埋地熱油管道軸向溫降仿真分析

包日東， 趙騰飛， 李珊珊

(沈陽化工大學 能源與動力工程學院， 遼寧 沈陽 110142)

埋地熱油管道軸向溫降仿真分析

包日東， 趙騰飛， 李珊珊

(沈陽化工大學 能源與動力工程學院， 遼寧 沈陽 110142)

為了降低熱油管道輸送中的運行能耗，在考慮大氣溫度和管道埋深處土壤自然溫度場的準周期變化規律、總傳熱系數、油品流速對沿程溫降影響的條件下，建立油流溫降模型,并給出解析解,詳細分析了長輸熱油管道加熱站出站油溫、油流沿線溫降變化規律.這對熱油管道生產運行工作制度的制定具有重要的理論價值，為埋地熱油管道的平穩低耗運行提供可靠的理論依據.

埋地熱油管道； 沿程溫降； 土壤溫度； 仿真分析

目前在易凝高黏油品管道輸送過程中，通常將油品進行加熱輸送，降低黏度，使其在管道輸送時不凝固，以降低輸送過程中的動力損耗[1].加熱油品沿管道流動，油品中的熱量不斷向周圍的介質中傳遞，導致油品溫度不斷下降.由于油品沿程溫度與油品的質量流量、油品與管道外部的溫差、管道總熱阻等參數有關，且不容易準確確定，因此，為了保證安全輸送，油品初始溫度一般較高.在輸送過程中周圍環境對其溫度變化影響很大，其溫降過程一般為非穩態的傳熱過程[2].另外，大氣溫度的周期性交替變化也會影響管道環境溫度的變化，從而影響到油品的沿程溫度.本文考慮大氣溫度和管道埋深處土壤自然溫度場的準周期變化規律[3]，采用管道分段計算的方法，仿真分析長輸熱油管道加熱站出站油溫、油流沿線溫降變化規律，旨在為埋地熱油管道的平穩低耗運行提供理論依據.

1 熱油管道沿程溫降

油品在加熱站中加熱之后進入輸油管道，油品在管道輸送過程中，由于油品不斷向周圍散熱，所以，油流溫度有所降低.在實際工程中，由于土壤自身熱容量比較大，土壤溫度場變化比較慢，使得輸油管道在工作一些時間后才能達到相對穩定的狀態[4]，因此，對于熱油管道軸向溫降，需要在熱力、水力相對穩定狀態的前提下進行模擬計算.

1.1 土壤自然溫度場隨季節的變化

據統計，以年為周期的大氣溫度隨時間呈周期性變化，其規律可以近似看為簡諧波動[5]:

(1)

式中：Ta為大氣溫度，℃；Tam為年平均氣溫，℃;Ta max為一年內日平均最高氣溫，℃；t1為一年內日平均溫度最高日算起的時間，s；t0為一年計算時間，s.

可以把大氣向土壤的傳熱過程視為半無限大均勻介質中的一維傳熱問題，其微分方程為:

(2)

式中：α為土壤導溫系數，m2/s；h為距地表距離，m.

取大氣-土壤邊界為第三類邊界條件，得時間與深度對土壤自然溫度的影響的變化規律為:

T0(h,t1)=Tam+(Ta max-Tam)φ·

(3)

(4)

(5)

1.2 管道軸向溫降

穩定工況下，在長度為dl的微元管段上能量平衡方程式如下：

KπD(T-T0)dl=-GcdT+gGidl

(6)

式中：T為微元段上油溫，℃；G為油品質量流量，kg/s；i為油流水力坡降；dT為流經dl長度后，油流產生的溫降.

在管道長度為L的管段上，設總傳熱系數K為一個常數，則對等式(6)整理并積分，能夠得到沿程溫降計算公式，即列賓宗公式：

T=Tzexp(aΔL)+(T0+b)·

[1-exp(aΔL)]

(7)

式中：G為油品的質量流量，kg/s;c為輸油平均溫度下油品比熱容，J/(kg·℃)；D為管道外直徑，m；L為管道輸送的長度，m；K為管道總傳熱系數，W/(m2·℃)；T為管段開端處油溫，℃；Tz為管段終端處油溫，℃；T0為周圍介質溫度，其中埋地管道取管中心埋深處自然地溫，℃；g為重力加速度，m2/s.

將式(3)代入式(7)，可得一年內管道沿線油溫隨時間變化的計算式：

T=Tzexp(aΔL)+[1-exp(aΔL)]{Tam+

(8)

2 仿真模型

管道埋深、油溫高低、流速大小、原油的物性參數、管道直徑以及土壤的物理性質、管道和土壤接觸的緊密程度、管道內壁結蠟的厚度等等，都是影響油品向外傳遞熱量的因素，鑒于埋地管道周圍溫度計算的復雜性，為便于模擬其求解和分析，做如下一些假設[6-8]：

(1) 土壤本身存在溫度場，并且在距離底邊深度H=8 m處，地表溫度及輸油管道散熱情況對該處影響隨時間變化極小，假設該處溫度為恒溫；

(2) 在距離輸油管水平上方的一定距離處，管道散熱對其溫度影響忽略不計，并且為絕熱邊界，無熱量交換；

(3) 假設管道與土壤之間只通過導熱進行熱交換；

(4) 土壤為連續均勻的介質；

(5) 將原油在管道內的流動情況視為一維流動，取油品的溫度、流速、壓力等參數為管道界面的平均值；

(6) 將原油視為不可壓縮流體；

(7) 忽略原油管道管壁的熱阻；

若直接建立20 km的管道模型，對計算機負荷太大，無法進行計算，所以對物理模型進行簡化：以L=1 000 m為步長進行計算，距離地表深H=8 m處為恒溫層即絕熱邊界.簡化模型如圖1所示.

圖1 埋地熱油管道的簡化模型

3 仿真分析

3.1 管道埋深處地溫年周期變化

以東北地區為例進行分析，大氣最高溫度出現在一年中的第201天，大氣最低溫度出現在一年中的第20天，空氣最高溫度Tmax=35 ℃，空氣年平均溫度Tam=8 ℃，土壤導熱系數λs=1.4 W/(m·℃)，土壤導溫系數α=5.3×10-7m2/s，地表風速Va=1.0 m/s，管道埋深h=1.5 m.管道埋深處地溫年周期變化如圖2所示.

圖2 管道埋深處土壤溫度隨大氣溫度的周期變化

從圖2管道埋深處土壤自然溫度隨季節變化的準周期規律看出：管道埋深1.5 m處的土壤的自然溫度比地表溫度的變化趨勢滯后約35 d左右，且埋深處土壤溫度變化較地表溫度的變化平緩.

3.2 埋地管道沿程溫降仿真分析

設置管道埋深2 m，管徑0.74 m，管長20 km，保溫層厚度取30 mm.土壤物性參數為：密度1 680 kg/m3，比熱容2 100 J/(kg·℃)，導熱系數1.512 W/(m·℃).保溫層材料為聚氨酯硬質泡沫塑料，其密度為60 kg/m3，比熱容700 J/(kg·℃)，導熱系數0.04 W/(m·℃).傳熱系數計算可參考文獻[1].設管道入口為速度入口，出口處為自由流出，土壤上下層邊界為溫度邊界，上邊界溫度取地表溫度，即20 ℃，下邊界取4 ℃.土壤的初始溫度為8 ℃，管道起點油溫60 ℃.

分別對不同總傳熱系數、不同流速時沿程溫降進行仿真計算，結果如圖3和圖4所示.

由圖3可以看出：不同總傳熱系數K的沿程溫降是不同的，隨著K值的增大，沿程溫降不斷加快，因此，在對管道軸向溫降進行模擬計算時，應考慮適當的K值，避免產生不必要的誤差.

圖3 不同總傳熱系數沿程溫降

圖4 不同流速沿程溫降

由圖4可以看出不同流速時沿程溫降的對比，隨著流速的增大，沿程溫降不斷減小，但在管道實際輸送過程中還需要考慮其它因素，因此，可以選擇適當的油品流速以達到最佳的經濟輸送效果.

對夏季地溫20 ℃、冬季地溫-10 ℃時管道起點處周圍土壤溫度場仿真計算結果如圖5和圖6所示.

圖5 夏季土壤溫度場分布

圖6 冬季土壤溫度場分布

通過圖5與圖6土壤溫度場的對比可以看出：由于在冬季油品與周圍土壤溫差較大，管道向周圍散熱量大，因此，冬季管道周圍土壤溫度場明顯比夏季密集.同時由于冬季地表溫度低于土壤恒溫層的溫度，使得管道上方土壤溫度梯度比管道下方大；夏季地表溫度則高于土壤恒溫層溫度，管道下方土壤溫度梯度要比上方大.

將地溫年度變化代入進行模擬計算，經數據處理后，得到加熱站出站油溫的年變化曲線，如圖7所示.

圖7 加熱站出站油溫的年變化規律

由圖7可知：加熱站出站油溫在一年內是隨時間波動變化的，在各種不同流速下其波動的規律相同，與管道埋深處土壤的自然溫度變化規律正好相反，即當管道埋深處土壤的自然溫度最低時，所需的加熱站出站油溫最高，當管道埋深處土壤的自然溫度最高時，所需的加熱站出站油溫最低，這主要是由土壤蓄熱量和油流向土壤的散熱量不同所導致.所以，從降低能耗的優化運行角度出發，加熱站對油品的加熱溫度應該在一年內隨時間不斷調整，致少應做到隨季節進行必要的調整.

4 結 論

管道埋深處的土壤的自然溫度比地表溫度的變化趨勢滯后35 d左右，為了降低熱油管道加熱能耗,應盡量保持進站油溫在略高于允許的進站溫度的穩定狀態下運行,因此，加熱站的出站溫度應根據年內管道埋深處土壤溫度的準周期變化規律來做季節性的調整，而不應該全年只采用一種加熱站出站油溫.對不同的總傳熱系數、不同流速，應當采用不同的出站油溫.當管道埋深處的土壤溫度較高時，降低加熱站的出站油溫；當管道埋深處的土壤溫度較低時，再提高加熱站的出站油溫.

[1] 楊筱蘅,張國忠.輸油管道設計與管理[M].東營:石油大學出版社,1996:77-82.

[2] 劉曉燕,劉揚,孫建剛,等.輸油管道運行優化研究[J].工程熱物理學報,2004,25(4):558-561.

[3] 張國忠.埋地熱油管道準周期運行溫度研究[J].油氣儲運,2001,20(6):4-7.

[4] 李長俊,駱建武,陳玉寶.埋地熱油管道啟輸熱力數值模擬[J].油氣儲運,2002，21(12):16-19.

[5] KURAK S K.Power Optimization Yields Savings for Products Pipeline[J].Oil & Gas Journal，1989,87(26):65-66.

[6] 吳國忠,曲洪權,龐麗萍，等.埋地輸油管道非穩態熱力計算數值求解方法[J].油氣田地面工程，2001,20(6):6-7.

[7] 王常斌,徐洋,趙艷紅，等.埋地熱油管道沿程溫降的數值模擬[J].管道技術與設備，2012(1):15-17.

[8] 張爭偉,凌霄,宇波，等.埋地熱油管道正常運行的數值模擬研究[J].工程熱物理學報，2008,29(8):1389-1392.

Simulation Analysis of Buried Heat Oil Pipeline

BAO Ri-dong, ZHAO Teng-fei, LI Shan-shan

(Shenyang University of Chemical Technology, Shenyang 110142， China)

Basis on the aim of reducing energy consumption of heating oil pipeline operation,the mathematical model of temperature during oil transportation was established,considered the influence of the periodic and unsteady temperature of atmosphere and pipeline surrounding soil,the heat transfer coefficients,the flow rates to the on-the-way temperature drop.The outlet temperature of heat operating station,and the changing laws of temperature reducing were simulated using the pipeline segmentation method.The result can provide a scientific basis for actual production and management,significance to pipeline safe operation and energy saving.

buried heat oil pipeline; on the way temperature drop; the oil temperature; simulation analysis

2015-05-20

國家自然科學基金資助項目(51275315)

包日東(1967-)，男，福建上杭人，教授，博士，主要從事輸流管道流固耦合振動與控制的研究.

2095-2198(2017)02-0158-04

10.3969/j.issn.2095-2198.2017.02.013

TE832

： A