埋地热油管道正反输温降影响因素分析

金钰昕 姚安林 周 刚 刘 杨 吴宏雷

1. 西南石油大学石油与天然气工程学院, 四川 成都 610500; 2. 中国石油工程建设有限公司西南分公司， 四川 成都 610041; 3. 中国电建集团山东电力建设有限公司, 山东 济南 250014; 4. 中国石化胜利油田石油开发中心有限公司, 山东 东营 257000

0 前言

目前，国内大部分油田已处于开发中后期,油田产能下降,导致原油管道处于低输量运行状态。尤其是东部地区原油具有“三高”的特点,造成原油低输量运行时产生凝管停输的危险大大增加[1-5]。解决管道低输量问题的一种有效方法是进行正反输送,如任京线、魏荆线等管道均开展过正反输送[6-7]。目前,对正反输送工艺的研究较少,大多集中在对正反输运行方案制定及经济性等方面的分析[8-9]。未见对正反输送工艺温降影响因素进行分析,而正反输送工艺温降变化，对正确、合理、安全地制定反输方案具有重要的指导作用。因此,对原油管道正反输温降影响因素进行研究具有重要意义。本文运用管内油流的热平衡方程及周围环境的传热微分方程，建立输油管道的正反输非稳态计算模型,并对反输运行时的各种温降影响因素进行详细分析。

1 正反输计算模型的建立

1.1 模型假设

实际正反输工况中油流在管内的流动及与周围环境的传热是复杂的三维非稳态传热模型,为了简化对正反输非稳态计算模型的求解,做如下假设[10-14]:

1)管道横截面上的流速相等,管内的流动当作一维流动。

2)油流在管内的热效应只影响到周围土壤的有限区域。

3)忽略管内油流和周围土壤在轴向上的传热。

4)管内油温取平均油温,管道截面上的油温均匀分布。

5)忽略水分运移等对埋地温度的影响,沿线埋地温度取为定值。

1.2 数学模型

基于以上假设建立正反输非稳态计算物理模型[15-18]，见图1。

图1 正反输非稳态计算物理模型

正反输送工艺计算模型的数学描述为:

1.2.1 管内油流的热平衡方程

(1)

1.2.2 结蜡层及保温层的非稳态导热微分方程

(2)

(3)

1.2.3 土壤的非稳态导热微分方程

(4)

1.2.4 连接条件

Tbr=(R+δ0+δb)-=Tsr=(R+δ0+δb)+

(5)

(6)

Twr=(R+δ0)-=Tbr=(R+δ0)+

(7)

(8)

1.2.5 边界条件

Ty=H=Tn

(9)

(10)

(11)

(12)

1.2.6 初始条件

Ta=φ()

(13)

Tb=fb(r,θ)

(14)

Tw=fw(r,θ)

(15)

Ts=fs(x,y)

(16)

以上正输切换为反输时,反输模型周围土壤的温度场为正输结束时形成的稳态温度场,反输油流的热平衡方程及周围环境的传热微分方程与正输时相同,反输切换为正输时原理类似。因此,仅需讨论反输开始到反输稳定时各因素对反输温降的影响。

2 实例应用

2.1 基础参数

某原油管道全长44.7 km,管径219 mm×5.6 mm,全线设有首站、末站,输送介质为原油,末站进站压力为0.2 MPa。管道和环境相关参数见表1。

表1管道和环境相关参数

项目导热系数/(W·m-1·℃-1)厚度/mm比热容/(kJ·kg-1·℃-1)密度/(kg·m-3)管道405.60.467 800保温层0.045402.3400土壤1.41 6001.841 300

2.2 反输运行温降计算

反输运行温降是以正输切反输操作结束时的温降为初始条件的非稳态过程,通过计算整个反输运行过程中管道每10 km距离处每一时刻管内原油沿线的油温,得到反输运行油温随时间变化规律,见图2。

由图2可知,反输运行开始后冷油被热油顶挤,反向推进,并逐渐向周围土壤散热。冷油到达进站口的温度要低于正输时的进站温度,这是由于管道保温层的隔热特性引起的,反输时保温层隔绝了土壤向冷油头传热,使冷油头在管道输送过程中没有出现温升现象,反而出现了进一步温降。

图2 反输运行油温随时间变化规律

另外,反输运行开始后出站油温与土壤温度之间的温差较大,出现较大的温降梯度使油温迅速降低,随着运行时间的积累,由于热油头在管道内不断向前推移,出现温降梯度较大的管段部分也随之向前推移,同时,不断有新的热油头对周围土壤进行传热,进而使热油头与土壤之间的温差减小,最终在20 h左右反输运行管道内油温达到稳态。

3 反输运行温降影响因素分析

3.1 出站油温对反输温降的影响

由于反输运行开始后的温降，不仅包括反输运行时冷油头向周围土壤的散热，还包括反输运行后注入管道的热油头向周围土壤的散热,温降变化过程较复杂。为了对反输温降的过程进行更详细的分析,根据反输温降特点,将反输温降变化过程分为反输温降非稳态阶段和反输温降稳态阶段(见图3 Ⅳ阶段)两个阶段,其中反输温降非稳态阶段又可细分为反输初始阶段、冷油头控制阶段和热油头控制阶段。以下简称为Ⅰ阶段、Ⅱ阶段、Ⅲ阶段。

详细分析不同出站油温、输量、埋地温度及管径对反输温降的影响,其中不同出站油温下的反输温降变化规律见图3。

图3 不同出站油温下的反输温降变化规律

由图3可知,不同出站油温下Ⅰ阶段温降均迅速升高,且出站油温越高,温降升高越快。之后在Ⅱ阶段温降逐渐升高,由于此阶段进站温度由冷油头的温度形成,反输出站油温的变化对冷油头的温降没有影响,因此随着出站油温的升高,不同的出站油温的温降趋势变化相似。当冷油头被全部顶出管道时,温降达到最大。之后在Ⅲ阶段随着热油头对周围土壤的不断蓄热,使反输温降逐渐减小,并渐渐达到反输稳定状态。由于出站油温的升高,使热油头在管道中流动时对周围土壤的散热能力也增大,导致在Ⅲ阶段反输温降之间的温度差逐渐减小。

3.2 反输输量对反输温降的影响

不同反输输量下的反输温降变化规律见图4。

图4 不同反输输量下的反输温降变化规律

由图4分析可知,在Ⅰ阶段反输温降的增大速度几乎相同,反输输量的增大对Ⅰ阶段的反输温降影响很小。在Ⅱ阶段由于反输输量的增大导致反输总传热系数增大,冷油头温降增大,且反输输量越大温降梯度越大;另一方面由于反输输量的增大,使冷油头在管道内的时间减小,更快地被顶出管道,这也导致了反输温降最大值的不同和出现时间的不同。在Ⅲ阶段当热油头的反输输量较大时,其与周围土壤的换热量也较大,使这一阶段的反输温降下降也较快,更快地达到反输稳定状态。

3.3 埋地温度对反输温降的影响

不同埋地温度下的反输温降变化规律见图5。

图5 不同埋地温度下的反输温降变化规律

由图5可知,在Ⅰ阶段反输温降的增大速度几乎相同的,埋地温度的升高对Ⅰ阶段的反输温降影响很小。在Ⅱ阶段,一方面随着冷油头与周围土壤之间的换热,使反输温降逐渐增大；另一方面由于埋地温度的升高使冷油头与周围土壤之间的温差减小,使反输总传热系数减小,冷油头反输温降梯度减小,进一步导致了在冷油头被全部顶出管道时最大反输温降变小。由于热油头与周围土壤之间的温差与埋地温度的升高产生的温差相比要大得多,因此,在Ⅲ阶段虽然埋地温度较高的反输温降梯度较小,但不明显。

3.4 管径对反输温降的影响

不同管径下的反输温降变化规律见图6。

图6 不同管径下的反输温降变化规律

由图6可知,在Ⅰ阶段和Ⅱ阶段,反输运行时冷油头向周围土壤散热,使反输温降增大,且管径变小后,管道总传热系数变大,冷油头与周围土壤之间的换热变强,导致管径小的反输温降梯度也较大。反输运行时,管径越小,油流流速越快，冷油头被顶出管道需要的时间越短。同理,在Ⅲ阶段,管径越小,热油头与周围土壤换热越强,反输温降梯度越大,达到反输运行稳定所需的时间越短。

4 结论

本文将正反输非稳态过程进行合理的简化假设,建立正反输的非稳态传热计算模型,并求解。创新性地将反输温降过程分为反输初始阶段、冷油头控制阶段、热油头控制阶段和反输温降稳定阶段四个阶段进行分析,得出:

1)对于保温管道,反输运行最低温度为冷油头全部被顶出管道时的进站温度。

2)增大反输输量,在夏季进行反输运行均能有效地提高反输时的最低温度,而提高出站油温及变换管径对升高反输运行最低温度几乎没有作用。

3)增大反输输量及缩小反输管径均能较好地缩短反输运行达到稳定所需的时间,而提高出站油温及季节变换对反输运行达到稳定所需时间的影响很小。

4)增大反输输量对正反输运行具有最积极的影响,在夏季进行反输更易实现,采用小管径管道进行反输运行,反输温降达到稳定所需时间较短。