埋地熱油管道預熱過程周圍土壤溫度場蓄熱量計算

李少華，尚增輝，公茂柱，王洪亮，葉 昆

（中國石油集團工程設計有限責任公司華北分公司, 河北 滄州 062550）

當加熱原油進入溫度等于埋深處自然地溫的冷管路中時，原油與管壁和周圍土壤的溫差很大，冷管路及周圍土壤將從初始的油流中吸收大量的熱量，使熱油溫度急劇下降[1]。由于土壤導熱系數(shù)小和熱容量大的特點，土壤溫度場達到穩(wěn)定需要很長一段時間，在此過程中土壤將大量蓄熱。本文采用原油參數(shù)進行模擬預熱過程的熱力計算[2]，當模擬預熱流體的進站溫度和水力條件滿足啟輸條件時，記錄下相應的土壤蓄熱量。寫作該文的目地以期對原油管道啟輸時的熱水預熱和冷熱原油交替輸送的預熱提供參考。

1 熱力計算模型

埋地管道散熱的物理模型如圖1所示，為了簡化計算，做如下假設：忽略油品溫度沿徑向的變化，即認為同一時刻在管道的同一橫截面上油溫相同；由于鋼管的導熱系數(shù)較大，進行傳熱計算時可忽略壁厚；在以管截面為中心圓截面上，沿圓周各個方向的散熱量相等； 在管路周圍存在矩形熱影響區(qū)域，在熱影響區(qū)域內土壤溫度受熱油管道的影響；未啟動時，管道初始溫度為埋深處土壤地溫。由此建立數(shù)學模型[3]。

圖1 埋地管道物理模型Fig.1 The buried pipelines physical model

采用二維導熱偏微分方程對原油管道在土壤中的傳熱進行描述。土壤的導熱方程為：

當r=R時，邊界條件為：

當y=H0時，邊界條件為：

當 x= ±L /2時，邊界條件為：

當y=H0-L時，邊界條件為：

式中：Ts，Ts0—土壤任意時刻和初始時刻土壤溫度分布，℃;

T,Tk—管內介質溫度和大氣溫度，℃

t —輸送時間，s;

ls—土壤的導熱系數(shù)，W/(m·℃);

ak，as—土壤表面向大氣的放熱系數(shù)和管內介質向土壤的當量放熱系數(shù);

R，L —管道外半徑和土壤熱影響區(qū)域的范圍, m。

2 算例分析

以東北某輸送原油管道為例[4]，利用有限體積法對其輸送的大慶原油的預熱工況和土壤蓄熱量進行計算和分析。

2.1 數(shù)據(jù)準備(表1)

表1 土壤的物性參數(shù)Table 1 The physical properties of the soil

數(shù)值模擬計算中所需要的其他數(shù)據(jù)見表2。

表2 其他數(shù)據(jù)Table 2 The other data which needed

2.2 數(shù)值模擬

由于熱油管路輸送過程中，管路軸向各點的油溫是不同的，各處的蓄熱量也是不同的。在計算中可取站間平均油溫[5][Tp= TR/3 + 2TZ/3]來計算站間的平均蓄熱量。因此需要計算出Tp所在截面熱影響區(qū)內土壤的蓄熱量。

結果見圖2-6。由圖3所示保溫層熱流密度的變化曲線圖可知，熱油啟輸時管道周圍土壤溫度場達到穩(wěn)定狀態(tài)所用的時間大約為200 h。根據(jù)模擬計算結果，待土壤溫度場達到穩(wěn)定狀態(tài)時，整個土壤溫度場的平均溫度為292.83 K。

圖2 保溫層熱流密度隨溫度變化曲線圖Fig.2 Insulating layer heat flux with temperature curve

圖3 啟輸50 h土壤溫度場溫度分布云圖Fig.3 50 hours later, the distribution of soil temperature field

圖4 啟輸100 h后土壤溫度場溫度分布圖Fig.4 100 hours later, the distribution of soil temperature field

圖5 啟輸150 h后土壤溫度場溫度分布云圖Fig.5 150 hours later, the distribution of soil temperature field

圖6 啟輸200 h后土壤溫度場達到穩(wěn)定狀態(tài)時溫度分布云圖Fig.6 200 hours later, the distribution of steady soil temperature field

平均油溫 TP處所在截面熱影響區(qū)內土壤的蓄熱量可按下式計算：

帶入數(shù)據(jù)得：q =2 009.30 kJ。

兩加熱站間從啟輸熱油到土壤溫度場達到穩(wěn)定時土壤總蓄熱量為：

3 結 論

（1）由圖2可以看出，預熱開始后穿過保溫層的熱流密度先劇烈增加，而后逐漸減小，最后趨于定值。這是因為預熱開始時管道內油品和管道外的土壤溫差很大，傳熱劇烈所引起的。隨著傳熱的進行，管道外土壤的溫度逐漸升高，油品和管道外土壤的溫差逐漸減小，因此傳熱強度也相應減小，隨著時間的延長，傳熱系數(shù)趨于一個定值，這說明管道周圍土壤溫度場逐漸趨于穩(wěn)定。這時土壤的蓄熱量也趨于穩(wěn)定，可以認為是熱油穩(wěn)定輸送狀態(tài)下土壤的蓄熱量。

（2）圖 3-6描述了預熱過程中土壤溫度場的整個變化過程，并采用原油作為模擬預熱的介質，計算了整段管道預熱完成后土壤溫度場的蓄熱量。其意義在于可以為原油管道的熱水預熱或冷熱油順序輸送過程中的預熱問題提供依據(jù)和指導。

［1］盧濤，孫軍生，蔣培學．埋地熱油管道預熱啟輸過程外界氣溫及預熱水溫對土壤溫度場的影響[J]．太陽能學報，2006，27(10):1053-1057．

［2］陳國群，馬克峰，丁芝來，等．熱油管道啟輸投產(chǎn)熱力計算[J]．油氣儲運，2005，24(7):13-16．

［3］劉曉娜，趙會軍，張廷全．穩(wěn)定的熱油溫度場對后續(xù)冷油溫度的影響[J]．天然氣與石油，2009，27(2):5-7．

［4］崔秀國，張勁軍．冷熱油交替輸送過程熱力問題的研究[J]．油氣儲運，2004，23(11):15-19．

［5］楊筱蘅．輸油管道設計與管理[M]．東營：中國石油大學出版社，2006:84-85．