冷热原油交替输送技术的研究分析

黄淑寅

[摘要]我国对于冷热油交替输送技术的研究，目前已经取得了较好的成绩。这项技术符合我国国情，具有很大的研究价值。本文主要介绍了冷热油交替输送中管道土壤传热、管内非稳态传热流动研究的常用几种方法，以及耦合计算的数学模型、求解步骤和原理，对国内冷热油输送技术和今后发展进行了展望。

[关键词]冷热原油；交替；输送；技术

一、交替输送应用的技术现状

我国的原油输送技术，相比国外原油顺序输送技术赴较晚而且相对落后。上世纪70年代末，我国在湛茂线和鲁宁线进行了原油顺序输送尝试，但是结果不理想，没有取得成功。伴随着我国原油进口规模的不断扩大，技术人员加大了对原油交替输送技术的研究和技术实验，并且在一定程度上取得了突破。新大线于2006年进行了首次冷热油交替输送先导试验。经过30天，7次不同输量的循环，输送取得了初步成功，这为冷热油交替输送提供了技术储备和安全保障，也是我们所取得的初步经验。是国内冷热油交替输送的先例，007年，在西部原油管道上，我们相继对塔里木油、塔里木一北疆混合油、吐哈油和哈萨克斯坦的进口原油采用了冷热顺序输送方式，以及对俄罗斯油和大庆原油进行冷热顺序输送，进一步积累了成功的经验。

二、冷热油输送方法分析

（一）冷热油管道土壤中的传热研究方法

冷热油交替输送管道在土壤中传热是一个非稳态过程。输送热油时，热油向土壤散热，土壤吸热蓄热；输送冷油时，土壤蓄热此时对冷油加热，并且随着交替的批次增加，呈现一定的周期性。研究管道在土壤中的传热，可以对交替耦合的情况进一步研究，也能为停输再启动提供依据。由于管外土壤为半无限大区域，在研究中无法进行直接的计算，需要通过一些简化、变形后才能计算。目前计算管外土壤温度场的方法主要有源汇法、因次分析法、热力影响区域法和双极保角变换法。

源汇法，是将半无限大空间内稳定传热的埋地热油管道看连续作用线热源，利用源汇法进行解析求解。因次分析法是由苏联学者古宾提出了一种利用无因次变量来对地下输油管道热损失进行求解的近似算法。双极坐标保角变换法保角变换法又称半空间模型法，这种方法是通过双极坐标保角变换，将半无限大土壤区城转化为有界矩形或环形区域，然后可对微分方程数值求解。热力影响区法是认为管道的热力影响有一定的范围，在范围之外的影响可以忽略不计，将半无限大的土壤求解区域简化为一个矩形或扇形的求解区域。该方法在一些要求精度不高的工程问题中得到了广泛应用。

（二）管内非稳态水力-热力研究方法

在管内非稳态热力-水力耦合的研究中，研究者通常以管内油流的连续性方程、动量方程及能量方程为基础，对油流非稳态传热和流动进行研究。此类问题的研究方法主要归为解析法、特征线法、数值模拟三类。

前苏联学者曾根据长输管线内流体非稳定流动的特点，对管内原油非稳态流动传热进行了解析求解。但是尽管做了相当的简化，方程组仍然十分复杂，不适合工程中应用。国内研究者曾采用双特征线对顺序输送中水力、热力耦合过程进行了分析计算。具体的耦合过程为：首先计算稳态时管流的流量、温度等参数；当边界条件变化而引起水力一热力瞬变时，当前温度取前一时步的值，根据水力瞬变特征线法，计算管道上各节点的流量、温度等参数值。在一个时间步长里，经过反复的计算达到要求的精度后，进行下一时步的运算。数值模拟法就是将求解域进行网格节点划分，通过数值方法将一系列的控制方程离散化，求解控制方程组，得到各个节点数值，从而得到整体的变化规律。

三、冷熱油交替输送耦合计算

冷热原油交替输送系统是一个菲稳态、多控制因素的系统。由于其输送距离长，划分网格数巨大，从时间效率和经济效率考虑，不适合用现行的商业CFD软件来模拟整个过粗。研究者们对于交替输送的研究，通常是整体统筹计算，局部详细模拟。整体上从水力、热力控制方程人手，将其离散差分进行耦合的数值计算。

假设管内油流温度只随时间和管线长度变化而变化，即同一截面温度是相同的。假设管道周围土壤介质为各向同性的均匀介质。假设忽略混油段及冷热油交界面处的导热，即认为是活塞型驱油。假设管外土壤传热只在径向平面。

四、冷热油交替输送研究现状

冷热油交替输送，涉及土壤蓄热、停输启动、管道预热等问题，但又比单纯的加热输送复杂。它还涉及到冷油的预热量和预热温度以及加热时机等问题。国内很多学者进行深入研究。

鹿广辉、杨云鹏等都对冷热输送埋地管道的土壤传热进行了研究。他们通过建立土壤模型，利用商业模拟软件，对不同工况进行模拟，对输送过程中土壤蓄热，交替过程中温度场的变化以及温度场漂移的规律进行了总结。

冷热油交替过程中加热方案的经济性综合采用有限差分和有限元法，编制软件对输送过程进行了数值模拟。通过分析两种不同控制方式的不同的加热方案，比较能耗得出，对低凝油尾部分加热所所需的能耗比对其整体加热的要少，应考虑第二种控制方式下的最佳加热方法。在对冷热油交替输送耦合模型的建立上，作者提出了移位网格下的虚拟边界条件法，解决常规有限差分法和交错网格的有限差分法对水力瞬态变化的不足，并且编制了更加严谨的非稳态水力一热力耦合计算程序，并在现场应用中得到了验证。对于交替输送中的热力影响因素，作者通过模拟分析认为，输送距离，年输送批次，相对加热量以及加热时机都会输送安全产生影响。输送距离增加不利于改善原油的流动安全，而批次的增加虽然改善了流动安全，却造成了混油量和运行管理难度增加。

五、冷热油顺序输送研究总结及展望

冷热油交替输送事业复杂的非稳态水力热力过程，但其产生的经济收益是可观的。目前的研究，多数都是基于控制方程，离散及简化边界条件，进行数值计算并编制交替输送的程序。这种简化的数值计算，基本上满足了工程的需要，三十对于冷热原油交替输送的规律并没有完全表现出来。例如：（1）交际交替过程中水力过程也是非稳态的过程，输送的流量、压力等对热力的影响：（2）实际交替过程中存在混油段，混油的热力变化更加复杂，混油界面的捕捉；（3）管线与周围土壤传热情况，考虑不同环境因素下的真实温度场。（4）冷热交替的循环，造成管线钢的热应力变化，所导致的管线安全问题。对于这些方面的研究应该是今后研究的着力要突破的方面。

随着计算机的性能提高，数值计算不断发展，计算机模拟占据巨大的优势。相比于实验的巨大投入，计算机模拟无疑使非常好的选择。但是，由于模型的建立和算法的选择，使得一些问题只存在理论上可算，实际上耗时巨大。所以，对于数值计算，网格的划分，算法的选择，模型的创新也是值得我们深入研究的，具有现实意义。