凍土區(qū)埋地?zé)嵊凸艿劳］敎亟禂?shù)值模擬

杜明俊,馬貴陽,陳笑寒

(遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院,遼寧撫順113001)

凍土區(qū)埋地?zé)嵊凸艿劳］敎亟禂?shù)值模擬

杜明俊,馬貴陽,陳笑寒

(遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院,遼寧撫順113001)

針對(duì)多年凍土區(qū)埋地?zé)嵊凸艿肋\(yùn)行環(huán)境特點(diǎn),建立管道停輸時(shí)非穩(wěn)態(tài)傳熱模型,利用FLUENT軟件數(shù)值模擬了不同季節(jié)管道停輸過程中大地溫度場(chǎng)及管內(nèi)油溫隨時(shí)間的變化規(guī)律,結(jié)合“焓-多孔度”技術(shù),考慮了凝固潛熱和自然對(duì)流換熱對(duì)溫降的影響,對(duì)管內(nèi)原油凝固演化過程進(jìn)行仿真。確定了合理停輸時(shí)間,為管道安全啟動(dòng)提供理論指導(dǎo)。

凍土;熱油管道;停輸; FLUENT;數(shù)值模擬

0 引言

在管道運(yùn)行過程中,停輸是不可避免的。研究熱油管道的停輸溫降過程,對(duì)確定安全停輸時(shí)間,提出再啟動(dòng)方案,以及制定停輸檢修和間歇輸送計(jì)劃具有指導(dǎo)作用。在停輸過程中,當(dāng)原油溫度低于一定限值時(shí),管道的再啟動(dòng)過程會(huì)遇到極大困難,需要在設(shè)備允許條件下采用高壓震動(dòng)或分段頂擠等應(yīng)急措施,如果啟動(dòng)失敗,則會(huì)造成凝管事故,因此需要對(duì)熱油管道的安全停輸時(shí)間進(jìn)行科學(xué)合理性的研究。

基于停輸過程是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)傳熱過程,目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量的理論研究工作,雖取得一些有價(jià)值的成果[1～5 ],但尚存在一些的不足。管道停輸溫降受初始溫度場(chǎng),原油物性,環(huán)境條件和管道結(jié)構(gòu)等因素的影響,特別要解決停輸溫降過程中原油自然對(duì)流和凝油層動(dòng)邊界傳熱問題[6 ]。本文針對(duì)多年凍土區(qū)埋地?zé)嵊凸艿肋\(yùn)行環(huán)境的特點(diǎn)。建立了管道停輸時(shí)的非穩(wěn)態(tài)傳熱模型,考慮了原油凝固潛熱和自然對(duì)流換熱對(duì)溫降的影響,利用有限容積法對(duì)方程進(jìn)行離散,采用SIMPLE算法進(jìn)行求解。得到了凍土區(qū)埋地?zé)嵊凸艿啦煌竟?jié)停輸過程中大地溫度場(chǎng)和管內(nèi)原油溫降隨時(shí)間的變化規(guī)律,為合理制定停輸時(shí)間確保管道安全啟動(dòng)提供一定的依據(jù)。

1 問題的描述

以大興安嶺地區(qū)某埋地?zé)嵊凸艿罏槔?土壤年平均地溫- 2℃,冬季最冷月份地表平均氣溫- 30℃,地表風(fēng)速2 m /s,夏季最熱月份地表平均氣溫17℃,地表風(fēng)速4 m /s,管道中心埋深2 m,管徑700 mm,管壁厚8 mm。導(dǎo)熱系數(shù)48 W /m·k結(jié)蠟層厚5 mm導(dǎo)熱系數(shù)2.5 W /m·k,管外采用40 mm的聚氨酯保溫材料,導(dǎo)熱系數(shù)0.04 W /m·k停輸時(shí)管內(nèi)平均油溫52℃,原油凝點(diǎn)36℃。

2 模型的建立

2.1 物理模型

根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),距地面一定深度處,大地自然溫度年終變化小于1℃?？梢哉J(rèn)為是恒溫層,距輸油管道截面水平方向一定距離處對(duì)管道熱量的耗散影響非常小,可認(rèn)為是絕熱的,忽略管道軸向的傳熱,由于模擬區(qū)域?yàn)閷?duì)稱區(qū)域,故簡(jiǎn)化的二維物理模型見圖1。

圖1 管道截面圖

2.2 數(shù)學(xué)模型

2.2.1 控制方程

“焓-多孔度”技術(shù)采用的計(jì)算策略是將流體在網(wǎng)格單元內(nèi)占有的體積百分比定義為多孔度,并將流體和固體并存的過渡區(qū)域看成動(dòng)態(tài)的多孔介質(zhì)進(jìn)行處理,在流體凝固過程中多孔度從1變?yōu)?。由于原油是一種多組分混合物,其凝點(diǎn)不是一個(gè)定值,即凝固發(fā)生在一定的溫度范圍內(nèi),根據(jù)這一特征,將純固區(qū)和混合區(qū)均視為凝固區(qū),根據(jù)多孔介質(zhì)的傳熱理論,固化過程的質(zhì)量方程,動(dòng)量方程,能量方程分別為[7～8 ]:

式中:ε為混合區(qū)液相原油的體積分?jǐn)?shù),可表示為:

式中: H為凝固區(qū)固態(tài)原油和液態(tài)原油的焓,可表示為:

式中: Ci為固相原油的比熱; Cj為液相原油的比熱; L為凝固潛熱;γ為原油凝固溫度變化范圍。

2.2.2 邊界條件

2.2.3 初始條件

初始時(shí)刻土壤溫度為年平均地溫:

3 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

熱油管道經(jīng)過長(zhǎng)期運(yùn)行形成了穩(wěn)定的溫度場(chǎng),該溫度場(chǎng)是管道停輸時(shí)的初始條件,對(duì)管道停輸溫降具有重要影響[9 ],根據(jù)大興安嶺多年凍土區(qū)的氣候特點(diǎn),結(jié)合凍土區(qū)年平均地溫,地表溫度采用周期性邊界條件,得到了管道停輸時(shí)的穩(wěn)定溫度場(chǎng)。圖2中的a, b分別為管道冬季(12月末)和夏季(8月末)停輸時(shí)的初始溫度場(chǎng)。

埋地?zé)嵊凸艿劳］敽?管道周圍土壤蓄積的熱量要比管中存油的熱量大得多,故熱油管道停輸后原油溫降主要取決于周圍土壤的冷卻情況,剛停輸時(shí),由于管內(nèi)原油與周圍土壤溫差較大,致使管內(nèi)近壁處油溫下降很快,此時(shí)管內(nèi)原油的傳熱方式主要以自然對(duì)流換熱為主,而且速度極大。根據(jù)模擬的數(shù)據(jù)顯示冬季管道停輸后20 h,管內(nèi)自然對(duì)流換熱速度最大可達(dá)0.000 286 m /s。圖3中的曲線D和曲線E分別為冬季(12月末)和夏季(8月末)熱油管道停輸后管內(nèi)壁周向270°的溫降曲線圖,不難看出,在開始停輸?shù)?h內(nèi),溫度變化率接近2℃/h,溫降極快,隨著停輸時(shí)間的延長(zhǎng),溫降速率降低,這是由于內(nèi)外溫度梯度減小造成的。

圖2 土壤停輸時(shí)的初始溫度場(chǎng)

圖3 管內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)原油溫降曲線

圖3中B和C分別為夏季(8月末)和冬季(12月末)管道停輸后管內(nèi)高溫區(qū)中心溫降曲線圖,開始停輸時(shí),冬季和夏季管內(nèi)高溫區(qū)溫降速度接近,隨著時(shí)間的延長(zhǎng),冬季高溫區(qū)中心溫度降低較快,這是由于周圍土壤溫度低,冷卻快,增加了高溫區(qū)中心與管壁處油溫的梯度。

圖4為冬季管道停輸25 h和50 h管內(nèi)原油凝固演化過程云圖,由于多年凍土區(qū)冬季地表溫度極低,在一定范圍內(nèi),隨著土層厚度的增加溫度有所升高,停輸25 h管內(nèi)上壁面溫度低于下壁面溫度接近2℃,導(dǎo)致管道上表面先出現(xiàn)凝油層,而夏季正好相反,由于地表溫度高,隨著土層厚度增加在一定范圍內(nèi)溫度降低,管道下表面先出現(xiàn)凝油層,圖5伴隨停輸時(shí)間的延長(zhǎng),凝油層厚度增加很快,并不斷向中心移動(dòng),但凝油厚度不均勻,見圖4～5。此時(shí)管內(nèi)原油的能量傳遞主要以液油區(qū)自然對(duì)流換熱和凝固區(qū)導(dǎo)熱為主,且自然對(duì)流強(qiáng)度隨著凝油厚度的增加減弱很快,這是由于原油粘度不斷增大以及液油區(qū)內(nèi)溫度梯度越來越小造成的。

圖4 管道(12月末)停輸過程管內(nèi)原油固化云圖

圖5 管道(8月末)停輸過程管內(nèi)原油固化云圖

圖6～7為12月末和8月末埋地?zé)嵊凸艿劳］?0 h和50 h大地溫度場(chǎng)等值線圖,結(jié)合圖2,分析可知,無論是冬季還是夏季,以地表為起點(diǎn)沿管道截面中心線垂直向下,隨著土層厚度的增加,均出現(xiàn)兩個(gè)溫度帶,冬季表現(xiàn)為低溫—高溫—低溫規(guī)律的溫度分布,而夏季則出現(xiàn)高溫—低溫—高溫規(guī)律的溫度分布,原因在于冬季熱油管道不斷向埋深處附近土壤傳熱,原油釋放的熱量與土體蓄積的熱量耦合形成一個(gè)包圍管道的環(huán)形高溫區(qū),改變了冬季從地表向下溫度遞增的規(guī)律。而夏季由于地表溫度高,加之管道不斷地向土壤傳熱,形成一個(gè)漏斗狀的融化層,融化最深處位于管道中心正下方1.2 m處,由于多年凍土區(qū)夏季高溫作用時(shí)間短,而且吸收的熱量主要用于地表淺層土體的融化過程,地下2～5 m的土體雖然吸收了地表大氣和管道傳遞的熱量,但由于作用時(shí)間短,加之土壤熱阻較大,導(dǎo)致溫度升高緩慢,而對(duì)于5 m以下的多年凍土層幾乎沒有影響。

冬季(12月末)管道停輸后270 K等溫線隨著停輸時(shí)間的延長(zhǎng),向管中心移動(dòng),范圍逐漸減小,這是由于停輸后,管內(nèi)原油散熱量減少,不能維持原來穩(wěn)定的溫度場(chǎng),管外壁面溫度降低較快,致使管壁附近土體溫度梯度減小。而夏季(8月末)停輸后,管壁附近的285 K等溫線向管道中心移動(dòng),范圍逐漸減小,移動(dòng)的原因與冬季270 K等溫線移動(dòng)原因相同,都是由于管道外壁面溫降較快,高溫區(qū)熱量供應(yīng)不足引起的。

圖6 管道(12月末)停輸過程土壤溫度場(chǎng)

圖7 管道(8月末)停輸過程土壤溫度場(chǎng)

若以本算例模擬的管道截面溫降規(guī)律確定安全停輸時(shí)間,原油凝點(diǎn)309 K,原油終止停輸時(shí)的油溫為312 K,通過監(jiān)測(cè)管道截面平均油溫,可以確定安全停輸時(shí)間。該管道12月末安全停輸時(shí)間為22 h, 8月末安全停輸時(shí)間為38 h。

4 結(jié)論

通過對(duì)多年凍土區(qū)埋地?zé)嵊凸艿劳］敎亟颠^程的數(shù)值模擬,得到了不同時(shí)刻管內(nèi)原油溫降及土壤溫度場(chǎng)的變化規(guī)律,表明:管道停輸后,管外土壤溫度的變化主要集中在管道周圍一定空間范圍內(nèi),且該范圍的大小受地表溫度,管內(nèi)油溫及停輸時(shí)間等因素的影響。

[1] 吳 明,崔 華,楊 順.安全停輸時(shí)間的數(shù)值計(jì)算[J ].石油化工高等學(xué)校學(xué)報(bào), 1999, 12(4) : 72-76.

[2] 蔣新國(guó),劉愛虢,丁啟敏.熱油管道停輸再啟動(dòng)過程[J ].天然氣與石油, 2005, 23 (2) : 21-25.

[3] 劉曉燕,龐麗萍.慶哈埋地管道允許停輸時(shí)間的計(jì)算[J ].油氣儲(chǔ)運(yùn), 2003, 22 (5) : 18-21.

[4] 南發(fā)學(xué),亢 春,張 海.熱油管道停輸溫降數(shù)值模擬[J ].天然氣與石油, 2009, 27(1) : 7-9.

[5] 李長(zhǎng)俊,李丙文.熱油管道停輸數(shù)值模擬[J ].油氣儲(chǔ)運(yùn), 2001, 20(7) : 28-31.

[6] 李 偉,張勁軍.埋地含蠟原油管道停輸溫降規(guī)律[J ].油氣儲(chǔ)運(yùn).2004, 23 (1) : 4-8.

[7] 盧 濤,姜培學(xué).埋地原油管道停輸期間溫降及原油凝固傳熱模型及數(shù)值模擬[J ].熱科學(xué)與技術(shù), 2005, 4 (4) : 298-301.

[8] 劉 揚(yáng),袁 亮,魏立新.慶哈原油管道停輸時(shí)間的模擬[J ].油氣儲(chǔ)運(yùn), 2009, 28(4) : 16-18.

[9] SY/T 5537 - 1992,原油輸送管道運(yùn)行技術(shù)管理規(guī)范[S].

1006-5539 (2010) 04-0054-04

A

2010-03-26

杜明俊(1983-) ,男(蒙古族) ,黑龍江雙城市人,遼寧石油化工大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)在讀碩士。主要研究?jī)鐾羺^(qū)埋地管道周圍土壤水熱力耦合數(shù)值計(jì)算。