冷熱原油交替輸送技術(shù)的研究分析

黃淑寅

[摘要]我國對于冷熱油交替輸送技術(shù)的研究，目前已經(jīng)取得了較好的成績。這項(xiàng)技術(shù)符合我國國情，具有很大的研究價(jià)值。本文主要介紹了冷熱油交替輸送中管道土壤傳熱、管內(nèi)非穩(wěn)態(tài)傳熱流動研究的常用幾種方法，以及耦合計(jì)算的數(shù)學(xué)模型、求解步驟和原理，對國內(nèi)冷熱油輸送技術(shù)和今后發(fā)展進(jìn)行了展望。

[關(guān)鍵詞]冷熱原油；交替；輸送；技術(shù)

一、交替輸送應(yīng)用的技術(shù)現(xiàn)狀

我國的原油輸送技術(shù)，相比國外原油順序輸送技術(shù)赴較晚而且相對落后。上世紀(jì)70年代末，我國在湛茂線和魯寧線進(jìn)行了原油順序輸送嘗試，但是結(jié)果不理想，沒有取得成功。伴隨著我國原油進(jìn)口規(guī)模的不斷擴(kuò)大，技術(shù)人員加大了對原油交替輸送技術(shù)的研究和技術(shù)實(shí)驗(yàn)，并且在一定程度上取得了突破。新大線于2006年進(jìn)行了首次冷熱油交替輸送先導(dǎo)試驗(yàn)。經(jīng)過30天，7次不同輸量的循環(huán)，輸送取得了初步成功，這為冷熱油交替輸送提供了技術(shù)儲備和安全保障，也是我們所取得的初步經(jīng)驗(yàn)。是國內(nèi)冷熱油交替輸送的先例，007年，在西部原油管道上，我們相繼對塔里木油、塔里木一北疆混合油、吐哈油和哈薩克斯坦的進(jìn)口原油采用了冷熱順序輸送方式，以及對俄羅斯油和大慶原油進(jìn)行冷熱順序輸送，進(jìn)一步積累了成功的經(jīng)驗(yàn)。

二、冷熱油輸送方法分析

（一）冷熱油管道土壤中的傳熱研究方法

冷熱油交替輸送管道在土壤中傳熱是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)過程。輸送熱油時(shí)，熱油向土壤散熱，土壤吸熱蓄熱；輸送冷油時(shí)，土壤蓄熱此時(shí)對冷油加熱，并且隨著交替的批次增加，呈現(xiàn)一定的周期性。研究管道在土壤中的傳熱，可以對交替耦合的情況進(jìn)一步研究，也能為停輸再啟動提供依據(jù)。由于管外土壤為半無限大區(qū)域，在研究中無法進(jìn)行直接的計(jì)算，需要通過一些簡化、變形后才能計(jì)算。目前計(jì)算管外土壤溫度場的方法主要有源匯法、因次分析法、熱力影響區(qū)域法和雙極保角變換法。

源匯法，是將半無限大空間內(nèi)穩(wěn)定傳熱的埋地?zé)嵊凸艿揽催B續(xù)作用線熱源，利用源匯法進(jìn)行解析求解。因次分析法是由蘇聯(lián)學(xué)者古賓提出了一種利用無因次變量來對地下輸油管道熱損失進(jìn)行求解的近似算法。雙極坐標(biāo)保角變換法保角變換法又稱半空間模型法，這種方法是通過雙極坐標(biāo)保角變換，將半無限大土壤區(qū)城轉(zhuǎn)化為有界矩形或環(huán)形區(qū)域，然后可對微分方程數(shù)值求解。熱力影響區(qū)法是認(rèn)為管道的熱力影響有一定的范圍，在范圍之外的影響可以忽略不計(jì)，將半無限大的土壤求解區(qū)域簡化為一個(gè)矩形或扇形的求解區(qū)域。該方法在一些要求精度不高的工程問題中得到了廣泛應(yīng)用。

（二）管內(nèi)非穩(wěn)態(tài)水力-熱力研究方法

在管內(nèi)非穩(wěn)態(tài)熱力-水力耦合的研究中，研究者通常以管內(nèi)油流的連續(xù)性方程、動量方程及能量方程為基礎(chǔ)，對油流非穩(wěn)態(tài)傳熱和流動進(jìn)行研究。此類問題的研究方法主要?dú)w為解析法、特征線法、數(shù)值模擬三類。

前蘇聯(lián)學(xué)者曾根據(jù)長輸管線內(nèi)流體非穩(wěn)定流動的特點(diǎn)，對管內(nèi)原油非穩(wěn)態(tài)流動傳熱進(jìn)行了解析求解。但是盡管做了相當(dāng)?shù)暮喕?，方程組仍然十分復(fù)雜，不適合工程中應(yīng)用。國內(nèi)研究者曾采用雙特征線對順序輸送中水力、熱力耦合過程進(jìn)行了分析計(jì)算。具體的耦合過程為：首先計(jì)算穩(wěn)態(tài)時(shí)管流的流量、溫度等參數(shù)；當(dāng)邊界條件變化而引起水力一熱力瞬變時(shí)，當(dāng)前溫度取前一時(shí)步的值，根據(jù)水力瞬變特征線法，計(jì)算管道上各節(jié)點(diǎn)的流量、溫度等參數(shù)值。在一個(gè)時(shí)間步長里，經(jīng)過反復(fù)的計(jì)算達(dá)到要求的精度后，進(jìn)行下一時(shí)步的運(yùn)算。數(shù)值模擬法就是將求解域進(jìn)行網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)劃分，通過數(shù)值方法將一系列的控制方程離散化，求解控制方程組，得到各個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)值，從而得到整體的變化規(guī)律。

三、冷熱油交替輸送耦合計(jì)算

冷熱原油交替輸送系統(tǒng)是一個(gè)菲穩(wěn)態(tài)、多控制因素的系統(tǒng)。由于其輸送距離長，劃分網(wǎng)格數(shù)巨大，從時(shí)間效率和經(jīng)濟(jì)效率考慮，不適合用現(xiàn)行的商業(yè)CFD軟件來模擬整個(gè)過粗。研究者們對于交替輸送的研究，通常是整體統(tǒng)籌計(jì)算，局部詳細(xì)模擬。整體上從水力、熱力控制方程人手，將其離散差分進(jìn)行耦合的數(shù)值計(jì)算。

假設(shè)管內(nèi)油流溫度只隨時(shí)間和管線長度變化而變化，即同一截面溫度是相同的。假設(shè)管道周圍土壤介質(zhì)為各向同性的均勻介質(zhì)。假設(shè)忽略混油段及冷熱油交界面處的導(dǎo)熱，即認(rèn)為是活塞型驅(qū)油。假設(shè)管外土壤傳熱只在徑向平面。

四、冷熱油交替輸送研究現(xiàn)狀

冷熱油交替輸送，涉及土壤蓄熱、停輸啟動、管道預(yù)熱等問題，但又比單純的加熱輸送復(fù)雜。它還涉及到冷油的預(yù)熱量和預(yù)熱溫度以及加熱時(shí)機(jī)等問題。國內(nèi)很多學(xué)者進(jìn)行深入研究。

鹿廣輝、楊云鵬等都對冷熱輸送埋地管道的土壤傳熱進(jìn)行了研究。他們通過建立土壤模型，利用商業(yè)模擬軟件，對不同工況進(jìn)行模擬，對輸送過程中土壤蓄熱，交替過程中溫度場的變化以及溫度場漂移的規(guī)律進(jìn)行了總結(jié)。

冷熱油交替過程中加熱方案的經(jīng)濟(jì)性綜合采用有限差分和有限元法，編制軟件對輸送過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。通過分析兩種不同控制方式的不同的加熱方案，比較能耗得出，對低凝油尾部分加熱所所需的能耗比對其整體加熱的要少，應(yīng)考慮第二種控制方式下的最佳加熱方法。在對冷熱油交替輸送耦合模型的建立上，作者提出了移位網(wǎng)格下的虛擬邊界條件法，解決常規(guī)有限差分法和交錯(cuò)網(wǎng)格的有限差分法對水力瞬態(tài)變化的不足，并且編制了更加嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆欠€(wěn)態(tài)水力一熱力耦合計(jì)算程序，并在現(xiàn)場應(yīng)用中得到了驗(yàn)證。對于交替輸送中的熱力影響因素，作者通過模擬分析認(rèn)為，輸送距離，年輸送批次，相對加熱量以及加熱時(shí)機(jī)都會輸送安全產(chǎn)生影響。輸送距離增加不利于改善原油的流動安全，而批次的增加雖然改善了流動安全，卻造成了混油量和運(yùn)行管理難度增加。

五、冷熱油順序輸送研究總結(jié)及展望

冷熱油交替輸送事業(yè)復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)水力熱力過程，但其產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)收益是可觀的。目前的研究，多數(shù)都是基于控制方程，離散及簡化邊界條件，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算并編制交替輸送的程序。這種簡化的數(shù)值計(jì)算，基本上滿足了工程的需要，三十對于冷熱原油交替輸送的規(guī)律并沒有完全表現(xiàn)出來。例如：（1）交際交替過程中水力過程也是非穩(wěn)態(tài)的過程，輸送的流量、壓力等對熱力的影響：（2）實(shí)際交替過程中存在混油段，混油的熱力變化更加復(fù)雜，混油界面的捕捉；（3）管線與周圍土壤傳熱情況，考慮不同環(huán)境因素下的真實(shí)溫度場。（4）冷熱交替的循環(huán)，造成管線鋼的熱應(yīng)力變化，所導(dǎo)致的管線安全問題。對于這些方面的研究應(yīng)該是今后研究的著力要突破的方面。

隨著計(jì)算機(jī)的性能提高，數(shù)值計(jì)算不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)模擬占據(jù)巨大的優(yōu)勢。相比于實(shí)驗(yàn)的巨大投入，計(jì)算機(jī)模擬無疑使非常好的選擇。但是，由于模型的建立和算法的選擇，使得一些問題只存在理論上可算，實(shí)際上耗時(shí)巨大。所以，對于數(shù)值計(jì)算，網(wǎng)格的劃分，算法的選擇，模型的創(chuàng)新也是值得我們深入研究的，具有現(xiàn)實(shí)意義。