熱油管道防腐層大修期間熱力參數(shù)的數(shù)值模擬研究

1、熱油管道防腐層大修期間熱力參數(shù)的數(shù)值模擬研究李偉1 基金項(xiàng)目：中國(guó)石油天然氣股份有限公司項(xiàng)目(2005-3220)部分研究成果。作者簡(jiǎn)介：李偉，男，1978年6月出生，2000年畢業(yè)于石油大學(xué)(華東)，中國(guó)石油大學(xué)(北京)在讀博士生，主要從事油氣儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)理論與試驗(yàn)研究。E-mail:lwei0612宇波1 張勁軍1 張爭(zhēng)偉1 黃金萍2 （1中國(guó)石油大學(xué)（北京）城市油氣輸配技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京昌平102249；2中油管道分公司沈陽(yáng)調(diào)度中心，遼寧沈陽(yáng)，110031）摘要：基于對(duì)防腐層大修期間施工進(jìn)度與輸油工況的合理簡(jiǎn)化，建立了有開挖段站間熱油管道正常運(yùn)行數(shù)學(xué)模型，并采用有限容積法對(duì)該模型進(jìn)行

2、數(shù)值離散。通過對(duì)該模型的數(shù)值求解，可以模擬防腐層大修期間不同環(huán)境條件、不同運(yùn)行參數(shù)和開挖回填不同階段管道沿線原油和土壤溫度變化。根據(jù)溫度模擬結(jié)果，可以確定大修期間開挖站間的最大允許開挖長(zhǎng)度。利用所編計(jì)算程序?qū)?006年鐵秦輸油管道葫蘆島綏中站間防腐層大修期間運(yùn)行工況的模擬結(jié)果顯示，進(jìn)站油溫平均計(jì)算偏差低于1.0。若考慮防腐層大修期間管溝積水的影響，鐵秦輸油管道葫蘆島綏中站間7月份最大開挖長(zhǎng)度不超過1.0km；若不考慮，該站間7月份最大開挖長(zhǎng)度不能超過6.0km。本研究為制定東北管網(wǎng)防腐層大修期間合理的管道運(yùn)行方案提供了理論依據(jù)。關(guān)鍵詞：熱油管道 防腐層大修 開挖回填 有限容積法 數(shù)值模擬 前言

3、我國(guó)東北管網(wǎng)始建于上個(gè)世紀(jì)七十年代，已運(yùn)行三十多年，為保證管道的安全運(yùn)行，自2005年開始，東北管網(wǎng) 進(jìn)行了有計(jì)劃的防腐層大修。大修期間，需要對(duì)管道進(jìn)行開挖，從而導(dǎo)致了管道輸油工況的惡化。黃金萍1根據(jù)對(duì)大修期間埋地管道土壤熱力條件的初步分析，提出了改善管道熱力條件的措施，但所作分析基于管道運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。為制定合理的大修期間運(yùn)行方案，仍需從理論方面對(duì)防腐層大修期間管道熱力參數(shù)變化進(jìn)行分析，目前并未見有對(duì)該問題研究的文獻(xiàn)。防腐層大修期間，開挖段原油直接向大氣散熱，溫降速率增大，站間原油溫度分布隨之改變；開挖段回填后，開挖段原油向土壤散熱，溫降速率減小，隨著回填土壤溫度場(chǎng)的恢復(fù)，站間原油溫度分布發(fā)生改變

4、，即開挖回填期間管內(nèi)原油處于典型的不穩(wěn)定傳熱狀態(tài)。大修結(jié)束后，回填土壤溫度場(chǎng)逐漸恢復(fù)，恢復(fù)過程受管道散熱和環(huán)境條件變化共同作用。從管道開挖到回填土壤溫度場(chǎng)恢復(fù)穩(wěn)定，管內(nèi)原油的散熱處于不穩(wěn)定狀態(tài)，散熱量增多。由于防腐層大修持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)（每2km大修段施工時(shí)間一般在30d左右），大修期間發(fā)生氣候條件變化（寒流、突降暴雨等）時(shí)，開挖段向外界散熱速率變大，散熱量增多，進(jìn)而影響到全線輸油工況的變化。因此大修期間若有氣溫突降、管溝積水等意外因素，開挖管段大幅散熱將導(dǎo)致管道輸送安全性下降?？梢姡诜栏瘜哟笮奁陂g，現(xiàn)有基于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的管理經(jīng)驗(yàn)和研究成果2-7已不完全適用。本文研究者通過對(duì)開挖回填管道熱力狀態(tài)變化的

5、分析，建立了適用于開挖回填期間管道熱力參數(shù)模擬的數(shù)學(xué)模型，通過對(duì)數(shù)學(xué)模型的數(shù)值求解開發(fā)出密切結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)的計(jì)算程序。利用程序?qū)?shí)際防腐層大修期間運(yùn)行工況進(jìn)行數(shù)值模擬，并通過計(jì)算結(jié)果與管線運(yùn)行數(shù)據(jù)及實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)的對(duì)比驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上，提出防腐層大修期間站間最大允許開挖長(zhǎng)度的確定方法。1有開挖段站間熱油管道正常運(yùn)行數(shù)學(xué)模型根據(jù)原油流動(dòng)過程中實(shí)際情況，所采用的計(jì)算模型作如下假定：(1) 管內(nèi)同一截面上的原油溫度均勻分布，即管內(nèi)原油溫度只是時(shí)間和管道軸向位置的函數(shù)；(2) 熱油管道周圍熱力影響區(qū)域簡(jiǎn)化為矩形，該區(qū)域內(nèi)土壤為各向同性的均勻介質(zhì)；(3) 忽略原油軸向傳熱，將站間任意位置處

6、的三維不穩(wěn)定傳熱問題簡(jiǎn)化為二維不穩(wěn)定傳熱問題?；谏鲜黾僭O(shè)，對(duì)于站間未開挖位置，參照?qǐng)D1，綜合考慮管道橫截面上原油、結(jié)蠟層、鋼管、防腐層、土壤（管道熱力影響區(qū)）和大氣之間的相互影響，可得到數(shù)學(xué)模型。圖1 埋地管道示意圖Figure1: sketch map of buried pipeline油流的換熱方程： （1）結(jié)蠟層、管壁和防腐層的導(dǎo)熱方程： （2）土壤導(dǎo)熱方程： （3）邊界條件：當(dāng)時(shí) （4）當(dāng)時(shí)， （5）當(dāng)或時(shí)， （6）當(dāng)，；或，時(shí)， （7）其中，為原油密度，kg/m3； 為時(shí)間，s；為油流平均速度，m/s； 為重力加速度，m/s2； 為油流截面平均壓力，Pa；為達(dá)西摩阻系數(shù)；為原油定

7、壓比熱容，J/(kg·)；為管道內(nèi)直徑，m；為原油在單位管壁面積上單位時(shí)間的散熱量，w/m2；為原油溫度，；為原油膨脹系數(shù)，-1；為第層（結(jié)蠟層、管壁和防腐層）的密度，kg/m3；為第層（結(jié)蠟層、管壁和防腐層）的比熱容，J/(kg·)；為第層（結(jié)蠟層、管壁和防腐層）的溫度，；為第層（結(jié)蠟層、管壁和防腐層）的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·)；為徑向位置，m；為環(huán)向弧度；為土壤密度，kg/m3；為土壤比熱容，J/(kg·)；為土壤溫度，；為土壤導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·)；為垂直于軸向的水平位置，m；為深度，m ；為油流對(duì)管內(nèi)壁的放熱系數(shù)，W/(m2·)

8、；為管內(nèi)壁溫度，；為地表向大氣的放熱系數(shù)，W/(m2·)；為大氣溫度，；為自然熱力狀態(tài)下的土壤溫度，；為熱影響區(qū)域的邊界至管中心的水平距離，m；為熱影響區(qū)域的邊界至地表的垂直距離，m；為管道埋深，m；為管道最外層半徑，m。 對(duì)站間開挖段，管外介質(zhì)變?yōu)榭諝猓溥吔鐥l件處理為： 在沒有天氣突變、泡水及回填的情況下，認(rèn)為開挖段管道直接和空氣進(jìn)行對(duì)流換熱，根據(jù)鋼管的導(dǎo)熱量和管外壁與大氣對(duì)流換熱量的平衡關(guān)系列方程。回填后，假定管道周圍回填土壤溫度均勻分布，初始溫度為當(dāng)時(shí)土壤自然溫度。 在有泡水的情況下，根據(jù)不同的泡水深度進(jìn)行處理: 當(dāng)泡水完全淹沒開挖段輸油管道時(shí)，對(duì)泡水區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，用水的

9、物性參數(shù)求解泡水帶走的熱量。 當(dāng)泡水段液面在管道下方，沒有觸及管道時(shí)，按照管道外壁和大氣對(duì)流換熱來處理。 當(dāng)泡水淹沒管道一部分，并沒有完全淹沒的時(shí)候，根據(jù)上述兩種方法按照泡水區(qū)域所占的比例來進(jìn)行處理。2數(shù)學(xué)模型的數(shù)值離散采用有限容積法對(duì)模型中二維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱方程進(jìn)行離散化，首先對(duì)管道周圍矩形熱力影響區(qū)域進(jìn)行區(qū)域離散。圖2為求解區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格劃分示意圖，圖3為該區(qū)域內(nèi)任意節(jié)點(diǎn)的控制容積示意圖。針對(duì)任意的控制容積，導(dǎo)熱方程（3）的積分形式如下： （8）其中V為控制容積的體積（對(duì)二維導(dǎo)熱問題為控制容積的面積），A為控制容積界面的面積矢量，其正方向與外法線單位矢量一致，如圖2所示，符號(hào)“”表示兩個(gè)矢量的內(nèi)積

10、。將上式應(yīng)用于如圖3中所示三角形控制容積，可得 （9）式中為重心為P0的三角形的面積，和分別為時(shí)間間隔的當(dāng)前時(shí)層和上一時(shí)層P0點(diǎn)的溫度值。是界面1，2，3上的平均溫度梯度。界面上的平均溫度梯度可以通過節(jié)點(diǎn)上的溫度梯度線形插值得到： （10）其中，和為插值因子。為了確定離散方程，采用最小二乘法來確定溫度梯度如下： （11）其中，表示P0節(jié)點(diǎn)的溫度梯度在i坐標(biāo)軸上的分量，為從P0到Pj的有向線段。 圖2計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分 圖3 三角形控制容積以矩陣形式表示，代數(shù)方程（10）可寫成： （12）其中，矩陣的4個(gè)分量和列矢量的2個(gè)分量分別為 （13）是矢量的第個(gè)分量。根據(jù)所求出節(jié)點(diǎn)的溫度梯度很容易用式（1

11、0）求出界面的溫度梯度。為避免直接采用式（10）所可能引起的方程失耦，可以采用顯式修正的方式復(fù)耦： （14） 將（14）代入公式（9）整理得到離散方程： （15）以上代數(shù)方程為一個(gè)主對(duì)角占優(yōu)的方程，采用Gauss-Seidel迭代、共軛梯度法等方法求解即可得到各節(jié)點(diǎn)的溫度。當(dāng)網(wǎng)格足夠密時(shí)，所有節(jié)點(diǎn)上的溫度值就代表了土壤的溫度場(chǎng)。3開挖回填期間輸油管道運(yùn)行工況分析3.1 計(jì)算實(shí)例驗(yàn)證2006年鐵秦線葫蘆島綏中站間共有3個(gè)防腐層大修標(biāo)段，各標(biāo)段施工信息見表1。該站間長(zhǎng)度71.2km，各標(biāo)段距離出站位置分別為30km、39km與60km。利用程序計(jì)算時(shí)，回填土壤溫度為18。管輸原油為大慶含蠟原油，大

12、修期間葫蘆島出站輸量與出站油溫等運(yùn)行參數(shù)變化見表2。表1 葫蘆島綏中站間各標(biāo)段施工信息匯總標(biāo)段長(zhǎng)度（km）開挖信息回填信息施工日期竣工日期日平均進(jìn)度（km）施工日期竣工日期日平均進(jìn)度（km）標(biāo)段13.44-145- 280.0755564-145- 300.07234標(biāo)段22.54-145- 90.0964-145- 90.096標(biāo)段32.04-165- 290.0454554-175- 300.045455程序模擬大修期間該站間進(jìn)站油溫的變化趨勢(shì)見圖4，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際溫度值的平均偏差為0.6。在原油流動(dòng)過程中，管內(nèi)油溫不可直接測(cè)得，鋼管外壁溫度最接近管內(nèi)油溫。，為此，在該站間距離出站42km

13、（標(biāo)段2下游）處安裝鋼管外壁溫度測(cè)溫裝置，以監(jiān)測(cè)大修期間開挖段原油溫度變化（測(cè)溫元件選用PT100 A級(jí)鉑電阻，其測(cè)量范圍50100，測(cè)量精度±0.5，在大修期間進(jìn)行連續(xù)測(cè)量）。圖5為標(biāo)段2大修期間，鋼管外壁溫度測(cè)量值與計(jì)算結(jié)果的對(duì)比。圖中程序計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)溫度值的變化趨勢(shì)一致，二者之間平均偏差在2.0以內(nèi)。圖4 進(jìn)站油溫計(jì)算結(jié)果與實(shí)際值的對(duì)比圖5 鋼管外壁溫度計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值的對(duì)比表2 防腐層大修期間葫蘆島出站運(yùn)行參數(shù)日期日輸量（噸/天）出站油溫（）日期日輸量（噸/天）出站油溫（）2006-4-1416018.0059.502006-5-812758.0057.602006-4-1

14、515707.0059.702006-5-915642.0060.202006-4-1617858.0056.802006-5-1015412.0060.102006-4-1716925.0063.602006-5-1115680.0061.202006-4-1818764.0063.102006-5-1215437.0062.302006-4-1922901.0060.502006-5-1315557.0061.302006-4-2016298.0053.802006-5-1415346.0062.802006-4-2112898.0056.602006-5-1515808.0061.302

15、006-4-2216944.0062.102006-5-1615473.0061.002006-4-2316714.0062.502006-5-1714728.0062.602006-4-2415536.0064.502006-5-1815457.0062.702006-4-2515465.0063.802006-5-1915528.0048.902006-4-2615007.0064.802006-5-2015846.0061.602006-4-2715187.0064.302006-5-2115625.0061.502006-4-2815933.0063.302006-5-2220956.

16、0054.102006-4-2917116.0060.902006-5-2321348.0055.002006-4-3016536.0061.302006-5-2419213.0050.202006-5-116501.0060.302006-5-2513318.0044.202006-5-216339.0058.602006-5-2618999.0054.202006-5-316192.0059.902006-5-2717348.0049.902006-5-415881.0060.602006-5-2817980.0048.402006-5-515645.0060.402006-5-29166

17、43.0048.902006-5-615666.0061.302006-5-3016612.0057.102006-5-715756.0059.103.2 開挖管段對(duì)管道沿線原油溫度的影響當(dāng)站間有開挖管段時(shí)，開挖管段的大幅散熱影響到站間原油溫度分布。若該站間2km大修段同時(shí)開挖（表3），開挖段全部裸露在空氣中不同時(shí)間管道沿線原油溫度分布見圖6。圖6中顯示，管道開挖后，開挖管段原油溫度明顯降低，隨著開始時(shí)間延長(zhǎng)，開挖段原油所流經(jīng)位置油溫隨之降低，導(dǎo)致全線原油平均溫度降低。圖7中，若保持開挖期間管道輸量與出站油溫不變，站間2km開挖管段裸露30天，進(jìn)站油溫降低0.95。表3 某站間大修期間運(yùn)行工況

18、與施工信息站間距（km）運(yùn)行工況開挖信息管道輸量（t/d）出站油溫（）開挖時(shí)間開挖點(diǎn)距離出站距離（km）開挖長(zhǎng)度（km）回填土壤溫度（）7020000477-110218圖6 管道開挖后不同時(shí)間站間原油溫度分布圖7 管道開挖后不同時(shí)間進(jìn)站油溫變化3.3 根據(jù)進(jìn)站油溫確定管道最大開挖長(zhǎng)度我國(guó)現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范SY/T 5537 8規(guī)定，“熱油管道所輸原油或改性處理的原油進(jìn)站最低溫度應(yīng)高于其原油凝點(diǎn)以上3”。對(duì)于東北管網(wǎng)，需要保證進(jìn)站油溫在33。根據(jù)2005年生產(chǎn)報(bào)表統(tǒng)計(jì)，葫蘆島綏中站間7月份日平均輸量為19839t/d，出站油溫47.1。在該月正常氣溫條件下，該站間不同開挖段長(zhǎng)度下所計(jì)算得到進(jìn)站油溫見

19、圖8。圖中顯示，若保持管道進(jìn)站油溫33.0，單次最大開挖段長(zhǎng)度不能超過6km。若防腐層大修期間突降暴雨，則開挖段管道可能被水浸泡。對(duì)葫蘆島綏中站間7月份運(yùn)行工況，考慮開挖后管道有3天積水繁榮進(jìn)站油溫變化見圖9。計(jì)算結(jié)果表明，若考慮到管溝積水，管道最大開挖長(zhǎng)度不能超過1.0km。因此，若大修期間突降暴雨，必須通過采取相應(yīng)的措施（提高出站溫度、及時(shí)回填開挖管段、抽取管溝積水等），提高管道運(yùn)行的安全性，并避免管道進(jìn)行停輸再啟動(dòng)操作。圖8 開挖段長(zhǎng)度不同時(shí)進(jìn)站油溫變化圖9不同長(zhǎng)度開挖段泡水后進(jìn)站油溫變化4結(jié)論（1）建立了開挖回填過程中管道熱力模擬數(shù)學(xué)模型，通過對(duì)該模型的數(shù)值求解可以分別模擬不同環(huán)境條件

20、、不同運(yùn)行參數(shù)和不同開挖回填階段管道沿線原油溫度變化，為制定防腐層大修期間合理的運(yùn)行方案和施工方案提供了理論依據(jù)。（2）利用數(shù)值程序?qū)Ψ栏瘜哟笮奁陂g管道實(shí)際運(yùn)行工況進(jìn)行模擬，進(jìn)站油溫的平均計(jì)算偏差低于1.0，鋼管外壁溫度的平均偏差低于2.0。（3）若考慮防腐層大修期間管溝積水的影響，鐵秦線葫蘆島綏中站間7月份最大開挖長(zhǎng)度不超過1.0km；若不考慮，該站間7月份最大開挖長(zhǎng)度不能超過6.0km。參考文獻(xiàn)：1 黃金萍，李俊國(guó)等 埋地管道防腐層大修對(duì)管道運(yùn)行的熱力影響油氣儲(chǔ)運(yùn)，2006，25（12）：37422 楊筱蘅輸油管道設(shè)計(jì)與管理M東營(yíng)：石油大學(xué)出版社，2006 3 古賓 BE(蘇)等高粘高凝原

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22、ransient Heat Transfer From a Buried Pipe-I: LaminarJChemical Engineering Science，1993，48(20)：3507 -35178 中華人民共和國(guó)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5537-92原油輸送管道運(yùn)行技術(shù)管理規(guī)范北京：石油工業(yè)出版社，1992The numerical Simulation Study of the Thermal Parameter of the Hot Oil Pipeline during Coating Overhauling PeriodLiwei1 基金項(xiàng)目：中國(guó)石油天然氣股份有限公

23、司項(xiàng)目(2005-3220)部分研究成果。作者簡(jiǎn)介：李偉，男，1978年6月出生，2000年畢業(yè)于石油大學(xué)(華東)，中國(guó)石油大學(xué)(北京)在讀博士生，主要從事油氣儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)理論與試驗(yàn)研究。E-mail:lwei0612 Yubo1 Zhang Jinjun1 Zhang Zhengwei1 HuangJinping2 (1. Beijing Key Laboratory of Urban Oil and Gas Distribution Technology, China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249；2Shenyang Contr

24、ol Center of PetroChina Pipeline Company, Shenyang，Liaoning, 110031）Abstract: Based on the simplify of the project schedule and operation condition of the hot oil pipeline during the period of the coating overhauling, the mathematical thermal model of hot oil pipeline for the station space include exposed section is developed, and the finite volume method is used to discrete this model. In this way, the oil and soil temperature change along the pipeline during the coating overhauling period in different ambient temperature, operation parameter