同溝敷設(shè)原油和成品油管道三維溫度場的數(shù)值模擬

田 娜, 陳保東, 何利民, 陳其勝, 吳 琦, 史 昊

(1.中國石油大學(xué)(華東)儲運(yùn)與建筑工程學(xué)院,山東東營257061; 2.遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院,遼寧撫順113001; 3.中國石化化工銷售華北分公司,北京100120; 4.中國石油西部管道分公司,新疆烏魯木齊830012)

同溝敷設(shè)原油和成品油管道三維溫度場的數(shù)值模擬

田 娜1,2, 陳保東2, 何利民1, 陳其勝3, 吳 琦2, 史 昊4

(1.中國石油大學(xué)(華東)儲運(yùn)與建筑工程學(xué)院,山東東營257061; 2.遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院,遼寧撫順113001; 3.中國石化化工銷售華北分公司,北京100120; 4.中國石油西部管道分公司,新疆烏魯木齊830012)

熱油管道周圍溫度場是管道停輸再啟動及管道安全運(yùn)行的基礎(chǔ),只有準(zhǔn)確掌握管道周圍的溫度場分布,才能使管道安全運(yùn)行,避免凝管事故的發(fā)生。在同溝敷設(shè)管道中,常溫輸送的成品油管道必將影響熱原油管道的溫度場,因此同溝敷設(shè)管道的溫度場與單根輸油管道的溫度場不同。為了準(zhǔn)確掌握同溝敷設(shè)原油和成品油管道的溫度場,以國內(nèi)某同溝敷設(shè)管段為研究對象,采用Gambit軟件的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù)和F1uent軟件的標(biāo)準(zhǔn)-模型對同溝敷設(shè)管道的三維溫度場進(jìn)行數(shù)值模擬。通過與相同條件下單根原油管道的溫度場比較,分析成品油管道對同溝敷設(shè)原油管道的影響。

成品油管道; 原油管道; 三維溫度場; 數(shù)值模擬

隨著石油工業(yè)的發(fā)展,我國現(xiàn)已擁有數(shù)萬公里的輸油管道,擔(dān)負(fù)著65%以上原油產(chǎn)量的輸送任務(wù),被稱為國民經(jīng)濟(jì)的“地下大動脈”。近幾年來,為了節(jié)省投資,又興建了同溝敷設(shè)管道。例如,在2004年9月開工興建從新疆鄯善到蘭州的西部原油、成品油管道工程。

目前國內(nèi)外專家和學(xué)者在埋地?zé)嵊凸艿罍囟葓龇矫孢M(jìn)行了大量的研究工作,并取得了一定的進(jìn)展。W heeler J A[1]應(yīng)用有限元、有限差分理論研究了永凍土區(qū)埋地?zé)峁艿赖膫鳠崃?、熱量損失及溫度場。Weon-Keun Song[2]利用有限容積法對埋設(shè)在不同介質(zhì)情況下的長輸管道進(jìn)行了傳熱分析計算,并對管道周圍溫度場的變化情況進(jìn)行了實驗測試。崔秀國等[3]采用有限元法求解了埋地?zé)嵊凸艿涝诜€(wěn)定運(yùn)行條件下的熱力影響區(qū),并對地溫、管內(nèi)油溫、管道直徑、管道埋深和土壤導(dǎo)熱系數(shù)等參數(shù)與管道水平方向熱力影響范圍的關(guān)系進(jìn)行了定量分析,確定不同條件下管道的熱力影響范圍。馬貴陽等[4]對埋地管道周圍土壤水熱耦合溫度場的數(shù)值模擬進(jìn)行了研究,考慮了土壤中水分遷移和相變對溫度的影響,使輸油管道周圍土壤溫度場的計算更準(zhǔn)確,并指出水分遷移和相變對土壤溫對土壤溫度場有影響。此外,國內(nèi)的學(xué)者已經(jīng)展開對并行敷設(shè)管道的研究工作。宇波等[5]對同一管溝中并行敷設(shè)的成品油管道對加熱原油管道溫度場的影響進(jìn)行了研究,給出不同敷設(shè)間距條件下,并行管道橫截面的溫度場分布及管道沿線的溫度變化情況。凌霄等[6]采用非結(jié)構(gòu)化有限容積法對原油和成品油管道同溝敷設(shè)新技術(shù)進(jìn)行了研究。

但是,對于同溝敷設(shè)輸油管道的研究仍處于剛剛起步階段,還有大量的問題有待于進(jìn)一步研究。目前,還沒有學(xué)者對同溝敷設(shè)管道的三維溫度場進(jìn)行研究。熱油管道周圍土壤溫度場是管道停輸再啟動及管道安全運(yùn)行的基礎(chǔ),只有準(zhǔn)確掌握管道周圍的溫度場分布,才能使管道安全運(yùn)行,避免凝管事故的發(fā)生。為了準(zhǔn)確掌握同溝敷設(shè)原油和成品油管道的溫度場,以國內(nèi)某同溝敷設(shè)管段為研究對象,采用Gambit軟件的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù)和F1uent軟件的標(biāo)準(zhǔn)-模型對同溝敷設(shè)管道的三維溫度場進(jìn)行數(shù)值模擬。

1 同溝敷設(shè)管道的三維數(shù)學(xué)模型

對于穩(wěn)定運(yùn)行的埋地輸油管道,管內(nèi)的油品、土壤和大氣構(gòu)成了一個熱力系統(tǒng),因而對其熱力問題的完整描述,應(yīng)包括管內(nèi)油品的傳熱和管外土壤中的導(dǎo)熱兩部分。對于管內(nèi)油流的傳熱與土壤中導(dǎo)熱的耦合,可利用管道內(nèi)流體換熱量與土壤中導(dǎo)熱量的平衡關(guān)系在兩者之間建立聯(lián)系。

基本假設(shè):

(1)管內(nèi)油流為牛頓流體;

(2)將土壤簡化為各向同性的均勻介質(zhì);

(3)忽略管道沿線高程的變化對同溝敷設(shè)管道溫度場的影響;

(4)忽略管壁、防腐層的導(dǎo)熱;

(5)管道橫截面熱力影響區(qū)的范圍為水平方向-15 m≤X≤15 m、垂直方向-10 m≤Y≤0 m。

基于上述簡化與假設(shè),建立同溝敷設(shè)埋地管道穩(wěn)定運(yùn)行條件下的三維數(shù)學(xué)模型如下[7-9]:

管內(nèi)流體流動的數(shù)學(xué)模型包括質(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒方程以及湍流的標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程模型,各方程的張量形式如下:

質(zhì)量守恒方程

動量守恒方程

為使上述方程封閉,引入雷諾應(yīng)力公式:

能量守恒方程

湍流的標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程模型

式中,i和j指標(biāo)的取值范圍為1,2,3;ρ為管內(nèi)油品密度,kg/m3;u為速度矢量,m/s;p為油品壓力,Pa;Si為動量守恒方程的廣義源項;T為油品溫度,K;φ為耗散函數(shù);k為湍動能,m2/s2;ε為耗散率,m2/s3;μ為油品動力粘度,Pa·s;μt為湍動粘度,kg/(m·s);Gk為平均速度梯度引起的湍動能k的產(chǎn)生項,m2/s3;Gb為浮力引起的湍動能k的產(chǎn)生項;YM為湍流動能耗散項;Sk,Sε為用戶定義的源項,文中未考慮用戶自定義源項,Sk=0和Sε=0。

各式中的計算參數(shù)取值為C1ε=1.44,C2ε=1.92,σT=1.0,σk=1.0,σε=1.3,Pr=0.85。

上述方程對成品油管道和原油管道都適用。

土壤導(dǎo)熱方程:

式中,λs為土壤導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K)。

管內(nèi)油品和土壤的傳熱過程相互關(guān)聯(lián),以原油管道為例,滿足:

管內(nèi)油品與管外土壤:

式中,α0為油流對管內(nèi)壁的放熱系數(shù),W/(m2·K);T0為管內(nèi)壁溫度,K;R0為管道內(nèi)半徑,m。

邊界條件:

當(dāng)y=-H時,Ts=Tn

式中,αa為地表向大氣的放熱系數(shù),W/(m2·K);Ta為大氣溫度,K;Tn為恒溫層溫度,K;H為熱力影響區(qū)域深度方向邊界位置,m。

2 算 例

以國內(nèi)某同溝敷設(shè)管段為例,原油管道為φ813 mm×11 mm,成品油管道為φ559 mm×7 mm,沿線管道平均間距為2 m,管道長度為230 km。原油管道防腐層厚度為3 mm,成品油防腐層厚度為2.5 mm。管壁導(dǎo)熱系數(shù)為48 W/(m·K),防腐層導(dǎo)熱系數(shù)為0.42 W/(m·K)。風(fēng)速取為1.85 m/s。大氣溫度為279.85 K,恒溫層溫度為286 K。原油輸送量為1 033.3 m3/h,出站溫度為324.15 K,進(jìn)站溫度為292.85 K,293.15 K下的密度為869 kg/m3,293.15 K下的粘度為38.29 m Pa·s,303.15 K下粘度為15.8 m Pa·s,原油反常點(diǎn)溫度為283.15 K,析蠟點(diǎn)溫度為290.15 K;成品油輸送量為842.8 m3/h,出站溫度為284.45 K,進(jìn)站溫度為286.55 K,293.15 K下的密度為827.2 kg/m3,293.15 K下的粘度為2.81 m Pa·s,313.15 K下粘度為1.82 m Pa·s。管道沿線土壤密度為1 806.4 kg/m3,比熱容為1 812 J/(kg·K),導(dǎo)熱系數(shù)為1 W/(m·K)。

油品物性參數(shù)計算式如(10)式所示:

式中ρ,(T)溫度為T時的密度,kg/m3;ρ20為293.15 K下的密度,kg/m3;ξ為溫度系數(shù),kg/(m3·K)。

式中,c(T)為比熱容,J/(kg·K);ρ15為288.15 K下的密度,kg/m3;Tsl原油析蠟溫度,K。

式中λ,(T)為溫度T時的油品導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K)。式中,v(T)為牛頓流溫度T時的油品運(yùn)動粘度,m2/s;v＊為參考溫度為T＊時油品的運(yùn)動粘度,m2/s;u為粘度指數(shù),不隨溫度而變;TF為反常點(diǎn),K。

2.1 數(shù)值模擬方法

以國內(nèi)某同溝敷設(shè)管段為計算區(qū)域,進(jìn)行管道的三維溫度場數(shù)值模擬。利用Gam bit軟件在計算區(qū)域內(nèi)生成三維網(wǎng)格,由于所研究的管道沒有保溫層,管壁導(dǎo)熱系數(shù)較大,防腐層厚度又很薄,在管壁和防腐層區(qū)域溫度場變化很小,因此管壁和防腐層厚度在此作了一個近似,網(wǎng)格劃分時不需要畫出。管內(nèi)油流為主要為六面體網(wǎng)格,管外土壤主要為四面體網(wǎng)格,通過試算比較,按30個節(jié)點(diǎn)數(shù)量劃分體網(wǎng)格,計算結(jié)果與實際進(jìn)站溫度基本吻合,計算網(wǎng)格見圖1。

Fig.1 The unstructured mesh of parallel buried pipelines圖1 同溝敷設(shè)管道非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格示意圖

管道入口的邊界條件為速度入口,管道出口邊界為出流。根據(jù)已知參數(shù)計算可得,原油入口流速為0.59 m/s,雷諾數(shù)為27 879;成品油入口流速為1.02 m/s,雷諾數(shù)為68 125,因此管內(nèi)流體的流態(tài)為湍流,根據(jù)下式計算入口的湍動能和耗散率:

式中,I為湍流強(qiáng)度;Re為雷諾數(shù);D為管道內(nèi)直徑,m;l為湍流長度尺寸,m;為湍流脈動平均速度,m/s;Cμ為經(jīng)驗系數(shù),取0.09。

經(jīng)計算原油入口k=0.000 8,ε=0.000 1;成品油入口k=0.000 2,ε=0.000 8。

2.2 數(shù)值模擬計算結(jié)果

采用非結(jié)構(gòu)化有限容積法以及Fluent軟件,模擬同溝敷設(shè)管道三維溫度場。該方法與熱油管道熱力分析的其它方法相比[10-14],模型中的假設(shè)少,能對不規(guī)則土壤區(qū)域的溫度場準(zhǔn)確地進(jìn)行模擬。

本文分別模擬兩種不同情況下的溫度場,第一種是同溝敷設(shè)管道溫度場,第二種是相同環(huán)境條件下的單根原油管道溫度場,模擬結(jié)果見圖2,熱油管道左右兩側(cè)x=0.8,y=-1.6位置的溫度沿管道軸向變化曲線見圖3,原油溫度沿管道軸向變化曲線見圖4。

Fig.3 Soil temperature on the left and right side of crude pipeline at different position圖3 熱油管道不同位置土壤溫度場沿管道軸向的變化

Fig.4 Temperatures of crude oil and product oil along the pipelines圖4 管內(nèi)原油和成品油溫度沿管道軸向的變化

從模擬計算結(jié)果可知,原油管道的進(jìn)站溫度為290.7 K,成品油管道的進(jìn)站溫度為286.39 K,與實際進(jìn)站溫度差值分別為2.15 K和0.16 K,表明模擬結(jié)果與實際數(shù)據(jù)基本符合。從圖2中進(jìn)出站位置的溫度場可以看到,成品油管道對原油管道右側(cè)的溫度場幾乎沒有影響,對原油管道左側(cè)溫度場影響較大。從圖3中可以看到,在原油管道右側(cè)位置,單管溫度略高于雙管的溫度,兩者間最大差值為0.3K,這也說明成品油管道對原油管道右側(cè)的溫度場幾乎沒有影響;在原油管道左側(cè)x=-0.8,y=-1.6位置,單管和雙管間溫度最大差值為2.3 K,隨著距離的增大,單管和雙管的溫差逐漸減小,在管道末端雙管溫度略高于單管溫度,這主要是由于隨著距離的增大成品油管道由從周圍土壤中吸熱變?yōu)橄蛲寥乐蟹艧嵩斐傻?。從圖4中看到,由于受到成品油管道的影響,雙管中管內(nèi)原油溫度要低于單管原油的溫度,兩者間差值的變化趨勢是先增大后減小,原因也是由于隨著距離的增大成品油管道由從周圍土壤中吸熱變?yōu)橄蛲寥乐蟹艧嵩斐傻??？偟膩碚f,對于同溝敷設(shè)管道,必須考慮成品油管道對原油管道溫度場的影響。

3 結(jié)束語

(1)本研究中數(shù)值模擬結(jié)果與管道實際相接近,表明計算模型與模擬研究結(jié)果正確,基本可以滿足工程需要。

(2)通過研究表明,對于同溝敷設(shè)管道必須考慮成品油管道對原油管道溫度場的影響,否則將會導(dǎo)致溫度場計算結(jié)果產(chǎn)生誤差。

(3)通過對同溝敷設(shè)管道穩(wěn)定運(yùn)行條件下三維溫度場的數(shù)值模擬,可以全面掌握管道周圍的溫度分布,為管道停輸在啟動以及管道的安全運(yùn)行提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。因此,對同溝敷設(shè)管道來說,研究穩(wěn)定運(yùn)行條件下三維溫度場意義重大,它是進(jìn)行同溝敷設(shè)管道后續(xù)研究的先決條件。

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(Ed.:W YX,Z)

Three-Dimensional Numerical Sim ulation on Temperature Field of Crude Oil Pipeline and Products Pipeline Laid in One Ditch

TIAN Na1,2,CHEN Bao-dong2,HE Li-min1,CHEN Qi-sheng3,WU Qi2,SH IHao4
(1.School of Storage & Transportation and A rchitectura l Engineering,China University of Petroleum(Huadong),Dongying Shandong257061,P.R.China;2.School of Petroleum Engineering,L iaoning Shihua University,Fushun L iaoning113001,P.R.China;3.Sinopec Huabei Chem ical Products Sales Com pany,Beijing100120,P.R.China;4.PetroChina West Pipeline Com pany,U rumqi Xinjiang830012,P.R.China)

for hot crude oil pipeline,shut down,start-up and operation are based on the soil temperature around the crude pipeline.Only the distribution of the soil temperature was obtained accurately can make sure the pipeline operate safely and avoid condensing the pipeline.In pipelines laid in one ditch,hot crude oil pipeline temperature field was influenced by the cool products pipeline,so the temperature field of pipelines laid in one ditch was different from the single pipeline.On the crude oil pipeline and the products pipeline in China,the three-dimensional temperature field of pipelines laid in one ditch was carried out with the unstructured mesh and standardk-εmodel.Comparing the temperature field of pipelines laid in one ditch with the one of single pipeline,the effect of products pipeline on temperature field of crude pipeline was analyzed.

Products pipelin;Crude oil pipeline;Three-dimensional temperature field;Numerical simulation

.Tel.:+86-13500430756;e-mail:tianna19800720@163.com

TE832

A

10.3696/j.issn.1006-396X.2011.02.024

2010-12-02

田娜(1980-),女,遼寧海城市,講師,在讀博士。

遼寧省教育廳科技項目(No.2008S137);中國石油西部管道公司科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)項目(XG22-2009-008)。

1006-396X(2011)02-0092-05

Received2December2010;revised27February2011;accep ted2M arch2011