埋地?zé)嵊凸艿劳懂a(chǎn)運(yùn)行規(guī)律探討與淺析

婁 晨，林 棋

（中國(guó)石油大學(xué)（北京）油氣管道輸送安全國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 102249）

埋地?zé)嵊凸艿劳懂a(chǎn)運(yùn)行規(guī)律探討與淺析

婁 晨，林 棋

（中國(guó)石油大學(xué)（北京）油氣管道輸送安全國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 102249）

為了掌握原油管道投產(chǎn)運(yùn)行規(guī)律，探討了埋地?zé)嵊凸艿劳懂a(chǎn)過(guò)程中管內(nèi)介質(zhì)溫度以及管外土壤溫度場(chǎng)的變化規(guī)律，并分析土壤導(dǎo)熱系數(shù)、輸量對(duì)管內(nèi)介質(zhì)和管外土壤溫度場(chǎng)的影響，并對(duì)不同預(yù)熱方式進(jìn)行淺析比選。結(jié)果表明：土壤導(dǎo)熱系數(shù)和管道輸量是埋地?zé)嵊凸艿劳懂a(chǎn)過(guò)程的主要影響因素;悶管預(yù)熱的能量利用率最高，正向預(yù)熱效果最好。

埋地?zé)嵊凸艿?；投產(chǎn)；預(yù)熱；溫度；探討

近些年我國(guó)管道行業(yè)的迅速發(fā)展，西部原油管道、蘇丹原油管道、中俄、中哈及中緬管道等一系列國(guó)內(nèi)外大型管道工程建成投產(chǎn)?！笆濉逼陂g，隨著國(guó)家戰(zhàn)略能源通道的建設(shè)，還將有大批原油管道工程建成并投入生產(chǎn)運(yùn)行。這些原油管道工程中，有很大一部分是加熱輸送的原油管道。這些熱油管道的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)于保障國(guó)家能源安全具有重要意義。作為由建設(shè)施工轉(zhuǎn)入生產(chǎn)運(yùn)行的關(guān)鍵階段，熱油管道的投產(chǎn)過(guò)程對(duì)于檢測(cè)管道的設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量具有重要意義。一個(gè)完整的預(yù)熱投產(chǎn)過(guò)程由預(yù)熱和介質(zhì)置換兩部分組成，對(duì)于埋地?zé)嵊凸艿蓝?，原油的輸送溫度是決定管道安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的關(guān)鍵［1］。

1 原油管道預(yù)熱投產(chǎn)概述

1.1 預(yù)熱方式

在投產(chǎn)過(guò)程中，不同于等溫輸送的原油管道，熱油管道及土壤溫度場(chǎng)始終處于瞬態(tài)，是一個(gè)雙耦合問(wèn)題（介質(zhì)流動(dòng)與傳熱耦合、介質(zhì)換熱與土壤導(dǎo)熱耦合），任何事故或計(jì)劃停輸都將增大凝管風(fēng)險(xiǎn)。原油管道預(yù)熱過(guò)程涉及介質(zhì)和土壤兩個(gè)熱力問(wèn)題。對(duì)于介質(zhì)主要采用熱力特征線法和有限差分法；對(duì)于土壤主要采用半經(jīng)驗(yàn)公式法、有限差分法、有限元法、邊界元法和有限容積法[2]。

預(yù)熱目的是建立一個(gè)符合管道運(yùn)行要求的土壤溫度場(chǎng)，以滿足管道安全運(yùn)行的要求。滿足要求的預(yù)熱方案有很多種，從安全、經(jīng)濟(jì)的角度，存在一個(gè)較為優(yōu)化的方案[3]。在埋地原油管道的預(yù)熱方式中，主要有以下五種方法：(1)正向預(yù)熱：從管道起點(diǎn)注入預(yù)熱介質(zhì)進(jìn)行預(yù)熱，當(dāng)進(jìn)站溫度和管道沿線溫度場(chǎng)基本穩(wěn)定后，從管道起點(diǎn)進(jìn)行投油再轉(zhuǎn)入生產(chǎn)運(yùn)行；(2)反向預(yù)熱：從管道末點(diǎn)注入預(yù)熱介質(zhì)進(jìn)行預(yù)熱，當(dāng)管道起點(diǎn)位置溫度和沿線溫度場(chǎng)基本穩(wěn)定后，從管道起點(diǎn)進(jìn)行投油再轉(zhuǎn)入生產(chǎn)運(yùn)行；(3)“悶管”：首先從管道起點(diǎn)注入預(yù)熱介質(zhì)，預(yù)熱一段時(shí)間后，全線停輸，使熱量通過(guò)自然對(duì)流的方式由預(yù)熱介質(zhì)傳遞到管壁，再由管壁通過(guò)導(dǎo)熱傳遞到土壤中，達(dá)到預(yù)計(jì)停輸時(shí)間后，再轉(zhuǎn)入投油運(yùn)行；(4)正反向預(yù)熱：首先從管道起點(diǎn)注入預(yù)熱介質(zhì)，預(yù)熱一段時(shí)間后，改向管道末點(diǎn)注入預(yù)熱介質(zhì)對(duì)管道進(jìn)行預(yù)熱，滿足設(shè)計(jì)預(yù)熱時(shí)間后，再由管道起點(diǎn)位置向管道內(nèi)投油運(yùn)行；(5)反正向預(yù)熱：與正反向預(yù)熱方式相反，投油生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程相同。

1.2 基本方程

管內(nèi)介質(zhì)的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程：

由基本方程組得到介質(zhì)與管壁的換熱方程、管壁和防腐層的導(dǎo)熱方程及管道周?chē)寥赖膶?dǎo)熱方程：

式中：τ—時(shí)間，s；

Z—距管道起點(diǎn)的距離，m；

ρ—管內(nèi)介質(zhì)在截面處的平均密度，kg/m3；

V—管流介質(zhì)的平均速率，m/s；

A—管道的截面積，m2；

g—重力加速度，m/s2；

α—管道軸向與水平方向的夾角；

P—介質(zhì)在截面處的平均壓力，Pa；

f—達(dá)西摩阻系數(shù)；

D—管道有效流通截面的直徑，m；

u—管內(nèi)介質(zhì)比內(nèi)能，J/kg；

s—相鄰單元間的高程差，m；

h—管內(nèi)單位質(zhì)量介質(zhì)的比焓，J/kg；

q—管內(nèi)介質(zhì)與單位面積的管壁在單位時(shí)間內(nèi)的熱交換量，W/m2；

Cp—管內(nèi)介質(zhì)的定壓比熱容，J/(kg?℃)；

T—管內(nèi)介質(zhì)溫度，K；

β—管內(nèi)介質(zhì)的膨脹系數(shù)，K-1；i

ρ —第 i層的密度，kg/m3；

Ci—第 i層的比熱容，J/(kg?℃)；

Ti—第 i層的溫度，℃；

r —徑向位置，m；

θ—環(huán)向弧度；

Cs—土壤的比熱容，J/(kg?℃)；

Ts—土壤的溫度，℃；

x—距離管道中心豎直截面的橫向距離，m；

y—距離地表的縱向深度，m。

2 運(yùn)行規(guī)律分析

建立如下埋地?zé)嵊凸艿勒鹃g計(jì)算模型：管道規(guī)格 mm，站間距 120 km，預(yù)熱介質(zhì)為水，管壁導(dǎo)熱系數(shù)及地表對(duì)流換熱系數(shù)分別為 48 W/(m?℃)、20.6 W/(m?℃)，土壤密度 2225 kg/m3，土壤導(dǎo)熱系數(shù) 1.4 W/(m?℃)，土壤比熱容 1 085 J/(kg?℃)，油品密度 864 kg/m3（凝點(diǎn)為 20 ℃）。

2.1 土壤、預(yù)熱及輸送介質(zhì)溫度變化規(guī)律

基于正向預(yù)熱方式，對(duì)上述模型進(jìn)行計(jì)算（預(yù)熱 96 h、投油 96 h），分析各參數(shù)的變化規(guī)律。

由圖 1（a）可得：預(yù)熱 24 h 后熱水頭到達(dá)管道末端，管道末點(diǎn)介質(zhì)溫度接近管道中心埋深處的自然地溫。隨著預(yù)熱過(guò)程的推進(jìn)，預(yù)熱介質(zhì)不斷向管道周?chē)寥婪艧幔寥罍囟壬撸艿纼?nèi)介質(zhì)的熱損失也不斷減小，溫度不斷升高，溫升速率也不斷減??；預(yù)熱介質(zhì)沿線溫度穩(wěn)定后，向管道中投油置換預(yù)熱水。

圖 1 正向預(yù)熱算例-計(jì)算結(jié)果Fig.1 The calculated results of preheating process

如圖 1（b）介質(zhì)置換過(guò)程完成后，管道前半段油品的溫度會(huì)小幅上升，而后半段油品的溫度則會(huì)顯著降低，直至管道介質(zhì)及周?chē)寥赖膿Q熱重新達(dá)到穩(wěn)定；由圖 1（c）可得：各點(diǎn)軸向位置的介質(zhì)溫度變化規(guī)律是一致的。隨著距離的增加，介質(zhì)溫度發(fā)生突變的時(shí)刻也有所推移，且其變化更趨于平緩。這是因?yàn)殡S著距離的增加，介質(zhì)溫度顯著降低，其與周?chē)寥罁Q熱的強(qiáng)度也不斷減弱（介質(zhì)溫度突變滯后的時(shí)間即為介質(zhì)從上游位置流動(dòng)到下游位置所用的時(shí)間）；由圖 1（d）可得：各土壤監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度要顯著低于同時(shí)刻管內(nèi)介質(zhì)的溫度，與管壁距離較近的土壤監(jiān)測(cè)點(diǎn)（0.5 m）溫度呈現(xiàn)出與管內(nèi)介質(zhì)溫度類似的變化規(guī)律，但存在一定的滯后性，主要是由于土壤導(dǎo)熱；隨著與管壁之間距離的增加，土壤監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度受管內(nèi)介質(zhì)溫度變化的影響逐漸減小，土壤蓄熱主要發(fā)生在管道附近區(qū)域。

2.2 影響因素分析

2.2.1 土壤導(dǎo)熱系數(shù)

從圖 2（a）中可以看出，隨著土壤導(dǎo)熱系數(shù)的增大，預(yù)熱結(jié)束后管道沿線原油溫降幅度增大。此外，還可以看出管道前半段的溫降速率也隨著土壤導(dǎo)熱系數(shù)的增大而增大。因?yàn)槁竦責(zé)嵊凸艿乐車(chē)耐寥揽梢砸暈橐环N廣義上的“保溫層”。土壤導(dǎo)熱系數(shù)越低，“保溫層”的保溫效果越好，管內(nèi)介質(zhì)的熱損失也越小。管道終點(diǎn)處管內(nèi)介質(zhì)溫度隨時(shí)間的變化如圖 2（b）所示，在不同土壤導(dǎo)熱系數(shù)下，介質(zhì)溫度均會(huì)在一定的時(shí)間延遲后急劇升高，然后漸漸趨于定值；預(yù)熱結(jié)束投油運(yùn)行后，介質(zhì)溫度會(huì)首先降低，然后逐漸趨于定值。正向預(yù)熱時(shí)介質(zhì)升溫所滯后的時(shí)間即為介質(zhì)從管道起點(diǎn)流動(dòng)到監(jiān)測(cè)點(diǎn)所在位置所需要的時(shí)間，而管道投油后監(jiān)測(cè)點(diǎn)介質(zhì)溫度下降是由于原油的比熱容顯著小于水所造成的。并且，土壤導(dǎo)熱系數(shù)越大，監(jiān)測(cè)點(diǎn)處正向預(yù)熱和投油運(yùn)行的平衡溫度均越低。

土壤導(dǎo)熱系數(shù)小幅上升將會(huì)使管道投油運(yùn)行后全線溫度大幅降低，說(shuō)明土壤導(dǎo)熱系數(shù)是埋地原油管道投產(chǎn)過(guò)程中的一個(gè)敏感變量，其數(shù)值的準(zhǔn)確性對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響較大。因此，分段精確測(cè)定管道沿線的土壤導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)于管道投產(chǎn)工作的順利開(kāi)展是非常必要的。

圖 2 土壤導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)預(yù)熱投產(chǎn)的影響Fig.2 Influence of soil heat conductivity in preheating process

2.2.2 管道輸量

從圖 3（a）中可以看出，隨著輸量的增大，預(yù)熱結(jié)束后管道沿線原油溫度分布趨于平緩，溫降幅度減小。這主要是由于輸量增大后，管內(nèi)介質(zhì)的流速增大，單位體積的介質(zhì)與管壁的換熱強(qiáng)度降低，單位體積的介質(zhì)向周?chē)寥郎⑹У臒崃肯陆?，使得進(jìn)站油溫升高。在管道終點(diǎn)處管內(nèi)介質(zhì)溫度隨時(shí)間的變化如圖 3（b）所示，可以看出，隨著輸量的增加，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處溫度拐點(diǎn)的出現(xiàn)時(shí)間均有所提前。這主要是因?yàn)榻橘|(zhì)流速增加，流過(guò)相同的距離所需的時(shí)間縮短。此外，還可以看出，管道沿線不同位置處由于輸量不同產(chǎn)生的介質(zhì)溫差隨著里程的增加而增加。由此說(shuō)明，在實(shí)際投產(chǎn)過(guò)程中，若加熱爐功率一定，優(yōu)選并適度增大輸量將對(duì)提升預(yù)熱效果起到積極作用。

圖 3 管道輸量對(duì)預(yù)熱投產(chǎn)的影響Fig.3 Influence of throughput in preheating process

2.3 預(yù)熱方式比選

正向預(yù)熱及反向預(yù)熱時(shí)間均為 96 h，正反向及反正向的預(yù)熱時(shí)間均為正向預(yù)熱 48 h、反向預(yù)熱 48 h，悶管預(yù)熱時(shí)間為 48 h，再停輸悶管 48 h；五種預(yù)熱方式的投油時(shí)間均為 96 h。由此進(jìn)行預(yù)熱方式比選。

由圖4可得：由于不同預(yù)熱方式預(yù)熱介質(zhì)的有效傳熱位置不同，原油將管內(nèi)預(yù)熱介質(zhì)置換完成時(shí)，不同預(yù)熱方式的沿線油溫分布差別較大；隨著投油時(shí)間延長(zhǎng)，管道沿線土壤溫度分布將逐漸趨于運(yùn)行穩(wěn)定后管道沿線的土壤溫度分布，使得不同預(yù)熱方式下沿線油溫分布的差異逐漸縮小。可以看出，管道投油運(yùn)行96 h后，正向預(yù)熱的整體油溫分布最高，反向預(yù)熱整體油溫分布最低，“悶管”、反正向輸送以及正反向輸送依次位于兩者之間。

由圖5可得：由于預(yù)熱介質(zhì)輸送方向不同，在預(yù)熱過(guò)程的前 48 h，管道上游位置正向預(yù)熱、正反向預(yù)熱以及“悶管”三種預(yù)熱方式的管內(nèi)介質(zhì)溫度高于反向預(yù)熱和反正向預(yù)熱的管內(nèi)介質(zhì)溫度；管道下游位置則表現(xiàn)出相反的趨勢(shì)。在正反向預(yù)熱和反正向預(yù)熱調(diào)換介質(zhì)輸送方向后，管道上游位置反正向預(yù)熱的管內(nèi)介質(zhì)溫度開(kāi)始顯著升高，正反向預(yù)熱的管內(nèi)介質(zhì)溫度開(kāi)始顯著下降；管道下游位置仍表現(xiàn)出相反的趨勢(shì)。 “悶管”方式在管道停輸后則表現(xiàn)為全線溫度下降。

由表1可得：不同預(yù)熱方式的管道沿線土壤蓄熱量不盡相同。預(yù)熱結(jié)束時(shí)刻，正向預(yù)熱和反向預(yù)熱的土壤蓄熱總量最大，“悶管”的土壤蓄熱總量最小，正反向預(yù)熱和反正向預(yù)熱的土壤蓄熱總量相等，并位于兩者之間[7]；投油運(yùn)行 96 h 后，土壤蓄熱總量由大到小依次為正向預(yù)熱、反正向預(yù)熱、反向預(yù)熱、正反向預(yù)熱和“悶管”。

圖 4 投油 96h 后管道沿線原油溫度分布Fig.4 Oil temperature along the pipeline at 96h after preheating

表1不同預(yù)熱方式土壤總蓄熱量值Table 1 Total soil thermal storage along the pipeline in different preheating plans

3 結(jié) 論

（1）通過(guò)所建計(jì)算模型，以正向預(yù)熱為例，探討了原油管道預(yù)熱投產(chǎn)過(guò)程中管內(nèi)介質(zhì)溫度的變化規(guī)律以及管外土壤溫度場(chǎng)的變化規(guī)律；

（2）分析了土壤導(dǎo)熱系數(shù)及管道輸量對(duì)管道投產(chǎn)的具體影響，發(fā)現(xiàn)土壤導(dǎo)熱系數(shù)是原油管道投產(chǎn)熱力過(guò)程的一個(gè)敏感變量，其數(shù)值的準(zhǔn)確性對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響較大；管道輸量對(duì)預(yù)熱效果的影響較大，預(yù)熱過(guò)程中應(yīng)優(yōu)選并適度增大輸量；

（3）對(duì)正向預(yù)熱、反向預(yù)熱、正反向預(yù)熱、反正向預(yù)熱及“悶管”五種預(yù)熱方式進(jìn)行了比選研究。研究發(fā)現(xiàn)，正向預(yù)熱的預(yù)熱效果最好，“悶管”的能量利用率最高，經(jīng)濟(jì)性最好；

（4）下一步可結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)管道的投產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)，驗(yàn)證本文的理論計(jì)算結(jié)果，從而使得理論與實(shí)驗(yàn)相互統(tǒng)一。

［ 1］ 崔 巖 .原 油 長(zhǎng) 輸 管 線 投 產(chǎn) 運(yùn) 行 參 數(shù) 控 制 與 判 斷 .油 氣 田 地 面 工程,2010,29(8):53-54.

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Discussion and Analysis on Commissioning of Buried Heated Crude Oil Pipeline

LOU Chen, LIN Qi
（National Engineering Laboratory for Pipeline Safety, China University of Petroleum, Beijing 102249, China）

In order to master the law of commissioning and operation of crude oil pipeline, the change laws of media temperature in the pipeline and soil temperature around the pipeline during commissioning of buried heated crude oil pipeline were discussed. The impact of soil heat conductivity, throughput to the thermodynamic characteristics of media inside the pipeline as well as the soil around the pipeline was analyzed. Then the performance of different preheating ways was compared. The results show that soil heat conductivity and pipeline throughput are two critical variables in the preheating commissioning of heated crude oil pipelines, the preheating of stuff tube has the highest energy efficiency, the forward preheating is the best in preheating effect.

Buried heated crude oil pipeline; Commissioning; Preheating; Temperature; Discussion

TE 832

： A文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： 1671-0460（2014）07-1357-04

2014-03-19

婁 晨 （ 1990-）， 女 ， 中 國(guó) 石 油 大 學(xué) （ 北 京 ） 油 氣 儲(chǔ) 運(yùn) 專 業(yè) 在 讀 研 究 生 ， 研 究 方 向 ： 長(zhǎng) 輸 油 氣 管 道 仿 真 計(jì) 算 。 E-mail：louchen1990@petrochina.com.cn。