油氣集輸伴熱管路的熱力計算與分析

張雪芹 黃善波（中國石油大學（華東）儲運與建筑工程學院）

油氣集輸伴熱管路的熱力計算與分析

張雪芹 黃善波（中國石油大學（華東）儲運與建筑工程學院）

盡管不加熱集輸工藝得到了長足發展，但對高黏、高凝油田來說，為了保證生產的安全性和可靠性，仍然保留著傳統的伴熱集輸管路。根據傳熱學原理，建立了伴熱管路內流體溫度變化的數學模型，通過計算得到了伴熱管路內流體溫度變化規律，分析討論了伴熱流量、伴熱溫度對冷、熱介質出口溫度和井口回壓的影響。現場應用表明，伴熱是解決高凝油田冬季井口回壓的有效措施，可將井口回壓降低39%～62%。

伴熱；油氣集輸；熱力計算

目前我國油田已全面進入高采出率、高含水率階段，為了適應節能降耗需要，普遍采用了不加熱集輸工藝[1-2]；但對高黏、高凝油田而言，由于現場情況復雜多變，為了保證常溫集輸系統的可靠性，仍然保留著原來的伴熱系統[3]。一旦井口回壓過高或出現其他非正常工況后，便可啟動伴熱系統，從而保證生產的安全性和可靠性。為了最大限度地降低伴熱能耗，合理選擇伴熱參數，確保集輸系統的安全可靠，需要對伴熱管路進行水力、熱力計算，從而為伴熱現場應用提供理論支持。

1 集輸伴熱管路熱力計算的數學模型

伴熱管路的物理模型如圖1所示，管徑為d的熱水管線與管徑為D的集油管線通過厚度為δ的保溫材料包在一起。伴熱管內熱水的流動方向與集油管內油氣產液的流動方向相同稱為順流伴熱，反之稱為逆流伴熱。在生產中，熱水管線將熱量傳給產液的同時，也將一部分熱量損失到周圍環境中。產液吸收的熱量一部分用于升溫，一部分也散失到周圍環境。在兩種伴熱工藝中，熱水與產液流動方向的不同將導致管內介質溫度變化規律的不同。下面對兩種工藝分別給出流體溫度變化的數學模型。

1.1 順流伴熱管路

順流伴熱管路熱力計算的理物模型如圖2所示。以產液入口為坐標起點，在距入口x處取長為dx的微元管段實施能量守恒[4]，即

圖1 管道伴熱的物理模型

圖2 順流伴熱管路系統的傳熱原理示意圖

式中：Φhx——熱流體在x處進入微元體的熱量，W；

Φhx+dx——熱流體在x+dx處離開微元體的熱量，W；

Φh0——熱流體向外界環境散失的熱量，W；

Φ12——熱流體向冷流體傳遞的熱量，W；

Φcx——冷流體在x處進入微元體的熱量，W；

Φcx+dx——冷流體在x+dx處離開微元體的熱量，W；

Φc0——冷流體向外界環境散失的熱量，W。

根據傳熱學原理，以上各項熱量的計算公式如下：

式中：Gh、Gc——熱水和產液的質量流量，kg/s；

ch、cc——熱水和產液的比熱，J/(kg?K)；

kh0、kc0——熱水、產液向周圍環境散熱的傳熱系數，W/(m2?K)；

khc——熱水管線向產液傳熱的傳熱系數，W/(m2?K)；

th、tc——微元段熱水、產液的平均溫度，℃；

te——周圍環境的溫度，℃；

Fh0、Fc0——熱水、產液向周圍環境散熱的單位管長的傳熱面積，m2；

Fhc——熱水與產液間單位管長的傳熱面積，m2。

將各項能量代入到能量守恒表達式中，整理得到伴熱水和產液在管路內溫度變化的微分方程，即

在管線起點x=0處時，則

微分方程（3）、（4）和定解條件（5）就是順流伴熱系統中描述伴熱水、產液溫度沿管長變化的數學模型。數學上，這是一階常微分方程組的初值問題，可采用四階Runge-Kutta方法求解[5]。

1.2 逆流伴熱管路

以產液入口為坐標起點，在距入口x處取長為dx的微元管段，如圖3所示。

圖3 逆流伴熱管路系統的傳熱原理示意圖

能量守恒表達式如下：

式中：Φhx——熱流體在x處離開微元體的熱量，W；

Φhx+dx——熱流體在x+dx處進入微元體的熱量，W。

將各項能量的表達式帶入到能量守恒表達式中，整理得到

在管線起點x=0處時，則

在管線終點x=L處時，則

微分方程（8）、（9）和定解條件（10）、（11）就構成了逆流伴熱系統中描述伴熱水、產液溫度沿管長變化的數學模型。數學上，這是一階常微分方程組的邊值問題，可采用解析方法[6]進行求解。

1.3 井口回壓和最佳伴熱水量的計算

采用伴熱的目的是提高集輸管線內介質溫度，從而降低流動阻力，使井口回壓（即產液管線起點壓力）維持在生產安全、經濟的范圍內。在計算出伴熱管線、集輸管線內流體溫度分布后，即可計算出管線的平均溫度，然后選擇適當的多相流計算模型[7]進行流動計算，根據產液的進站壓力要求確定出井口回壓。

可以采用枚舉法確定伴熱熱水溫度和伴熱水量的最佳組合：對給定的伴熱溫度，首先從某個小流量開始，對伴熱、集輸管線進行熱力計算得到冷、熱介質的出口溫度，再進行水力計算，確定該伴熱溫度、伴熱水量下的井口回壓；然后，按一定的流量步長，給定下一個流量，再進行熱力、水力計算，由此得到伴熱水流量與井口回壓的對應關系曲線，根據這個關系曲線就可以確定伴熱水量。對不同的伴熱溫度，重復上述過程。

2 計算結果分析與討論

將上述計算過程編制成軟件，可以得到不同伴熱水量（摻水量）下冷、熱介質的出口溫度及井口回壓。取某油田的典型生產工況：產液量為10 t/d，含水20%，產液起點溫度為15℃，產液終點壓力（即進站壓力）為0.34 MPa。摻水量對冷、熱介質出口溫度和井口回壓的影響如圖4、圖5所示。

由圖4可知：

1）在伴熱水入口溫度一定時，熱水和產液的出口溫度均隨摻水量的增加而增加。其中，產液出口溫度隨摻水量的變化規律不受伴熱方式的影響，而低摻水量下熱水出口溫度隨摻水量的變化會受伴熱方式的影響較大。逆流伴熱時，熱水出口溫度先隨摻水量的增加變化平緩；當伴熱水量增加到一定程度時出口溫度迅速增加，而后又緩慢增加。

圖4 伴熱水入口溫度對出口溫度的影響

圖5 伴熱水入口溫度對井口回壓的影響

2）當伴熱水量一定時，冷、熱介質的出口溫度均隨伴熱水入口溫度的增加而增加。但在逆流伴熱中，當伴熱水溫較低時，冷、熱介質出口溫度增加不明顯；當伴熱水溫較高時，冷、熱介質的出口溫度才明顯增加。

3）仔細對比兩種伴熱方式，在相同的熱水入口溫度、相同的摻水量下，逆流伴熱的產液出口溫度明顯高于順流伴熱的出口溫度，這意味著逆流伴熱工藝中集油管線的平均溫度高于順流伴熱。

由圖5可知：

1）在兩種伴熱方式下，井口回壓均隨伴熱水量的增加而減小，這說明增加伴熱水量有利于降低井口回壓。

2）在伴熱流量一定的情況下，隨著伴熱水溫度的提高，兩種方式下的井口回壓均下降，顯然溫度升高降低了產液特別是原油的黏度，有利于流動。

3）小流量下逆流伴熱井口回壓隨伴熱水量的降低幅度要遠遠大于順流伴熱的，主要原因是逆流伴熱時管線整體的平均溫度高于順流伴熱，這意味著相同條件下采用逆流伴熱更有效。

通過上面的分析發現，隨著伴熱流量的增加，產液和熱水出口溫度增加幅度均逐漸減小，并且井口回壓降低的幅度也越來越小。這說明產液出口溫度和井口回壓在伴熱水量較小時對摻水量的變化敏感，大流量下不敏感。一定的熱水入口溫度下存在著最佳的伴熱流量，可通過井口回壓要求確定。

3 現場應用

江漢油田某區塊于1968年開發，其原油具有“三低一高”的特點，即低密度、低黏度、低含硫和高凝固點。原有的集輸系統由于接轉站數量多、單井伴熱能耗大、摻水能耗高等原因導致接轉單耗遠高于其他區塊。考慮到油田油氣比大、開發后期含水高的特點，對該集輸系統實施了調整集輸方式，減少接轉站，改伴熱為摻常溫水的不加熱集輸工藝等改造措施，使整個系統的年用電量從110.9×104kWh下降到25.03×104kWh，年用氣量由203.4×104m3下降到85.7×104m3，取得了巨大的節能效果。但是，改造后的集輸系統到了冬季氣溫下降后，井口產液溫度下降，導致油井回壓過高，集輸困難，部分井口回壓超過1 MPa（表1）。

表1 井口回壓超過1 MPa的油井（環境溫度為3.5℃）

為了解決這一問題，對生產困難的油井重新啟用了伴熱措施。依據上述計算原理，對伴熱管線進行計算。計算時給定伴熱水的入口溫度，以滿足最低進站壓力為目標，確定各集輸管線的伴熱流量，計算結果如表1所示。計算表明，針對生產困難的油井采用伴熱措施，在能量消耗增加不大的情況下，可以保證油田在冬季安全、正常地生產，同時大大降低了井口回壓，使油井回壓降低了39%～62%，從而降低了抽油機的能量消耗。

4 結論

1）建立了順流伴熱和逆流伴熱兩種工藝下介質溫度計算的數學模型，得到了伴熱集輸管路內伴熱水與產液的出口溫度隨伴熱溫度和流量的變化規律。

2）逆流伴熱時產液的平均溫度更高，井口回壓更低；因此，在相同條件下采用逆流伴熱更有利。

3）就節能降耗和生產優化而言，應依據井口回壓的要求優化選擇伴熱溫度和伴熱流量的參數組合。

[1]陳麗艷，劉曉燕.高含水油田不加熱集輸界限及運行管理方法[J].應用能源技術，2007（4）：1-3.

[2]董正遠，劉培培.原油不加熱等溫輸送工藝參數的計算模型[J].西安石油大學學報：自然科學版，2009，24（3）：59-62.

[3]劉軍，韓金峰，趙剛，等.三管伴熱流程在稠油集輸中的應用[J].石油天然氣學報（江漢石油學院學報），2008，30（2）：357-359.

[4]黃善波，張克舫.傳熱學[M].東營：中國石油大學出版社，2014：12-14.

[5]李慶揚，王能超，易大義.數值分析[M].5版.北京：清華大學出版社，2008：286-291.

[6]同濟大學數學教研室.高等數學：下冊[M].4版.北京：高等教育出版社，1996：376-386.

[7]馮淑初，郭揆常.油氣集輸與礦場加工[M].東營：中國石油大學出版社，2006：162-193.

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.06.001

2017-03-08

（編輯 王艷）

張雪芹，工程師，2004年畢業于中國石油大學（華東）（過程裝備與控制工程專業），從事節能降耗方面相關工作，E-mail：xueqin1016@sina.com，地址：山東省東營市東營區中國石油大學（華東）西門，257061。