電加熱解凝技術對斜坡管道解凝模擬計算研究

馬 躍

（中國石油管道局工程有限公司東北石油管道有限公司，遼寧 沈陽 110031）

目前電加熱解凝技術（圖1）對管道解凝的應用研究主要集中于管道徑向凝油融化的研究[1-6]。而斜坡敷設管道由于起點和終點高程不同，管道解凝過程中固相凝油和液相熱油在管道內流動和熱交換作用頻繁，所以單一研究管道徑向凝油融化規律不足以表征斜坡管道凝管的解凝效果。以下針對凝油融化問題建立三維流固相變傳熱數學模型[7]，利用Fluent仿真軟件模擬分析斜坡敷設管道中凝油融化的軸向傳熱過程及擴散規律，以期為斜坡敷設管道電加熱分段解凝長度確定和解凝時間計算提供理論依據。

圖1 管道電加熱解凝工藝圖

1 模型建立

1.1 物理模型

本文借助Fluent模擬仿真軟件建立三維管道模型，管道徑向截面如圖2所示，模型計算區域包括凝油區、結蠟區和鋼管區3部分，均采用六面體網格進行單元劃分（圖3），其中凝油區作為模擬計算主要研究對象對網格進行細化并對臨近結蠟區域劃分流動邊界層。利用該模型分別模擬不同坡度管道中凝油融化及擴散規律，分析管道坡度對解凝速率的影響。

圖2 管道徑向模型圖

圖3 三維模型網格細化圖

1.2 數學模型

質量守恒方程：

動量守恒方程：

式中：τj—應力張量，Pa；

gi和Fi—i方向上的重力體積力和外部體積力，N·m-3；

p—靜壓力，Pa。

其中τj可表示為：

能量守恒方程：

式中：E—內能，J；

Jj—組分j′的擴散流量，m3·s-1；

Sh—用戶定義的體積熱源項，J·kg-1；

keff—有效導熱率，W·m-1·K-1；

hj—同分子物質的焓值。

其中E可表示為：

式中：mj—組分的質量分數。

1.3 邊界條件和初始條件

由于管壁加載解凝溫度低于原油中蠟的融化溫度，故本文模型中假設結蠟區不發生相變過程，以下模擬計算內容只針對凝油區的融化相變過程進行研究。同時為更接近實際凝管工況，本文先將管內原油在停輸狀態下進行靜置，使原油與地溫進行充分熱交換并達到穩態平衡后再將管壁升溫進行解凝計算。

式中：Tw—調節管道輸入電流及頻率管道外壁獲得的加載溫度；

Td—管道周圍地溫。

1.4 物性參數

以某山地原油管道凝管為例，管道坡度在0°～ 45°間變化，管徑φ159×6mm，原油凝點32 ℃，傾點35 ℃，析蠟點溫度52 ℃，管道內壁結蠟層平均厚度為5 mm，管道周圍地溫為5 ℃。原油黏溫曲線如圖4所示。

由圖4可以看出，42 ℃以上黏度無明顯變化，說明該溫度下原油流動性趨于穩定，后期輕質油對融化原油的頂擠置換阻力較小。故本文選用42 ℃作為管壁加載溫度來模擬管道不同坡度的凝管工況，分析電加熱解凝對不同坡度管道的解凝效果。

圖4 原油黏溫曲線圖

凝油模型中其余材料相關物性參數如表1所示。

表1 凝油模型相關物性參數

2 數值模擬與結果分析

2.1 不同坡度管道解凝效果分析

根據圖5至圖8不同坡度管道軸向截面凝油融化液相比例云圖可知，管道坡度越大，坡底沉積凝油越多，解凝效果越差。

圖5 管道0°坡度凝油融化液相比例云圖

圖6 管道15°坡度凝油融化液相比例云圖

圖7 管道30°坡度凝油融化液相比例云圖

圖8 管道45°坡度凝油融化液相比例云圖

原因是凝油在升溫軟化后轉變為一種半凝固半融化狀態的膠凝體，因密度大于液態熱油而向坡底方向持續緩慢運動，已經融化熱油順著凝油與管壁間的環向間隙被反向頂擠到坡頂管段，且管道坡度越大，膠凝體原油在坡底方向上的分作用力越大，向下運動動量越大，最終導致坡底凝油沉積越多，管道解凝效果較差。

2.2 不同坡度管道解凝速率分析

根據圖9不同坡度管道解凝速率曲線圖可知，解凝前期（8 h以前）不同坡度管道解凝速率基本相同，坡度對于凝油融化速率影響不大；解凝后期（8 h以后），當管道坡度小于15°時，坡度對于凝油融化速率同樣影響不大，但當管道坡度大于15°時，管道坡度越大，凝油融化速率越小。原因在于解凝前期，管內固相凝油以圓柱狀整體形態存在，管道坡度傾斜方向的分力不足以使凝油發生軸向位移，固相凝油外緣與管壁間形成的環形間隙相對狹窄，融化熱油在管道內部相對運動以及熱交換趨勢較弱，斜坡管道與水平管道中凝油融化所需熱量均以徑向吸熱為主，故管道坡度對于解凝速率影響不大。而解凝后期，固相凝油圓柱由于溫度升高剛度降低，受到熱油環向渦流擾動后逐漸被分成小段塊狀凝油，當管道坡度小于15°時，凝油坡向作用力較小，不足以克服流動阻力，塊狀凝油仍在原始位置融化，所以解凝速率與水平管道相差無幾。但當管道坡度大于15°時，凝油坡向作用力可以克服流動阻力作用逐漸沿斜坡向下緩慢運動。最終溫度較低、密度較大固相凝油在斜坡下部管段積聚，熱油在斜坡上部管段聚集，下部和上部固液聚集形成兩極分化狀態，此時上部管段對熱油進行持續加熱而沒有發揮解凝作用，下部管段則是為持續流入的地溫膠凝原油加熱，解凝負荷較大，最終導致整條管道的解凝速率低下。

圖9 管道不同坡度解凝速率曲線圖

圖10 不同管道水平與傾斜兩種工況解凝時間對比圖

2.3 坡度對不同口徑管道解凝時間的影響

本通過模擬計算管道在水平敷設與斜坡敷設（0°～45°）4種工況下管道的解凝時間，分析坡度對不同口徑管道解凝時間的影響。模擬計算結果表明，管道口徑越大，水平敷設與斜坡敷設工況解凝時間間隔越小，管道解凝時間受坡度的影響越小。原因是管道口徑越大，管內凝油中心距離管壁熱源越遠，越靠近凝油中心吸收熱量越少，受熱軟化分解速度越慢，導致固態凝油長時間以整體圓柱形態存在，其向坡底方向運動阻力較大、位移較小，坡頂、坡底凝油融化熱量仍以徑向吸熱為主，所以坡度對口徑越大的管道影響越小。反之，管道口徑越小，凝油中心升溫、軟化速度較快，固相凝油受周圍熱油擾動分解后向坡底方向運動、積聚較多，解凝時間較長，最終導致小口徑水平管道與斜坡敷設管道的解凝時間相差較大。

3 結 論

1）管道坡度越大，解凝過程中坡底沉積凝油越多，解凝效果越差。

2）解凝前期不同坡度管道解凝速率基本相同，坡度對于凝油融化速率影響不大；解凝后期，管道坡度越大，凝油融化速率越小。

3）管道口徑越大，管道解凝時間受坡度的影響越小；管道口徑越小，管道解凝時間受坡度的影響越大。