油氣集輸伴熱管路的熱力計(jì)算與分析

張雪芹 黃善波（中國石油大學(xué)（華東）儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院）

油氣集輸伴熱管路的熱力計(jì)算與分析

張雪芹 黃善波（中國石油大學(xué)（華東）儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院）

盡管不加熱集輸工藝得到了長足發(fā)展，但對(duì)高黏、高凝油田來說，為了保證生產(chǎn)的安全性和可靠性，仍然保留著傳統(tǒng)的伴熱集輸管路。根據(jù)傳熱學(xué)原理，建立了伴熱管路內(nèi)流體溫度變化的數(shù)學(xué)模型，通過計(jì)算得到了伴熱管路內(nèi)流體溫度變化規(guī)律，分析討論了伴熱流量、伴熱溫度對(duì)冷、熱介質(zhì)出口溫度和井口回壓的影響?，F(xiàn)場應(yīng)用表明，伴熱是解決高凝油田冬季井口回壓的有效措施，可將井口回壓降低39%～62%。

伴熱；油氣集輸；熱力計(jì)算

目前我國油田已全面進(jìn)入高采出率、高含水率階段，為了適應(yīng)節(jié)能降耗需要，普遍采用了不加熱集輸工藝[1-2]；但對(duì)高黏、高凝油田而言，由于現(xiàn)場情況復(fù)雜多變，為了保證常溫集輸系統(tǒng)的可靠性，仍然保留著原來的伴熱系統(tǒng)[3]。一旦井口回壓過高或出現(xiàn)其他非正常工況后，便可啟動(dòng)伴熱系統(tǒng)，從而保證生產(chǎn)的安全性和可靠性。為了最大限度地降低伴熱能耗，合理選擇伴熱參數(shù)，確保集輸系統(tǒng)的安全可靠，需要對(duì)伴熱管路進(jìn)行水力、熱力計(jì)算，從而為伴熱現(xiàn)場應(yīng)用提供理論支持。

1 集輸伴熱管路熱力計(jì)算的數(shù)學(xué)模型

伴熱管路的物理模型如圖1所示，管徑為d的熱水管線與管徑為D的集油管線通過厚度為δ的保溫材料包在一起。伴熱管內(nèi)熱水的流動(dòng)方向與集油管內(nèi)油氣產(chǎn)液的流動(dòng)方向相同稱為順流伴熱，反之稱為逆流伴熱。在生產(chǎn)中，熱水管線將熱量傳給產(chǎn)液的同時(shí)，也將一部分熱量損失到周圍環(huán)境中。產(chǎn)液吸收的熱量一部分用于升溫，一部分也散失到周圍環(huán)境。在兩種伴熱工藝中，熱水與產(chǎn)液流動(dòng)方向的不同將導(dǎo)致管內(nèi)介質(zhì)溫度變化規(guī)律的不同。下面對(duì)兩種工藝分別給出流體溫度變化的數(shù)學(xué)模型。

1.1 順流伴熱管路

順流伴熱管路熱力計(jì)算的理物模型如圖2所示。以產(chǎn)液入口為坐標(biāo)起點(diǎn)，在距入口x處取長為dx的微元管段實(shí)施能量守恒[4]，即

圖1 管道伴熱的物理模型

圖2 順流伴熱管路系統(tǒng)的傳熱原理示意圖

式中：Φhx——熱流體在x處進(jìn)入微元體的熱量，W；

Φhx+dx——熱流體在x+dx處離開微元體的熱量，W；

Φh0——熱流體向外界環(huán)境散失的熱量，W；

Φ12——熱流體向冷流體傳遞的熱量，W；

Φcx——冷流體在x處進(jìn)入微元體的熱量，W；

Φcx+dx——冷流體在x+dx處離開微元體的熱量，W；

Φc0——冷流體向外界環(huán)境散失的熱量，W。

根據(jù)傳熱學(xué)原理，以上各項(xiàng)熱量的計(jì)算公式如下：

式中：Gh、Gc——熱水和產(chǎn)液的質(zhì)量流量，kg/s；

ch、cc——熱水和產(chǎn)液的比熱，J/(kg?K)；

kh0、kc0——熱水、產(chǎn)液向周圍環(huán)境散熱的傳熱系數(shù)，W/(m2?K)；

khc——熱水管線向產(chǎn)液傳熱的傳熱系數(shù)，W/(m2?K)；

th、tc——微元段熱水、產(chǎn)液的平均溫度，℃；

te——周圍環(huán)境的溫度，℃；

Fh0、Fc0——熱水、產(chǎn)液向周圍環(huán)境散熱的單位管長的傳熱面積，m2；

Fhc——熱水與產(chǎn)液間單位管長的傳熱面積，m2。

將各項(xiàng)能量代入到能量守恒表達(dá)式中，整理得到伴熱水和產(chǎn)液在管路內(nèi)溫度變化的微分方程，即

在管線起點(diǎn)x=0處時(shí)，則

微分方程（3）、（4）和定解條件（5）就是順流伴熱系統(tǒng)中描述伴熱水、產(chǎn)液溫度沿管長變化的數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)上，這是一階常微分方程組的初值問題，可采用四階Runge-Kutta方法求解[5]。

1.2 逆流伴熱管路

以產(chǎn)液入口為坐標(biāo)起點(diǎn)，在距入口x處取長為dx的微元管段，如圖3所示。

圖3 逆流伴熱管路系統(tǒng)的傳熱原理示意圖

能量守恒表達(dá)式如下：

式中：Φhx——熱流體在x處離開微元體的熱量，W；

Φhx+dx——熱流體在x+dx處進(jìn)入微元體的熱量，W。

將各項(xiàng)能量的表達(dá)式帶入到能量守恒表達(dá)式中，整理得到

在管線起點(diǎn)x=0處時(shí)，則

在管線終點(diǎn)x=L處時(shí)，則

微分方程（8）、（9）和定解條件（10）、（11）就構(gòu)成了逆流伴熱系統(tǒng)中描述伴熱水、產(chǎn)液溫度沿管長變化的數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)上，這是一階常微分方程組的邊值問題，可采用解析方法[6]進(jìn)行求解。

1.3 井口回壓和最佳伴熱水量的計(jì)算

采用伴熱的目的是提高集輸管線內(nèi)介質(zhì)溫度，從而降低流動(dòng)阻力，使井口回壓（即產(chǎn)液管線起點(diǎn)壓力）維持在生產(chǎn)安全、經(jīng)濟(jì)的范圍內(nèi)。在計(jì)算出伴熱管線、集輸管線內(nèi)流體溫度分布后，即可計(jì)算出管線的平均溫度，然后選擇適當(dāng)?shù)亩嘞嗔饔?jì)算模型[7]進(jìn)行流動(dòng)計(jì)算，根據(jù)產(chǎn)液的進(jìn)站壓力要求確定出井口回壓。

可以采用枚舉法確定伴熱熱水溫度和伴熱水量的最佳組合：對(duì)給定的伴熱溫度，首先從某個(gè)小流量開始，對(duì)伴熱、集輸管線進(jìn)行熱力計(jì)算得到冷、熱介質(zhì)的出口溫度，再進(jìn)行水力計(jì)算，確定該伴熱溫度、伴熱水量下的井口回壓；然后，按一定的流量步長，給定下一個(gè)流量，再進(jìn)行熱力、水力計(jì)算，由此得到伴熱水流量與井口回壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線，根據(jù)這個(gè)關(guān)系曲線就可以確定伴熱水量。對(duì)不同的伴熱溫度，重復(fù)上述過程。

2 計(jì)算結(jié)果分析與討論

將上述計(jì)算過程編制成軟件，可以得到不同伴熱水量（摻水量）下冷、熱介質(zhì)的出口溫度及井口回壓。取某油田的典型生產(chǎn)工況：產(chǎn)液量為10 t/d，含水20%，產(chǎn)液起點(diǎn)溫度為15℃，產(chǎn)液終點(diǎn)壓力（即進(jìn)站壓力）為0.34 MPa。摻水量對(duì)冷、熱介質(zhì)出口溫度和井口回壓的影響如圖4、圖5所示。

由圖4可知：

1）在伴熱水入口溫度一定時(shí)，熱水和產(chǎn)液的出口溫度均隨摻水量的增加而增加。其中，產(chǎn)液出口溫度隨摻水量的變化規(guī)律不受伴熱方式的影響，而低摻水量下熱水出口溫度隨摻水量的變化會(huì)受伴熱方式的影響較大。逆流伴熱時(shí)，熱水出口溫度先隨摻水量的增加變化平緩；當(dāng)伴熱水量增加到一定程度時(shí)出口溫度迅速增加，而后又緩慢增加。

圖4 伴熱水入口溫度對(duì)出口溫度的影響

圖5 伴熱水入口溫度對(duì)井口回壓的影響

2）當(dāng)伴熱水量一定時(shí)，冷、熱介質(zhì)的出口溫度均隨伴熱水入口溫度的增加而增加。但在逆流伴熱中，當(dāng)伴熱水溫較低時(shí)，冷、熱介質(zhì)出口溫度增加不明顯；當(dāng)伴熱水溫較高時(shí)，冷、熱介質(zhì)的出口溫度才明顯增加。

3）仔細(xì)對(duì)比兩種伴熱方式，在相同的熱水入口溫度、相同的摻水量下，逆流伴熱的產(chǎn)液出口溫度明顯高于順流伴熱的出口溫度，這意味著逆流伴熱工藝中集油管線的平均溫度高于順流伴熱。

由圖5可知：

1）在兩種伴熱方式下，井口回壓均隨伴熱水量的增加而減小，這說明增加伴熱水量有利于降低井口回壓。

2）在伴熱流量一定的情況下，隨著伴熱水溫度的提高，兩種方式下的井口回壓均下降，顯然溫度升高降低了產(chǎn)液特別是原油的黏度，有利于流動(dòng)。

3）小流量下逆流伴熱井口回壓隨伴熱水量的降低幅度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于順流伴熱的，主要原因是逆流伴熱時(shí)管線整體的平均溫度高于順流伴熱，這意味著相同條件下采用逆流伴熱更有效。

通過上面的分析發(fā)現(xiàn)，隨著伴熱流量的增加，產(chǎn)液和熱水出口溫度增加幅度均逐漸減小，并且井口回壓降低的幅度也越來越小。這說明產(chǎn)液出口溫度和井口回壓在伴熱水量較小時(shí)對(duì)摻水量的變化敏感，大流量下不敏感。一定的熱水入口溫度下存在著最佳的伴熱流量，可通過井口回壓要求確定。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

江漢油田某區(qū)塊于1968年開發(fā)，其原油具有“三低一高”的特點(diǎn)，即低密度、低黏度、低含硫和高凝固點(diǎn)。原有的集輸系統(tǒng)由于接轉(zhuǎn)站數(shù)量多、單井伴熱能耗大、摻水能耗高等原因?qū)е陆愚D(zhuǎn)單耗遠(yuǎn)高于其他區(qū)塊?？紤]到油田油氣比大、開發(fā)后期含水高的特點(diǎn)，對(duì)該集輸系統(tǒng)實(shí)施了調(diào)整集輸方式，減少接轉(zhuǎn)站，改伴熱為摻常溫水的不加熱集輸工藝等改造措施，使整個(gè)系統(tǒng)的年用電量從110.9×104kWh下降到25.03×104kWh，年用氣量由203.4×104m3下降到85.7×104m3，取得了巨大的節(jié)能效果。但是，改造后的集輸系統(tǒng)到了冬季氣溫下降后，井口產(chǎn)液溫度下降，導(dǎo)致油井回壓過高，集輸困難，部分井口回壓超過1 MPa（表1）。

表1 井口回壓超過1 MPa的油井（環(huán)境溫度為3.5℃）

為了解決這一問題，對(duì)生產(chǎn)困難的油井重新啟用了伴熱措施。依據(jù)上述計(jì)算原理，對(duì)伴熱管線進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算時(shí)給定伴熱水的入口溫度，以滿足最低進(jìn)站壓力為目標(biāo)，確定各集輸管線的伴熱流量，計(jì)算結(jié)果如表1所示。計(jì)算表明，針對(duì)生產(chǎn)困難的油井采用伴熱措施，在能量消耗增加不大的情況下，可以保證油田在冬季安全、正常地生產(chǎn)，同時(shí)大大降低了井口回壓，使油井回壓降低了39%～62%，從而降低了抽油機(jī)的能量消耗。

4 結(jié)論

1）建立了順流伴熱和逆流伴熱兩種工藝下介質(zhì)溫度計(jì)算的數(shù)學(xué)模型，得到了伴熱集輸管路內(nèi)伴熱水與產(chǎn)液的出口溫度隨伴熱溫度和流量的變化規(guī)律。

2）逆流伴熱時(shí)產(chǎn)液的平均溫度更高，井口回壓更低；因此，在相同條件下采用逆流伴熱更有利。

3）就節(jié)能降耗和生產(chǎn)優(yōu)化而言，應(yīng)依據(jù)井口回壓的要求優(yōu)化選擇伴熱溫度和伴熱流量的參數(shù)組合。

[1]陳麗艷，劉曉燕.高含水油田不加熱集輸界限及運(yùn)行管理方法[J].應(yīng)用能源技術(shù)，2007（4）：1-3.

[2]董正遠(yuǎn)，劉培培.原油不加熱等溫輸送工藝參數(shù)的計(jì)算模型[J].西安石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，24（3）：59-62.

[3]劉軍，韓金峰，趙剛，等.三管伴熱流程在稠油集輸中的應(yīng)用[J].石油天然氣學(xué)報(bào)（江漢石油學(xué)院學(xué)報(bào)），2008，30（2）：357-359.

[4]黃善波，張克舫.傳熱學(xué)[M].東營：中國石油大學(xué)出版社，2014：12-14.

[5]李慶揚(yáng)，王能超，易大義.數(shù)值分析[M].5版.北京：清華大學(xué)出版社，2008：286-291.

[6]同濟(jì)大學(xué)數(shù)學(xué)教研室.高等數(shù)學(xué)：下冊[M].4版.北京：高等教育出版社，1996：376-386.

[7]馮淑初，郭揆常.油氣集輸與礦場加工[M].東營：中國石油大學(xué)出版社，2006：162-193.

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.06.001

2017-03-08

（編輯 王艷）

張雪芹，工程師，2004年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）（過程裝備與控制工程專業(yè)），從事節(jié)能降耗方面相關(guān)工作，E-mail：xueqin1016@sina.com，地址：山東省東營市東營區(qū)中國石油大學(xué)（華東）西門，257061。