基于深海油氣混輸管道停輸溫降進行FLUENT數(shù)值模擬

孔德晶，張凱麗，曹云芳

（1.東北石油大學(xué)流體力學(xué)實驗室，黑龍江大慶 163318；2.黃島石油國家儲備庫，山東黃島 266000；3.新興重工邯鄲天然氣發(fā)展有限公司，河北邯鄲 056046）

基于深海油氣混輸管道停輸溫降進行FLUENT數(shù)值模擬

孔德晶1，張凱麗2，曹云芳3

（1.東北石油大學(xué)流體力學(xué)實驗室，黑龍江大慶 163318；2.黃島石油國家儲備庫，山東黃島 266000；3.新興重工邯鄲天然氣發(fā)展有限公司，河北邯鄲 056046）

海底管道在投產(chǎn)或運行的過程中，由于計劃檢修或突發(fā)事故等都會導(dǎo)致停輸。基于深海油氣混輸管道停輸溫降進行FLUENT數(shù)值模擬的研究對保證海上油氣田管道集輸系統(tǒng)的安全生產(chǎn)有重要的指導(dǎo)意義。

混輸管道；FLUENT；停輸溫降；數(shù)值模擬；分析

近年來，隨著陸地油氣田資源的過度開采，許多大型油氣田都已進入三期開采階段，陸地油氣資源面臨著產(chǎn)能不足等嚴峻挑戰(zhàn)。海底管線停輸后，隨著原油溫度降低，原油中溶解的蠟由于聚結(jié)穩(wěn)定性下降而析出，并逐漸形成連續(xù)的三維結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致原油膠凝。為保證海上油氣田管道集輸系統(tǒng)的安全生產(chǎn)，須對海底管道停輸再啟動進行相應(yīng)研究。

1 停輸溫降模型的建立及計算過程

1.1 停輸傳熱數(shù)學(xué)模型

海底熱油管道正常工況下內(nèi)部原油溫度遠高于外界環(huán)境溫度，管道停輸后會不斷地向外界環(huán)境傳遞熱量。管道與外界環(huán)境間的溫差隨停輸時間的增加而減小，其熱流量也逐步減小，當油溫下降到與周圍介質(zhì)溫度一致時降溫過程即終止。

（1）液態(tài)原油傳熱方程

式中：ρo—原油液相密度，kg/m3；

Co—原油液相比熱容，J/（kg·℃）；

To—原油液相溫度，℃；

λe—當量導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）。

引入當量導(dǎo)熱系數(shù)

凝油層中的傳熱方程：

式中：ρg—原油液相密度，kg/m3；

Cg—原油液相比熱容，J/（kg·℃）；

Tg—原油液相溫度，℃；

λg—當量導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）。

邊界條件：液相與固相交界面（設(shè)交接面半徑R）：

靠近管壁處原油為液相時：

式中：T1—管壁溫度，℃；

式中：ρn—管道第n層材料密度，kg/m3；

Cn—管道第n層材比熱容，J/（kg·℃）；

邊界條件：

（3）海底濕泥傳熱方程

式中：ρs—海底濕泥密度，kg/m；

Cs—海底濕泥比熱容，J/（kg·℃）。

邊界條件：

當 x=0，且0≤y≤H-RN或H+RN≤y≤Yd，當x=Xd時：

1.2 停輸溫降計算

停輸溫降計算程序分為兩個部分：穩(wěn)態(tài)有限元程序和瞬態(tài)有限元程序。通過穩(wěn)態(tài)有限元程序求得各截面的溫度場分布，作為停輸初始條件代入瞬態(tài)有限元程序中，可得到任意停輸時刻下的溫度分布。

利用MATLAB編程計算，海底埋深管道停輸溫降，MATLAB計算結(jié)果如表1所示。

表1 埋深管道停輸溫降計算結(jié)果

2 結(jié)束語

從FLUENT 中模擬混輸管道停輸后，管道溫降變化可看出，停輸后，混輸管道的溫度隨著停輸時間的延長，管道內(nèi)流體溫度不斷降低。停輸80h后，溫度已基本處于凝點以下。在停輸200h后，管道內(nèi)流體溫度與管壁平衡，幾乎不存在溫差，也不存在熱交換。建議深海油氣混輸管道應(yīng)在停輸80h內(nèi)采取措施，恢復(fù)正常工作。

[1] 劉曉燕，龐麗萍，王振.慶哈埋地管道允許停輸時間的計算[J].油氣儲運，2003，（5）.

FLUENT Numerical Simulation Based on the Temperature Drop of Deep-sea Oil and Gas Pipelines

Kong De-jing，Zhang Kai-li，Cao Yun-fang

In the process of commissioning or operation of submarine pipelines，shutdowns due to planned maintenance or unexpected accidents are caused.The study of FLUENT numerical simulation based on the temperature drop of deep-sea oil-gas mixture pipeline has important guiding significance for ensuring the safe production of pipeline gathering and transportation system in offshore oil and gas field.

mixed transport pipeline；FLUENT；stop the temperature drop；numerical simulation；analysis

TE86

B

1003-6490（2017）01-0028-02

2017-01-06

孔德晶（1990—），女，山東東營人，研究生在讀，主要研究方向為石油與天然氣工程。