；保溫層過厚則會導致保溫費用過高。因此，通過對管匯進行準確的傳熱數值模擬，設計合適的管匯保溫層厚度，對降低成本、提高能源利用效率至關重要[3]。

對于管匯傳熱的數值模擬，傳熱計算方法主要包括基于FEA的傳熱計算方法和基于CFD的傳熱計算方法[4]。相比于FEA計算，采用CFD計算方法可以充分考慮管道內部流體的對流情況，使計算結果更加精確，但是計算量較大[5,6]。Stein S和Randi M利用CFD軟件對一個簡單的水下管匯進行了傳熱模擬計算，并設計相關實驗進行了對比，模擬計算結果與實驗結果相差較小，證明了CFD方法在管匯傳熱研究方面的可行性和準確性[7]。

在此，筆者采用CFD數值模擬軟件，以500m水深的海底管匯的一種危險工況為例，建立管匯在海水中的傳熱模型；對比研究了施加保溫層與否對管匯整體溫度場的影響，并通過改變管匯保溫層厚度，研究管匯溫度場和總散熱量隨保溫層厚度的變化規律。

1 物理模型

深海水下管匯的結構示意圖如圖1所示，管匯由一條匯管和4條支管組成，匯集4口井產出的原油，匯管直徑12in(1in=25.4mm)，支管直徑均為6in。

圖1 深海水下管匯的結構示意圖

當管匯的4條支管中只有一條支管正常運行(其他3條支管停輸)，且此狀態達到穩定后，最后一條支管也發生停輸時，將產生管匯運行中一種非常危險的工況。筆者以此工況為例，即在初始狀態下令支管1～3處于停輸狀態中，只有支管4正常運行，達到穩定后，支管4突然停輸，研究管匯的溫度分布和散熱情況。

由于深海環境的特殊性，深海海底管道的保溫材料必須具有導熱系數小、耐高靜水壓的特點和在長時間服役條件下保持良好狀態的性能。目前通常選用的有聚丙烯、聚氨酯、環氧樹脂、氣凝膠及相變儲能材料等[8]，其中聚氨酯彈性體因具有良好的性能，在深海海底管道中被廣泛應用[9～12]。

2 數學模型

2.1控制方程

流體流動要受到物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律[13],表達式分別如下：

式中c——流體的比熱容，J/(kg·K)；

F——流體質量力，N；

p——流體壓力，Pa；

q——流體所吸收的熱量，W；

T——流體溫度，K；

t——時間，s；

v——流體流動速度，m/s；

μ——流體動力粘度，Pa·s；

φ——能量耗散函數；

λ——導熱系數，W/(m·K)；

ρ——流體密度，kg/m3。

2.2邊界條件

在模擬中，管匯入口選擇為速度入口，速度依據油井在該工況下的產量確定，管匯出口設置為壓力出口，壓力為5.67MPa。管內流體采用k-ε標準湍流模型進行計算，同時考慮到管道流體和管道內壁之間的流體變化較為劇烈，采用標準的壁面函數來處理傳熱和流動邊界層。

保溫層外表面和海水之間的換熱屬于對流換熱，該換熱屬于強制對流換熱中的流體外掠圓管。根據海洋環境并結合理論公式可以計算海水和保溫層之間的換熱系數[14]，其計算式為：

式中C、n——常數；

d——保溫層的當量直徑，m；

Prw——海水的普朗特數；

Re——海水流動雷諾數；

λw——海水的導熱系數，W/(m·K)。

2.3數值計算方法

建立管匯在海洋環境中的傳熱模型，主要包括海洋環境以及保溫層、鋼管和原油之間的耦合傳熱。原油、保溫層和鋼管的物性參數見表1。

表1 物性參數

由于管匯是一個復雜的三維模型，并不具備很好的對稱性，為準確模擬管匯的傳熱規律，應建立三維模型進行模擬。使用Fluent中的前處理程序Gambit建立幾何模型并劃分網格[15]。在劃分網格時，考慮到管匯結構的復雜性，很難進行結構化網格劃分，經過對比選擇，確定合適的網格尺寸后，選擇非結構網格進行劃分。在計算中，壓力插值格式為標準差值，壓力速度耦合采用SIMPLE算法[16]。

3 模擬結果分析

3.1未保溫管匯的溫度場和速度場分析

首先對管匯沒有進行保溫的情況進行模擬研究。對未保溫的水下管匯進行穩態生產和事故停輸情況下的傳熱模擬計算，設管內原油溫度為327.150K，外部海水溫度為277.150K，當海水流速為0.6m/s時，保溫層外表面和海水之間的換熱系數為1 555W/m2。取管匯原油的橫截面進行分析，在穩態情況下的溫度云圖如圖2所示。可以看出，管匯的流動區域溫度較高，包括匯管和其中一條支管，而在停輸的支管上，由于流體基本靜止，散熱很快，支管的流體溫度從三通連接處到管匯端部顯著降低，存在著明顯的軸向溫度梯度；在停輸支管的端部溫度很低，低于原油的結蠟溫度和凝點，這將會造成管匯堵塞。

圖2 穩態情況下的管匯溫度云圖

在停輸8h后，匯管中心溫度為281.231K，各條支管溫度都接近海水溫度(圖3)。匯管和支管的溫度都低于原油的結蠟溫度和凝點，說明未采取保溫措施的管匯不能滿足8h保溫的基本要求。所以對于水下管匯，必須施加保溫層進行保護。

圖3 管匯停輸8h后的溫度云圖

為研究管匯內流體速度場對管匯溫度的影響，取整體管匯未停輸時原油的橫截面進行分析(圖4)，對比圖2可知，管匯的主管和支管4由于內部流體流動較快，所以溫度較高，而3條停輸支管受主管流體流動滲透的影響，入口存在一定的流動，所以各條停輸支管入口處溫度也較高。

圖4 穩態情況下的管匯速度分布

3.2有保溫管匯的溫度場分析

對水下管匯施加40mm厚的保溫層并對它進行穩態生產和事故停輸情況下的傳熱模擬計算。取管匯原油的橫截面進行分析，在穩態生產情況下，與未采取保溫措施的管匯進行對比分析發現，在施加濕式保溫層后，管匯的整體溫度顯著上升(圖5)，匯管中心溫度達到320K，支管1～3端部溫度分別為314、308、302K，相比于流動區域，停輸的支管溫度提高更多，且明顯高于管匯未保溫時的情況。

圖5 有保溫管匯的穩態溫度分布

為研究支管溫度分布規律并對比管匯保溫對支管溫度的影響，選擇3條支管中長度最長的支管3作為研究對象，分別在無保溫層(0mm)和保溫層40mm的支管3軸線上設置監控點，每隔350mm設置一個監控點，共9個監控點，得到其溫度曲線如圖6所示。可以看出，在管匯未保溫時，支管3從三通連接處到支管端部，溫度不斷下降，下降梯度由快變慢且逐漸趨于平緩，說明在添加保溫層后，支管溫度下降梯度明顯變小，端部溫度明顯提高。

圖6 支管3軸線監控點上的溫度曲線

停輸8h后，管匯上的溫度顯著下降(圖7)，相對于匯管，支管上的溫度更低，支管1～3端部中心點的溫度分別為303、298、295K。為進一步研究支管長度對散熱的影響，在3個支管端部中心設置監控點(圖8)，監測支管端部中心點溫度隨停輸時間的變化，得到的溫度曲線如圖9所示。對比3條支管端部中心溫度可以發現，隨著支管長度的增加，支管溫度越來越低，并且在停輸8h后，3條支管的端部溫度依然存在明顯差異，說明支管應該更加注意保溫，尤其對于長度較長的支管。

圖7 管匯停輸8h后的溫度分布

圖8 管匯原油橫截面和監控點位置

圖9 支管端部溫度曲線

3.3保溫層厚度對管匯保溫的影響

為研究保溫管匯的溫度分布和保溫層外表面散熱量隨保溫層厚度的變化規律，對水下管匯分別施加不同厚度(50、60、80mm)的保溫層，進行穩態生產和事故停輸情況下的傳熱計算。

對管匯保溫層外表面的總散熱量進行監測(圖10)，發現隨著保溫層厚度的增加，保溫層外表面總散熱量不斷減小，并且下降的速度逐漸減小。同時對管匯中心和支管3的端部中心點進行監控(圖11)，發現當保溫層厚度從40mm增加到80mm時，管匯中心溫度變化不大，而支管上的溫度逐漸升高；當保溫層小于50mm時，整個管匯溫度增加的速度較大，超過50mm后，溫度增加速度逐漸平緩。

圖10 管匯總散熱量隨保溫層厚度的變化曲線

圖11 匯管中心和支管端部溫度隨

4 結論

4.1未施加保溫層的管匯，其整體溫度較低，支管上存在明顯的軸向溫度梯度，不能滿足正常的生產要求。施加保溫層后，管匯的溫度明顯升高，支管上的溫度梯度比較平緩，說明保溫層對于海底管匯的穩定生產運行具有顯著作用。

4.2當對匯管和支管施加相同的保溫層厚度時，管匯的低溫部分主要集中在停輸的支管端部，該部分溫度明顯低于匯管溫度，并且隨著支管長度的增加，支管端部溫度越來越低。說明對于管匯需要更加注意支管的保溫，特別是對于長度較長的支管。

4.3隨著保溫層厚度的增加，管匯散熱量不斷減小，下降速度也逐漸減小，整個管匯的溫度逐漸升高。當保溫層厚度小于50mm時，隨保溫層厚度的增加管匯溫度升高速度較大；當保溫層厚度超過50mm后，隨著保溫層厚度的增加管匯溫度升高速度逐漸平緩。

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NumericalSimulationofHeatTransferofManifoldinDeep-seaBasedonCFD

QI Ming-hua1, LI Yang1, LI Zi-li1, WANG Fei-fei2, JU Xuan-ze3, SHI Lei3, DING Xiao-yong4

(1.CollegeofPipelineandCivilEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China; 2.ShengliCollege,ChinaUniversityofPetroleum,Dongying257097,China; 3.OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300450,China; 4.PetroChinaBeijingOilandGasControlCenter,Beijing100007,China)

Taking a manifold in deep-sea as the object of study, the manifold’s heat transfer model was established and the CFD software was applied to simulate manifold’s temperature distribution. The results show that the temperature of manifold without insulation layer is lower and this fails to satisfy the production; when the manifold is equipped with an insulation layer, its temperature would rise obviously and the branch pipe’s temperature gradient keeps smooth; with the increase of insulation layer’s thickness, the manifold’s temperature would increase all the time. The increase extent of manifold’s temperature would diminish when the insulation layer’s thickness exceeds 50mm.

deep-sea manifold, heat transfer model, insulation measures, CFD numerical simulation

*國家工業和信息化部海洋工程裝備項目(E-0813C003)。

**祁明華，男，1991年4月生，碩士研究生。山東省青島市，266580。

TQ053.6

A

0254-6094(2016)03-0350-07

2015-08-21，

2016-05-12)

(Continued from Page 271)

AbstractThrough analyzing fouling classification and characteristics in heat exchangers and the investigation of cleaning technologies applied in Yanshan Petrochemical Co., the commonly-used cleaning technologies for heat exchangers were discussed and selected to provide technical reference for enterprises concerned, including new vision and thoughts in developing it.

Keywordsheat exchanger, fouling, mechanical cleaning, chemical cleaning