農田地區(qū)輸氣管道土壤溫度場特性研究

趙子涵，胡志勇，潘振

農田地區(qū)輸氣管道土壤溫度場特性研究

趙子涵，胡志勇，潘振

（遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001）

在埋地管道中，常溫輸送的天然氣管道會影響農田地區(qū)土壤的溫度場，從而改變農作物生長的土壤環(huán)境。為了研究農田地區(qū)土壤的溫度特性，以某管道為例，根據(jù)該地段的土壤物性參數(shù)，采用Fluent非結構性有限容積法對農田段的溫度場特性進行數(shù)值模擬研究。從管道是否敷設隔熱層以及兩種不同材質的隔熱層對土壤溫度場影響的兩個角度對農田地區(qū)土壤溫度場進行了數(shù)值模擬。結果表明：設置隔熱層的埋地輸氣管道與不設置隔熱層的輸氣管道相比對土壤溫度場的影響變化明顯；兩種不同材質的隔熱層對土壤溫度場的影響相似。

埋地管道；輸氣管道；數(shù)值模擬；土壤溫度場

某輸氣管道建成以來，部分農戶反映某管線穿越農田段造成農作物減產(chǎn)現(xiàn)象，局部地段甚至絕收。調查證實，油氣管道施工地段和管道上方農作物生長受損（減產(chǎn)）現(xiàn)象是存在的。已建各條管道的建設和運行造成農作物減產(chǎn)現(xiàn)象較為突出，給沿線部分農戶造成了不小的經(jīng)濟損失，造成了一定程度的企（業(yè)）地（方）矛盾。上述問題如不加以研究解決，勢必進一步加劇管道建設和運行管理中與周邊百姓引發(fā)的矛盾、沖突，管道安全也將難以得到保障，而且還將嚴重制約今后我國管道行業(yè)的發(fā)展。

近年來國內外諸多學者在埋地輸氣管道土壤溫度場方面進行了大量的科研工作，并獲得了一系列的成果。杜明俊[1]等將土壤作為多孔介質模型，利用FLUENT軟件進行數(shù)值模擬，對是否具有保溫層條件下埋地管道周圍土壤溫度場進行分析，表明了采用保溫材料可以有效降低凍土融化速率。付吉 強[2]等建立了以土壤為多孔介質的模型，并以某地敷設的埋地管道為例，采用 SIMPLER 算法，得到了管道周圍凍土溫度特性。結果表明，當?shù)乇頊囟扔幸?guī)律變化時，管道周圍土壤溫度特性變化巨大。石油規(guī)劃總院和西北農林科技大學聯(lián)合進行專項研究[3]，基本結論如下：管道輸送介質溫度較高時，會引發(fā)管道周圍土壤溫度場的變化，進而造成管道周圍一定范圍內土壤溫度、水分養(yǎng)分等因素發(fā)生變化，農作物的產(chǎn)量隨著距離管道的遠近受到不同程度的影響。何毅[4]提出，油氣管道施工地段的管道上方農作物受損是一個不爭的事實，造成作物減產(chǎn)的因素有部分原因是運行期間管道溫升對土壤的傳熱影響。張龍[5]等得出了由于管道出站段的溫度過高進而影響農作物生長的事實，并提出了一系列降低管道溫度影響的解決措施。

現(xiàn)在尚無學者針對天然氣管道對土壤溫度特性的影響進行深入研究。本文以某管道為例，在實測埋地管道周圍土壤物性的基礎上，采用Fluent非結構化有限容積法對天然氣埋地管道準周期時間內的土壤溫度場進行模擬研究。從管道是否敷設隔熱層以及兩種不同材質的隔熱層對土壤溫度場影響的兩個角度對農田地區(qū)土壤溫度場進行了數(shù)值模擬計算。

1 天然氣埋地管道周圍土壤溫度場數(shù)學模型

為了簡化計算，提出以下假設：將土壤簡化為各向同性的均勻的理想介質；管道橫截斷熱力影響區(qū)的范圍為水平方向-10 m≤≤l0 m、垂直方向 -10 m≤≤0 m[6]。基于上述簡化與假設建立天然氣埋地管道周圍土壤溫度場的數(shù)學模型如下[7-12]。

管壁、防腐層導熱方程：

鋼管內壁和防腐層外壁：

防腐層外壁和管道周圍土壤：

土壤導熱方程：

邊界條件：

初始條件：

2 數(shù)值模型建立和參數(shù)設定

2.1 數(shù)值模型網(wǎng)格建立

為了研究天然氣埋地管道周圍土壤溫度場，本次研究選取某壓氣站在2014年全年出站溫度和地溫作為計算參數(shù)，來模擬分析輸氣管道出站段的管道溫升對土壤熱環(huán)境的影響規(guī)律。計算域的簡化模型為長方形，使用Icem畫圖軟件將計算域劃分成非結構化網(wǎng)格，如圖1所示。

此外，在Fluent中保持所有無關變量相同的情況下，開始進行數(shù)值模擬運算。分別計算當網(wǎng)格數(shù)量不相同時，土壤上邊界處的溫度情況。準備5種不同節(jié)點數(shù)的網(wǎng)格用于檢測，分別為10萬、15萬、20萬、25萬和30萬。同時計算5種網(wǎng)格時，土壤上邊界處的溫度數(shù)值趨于穩(wěn)定。從圖2中可以觀察出，網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為25萬和30萬時邊界處的溫度基本穩(wěn)定在10.4 ℃。為了保證結果的精確性，本文擬用25萬的網(wǎng)格在較大程度上保證了模擬結果與網(wǎng)格數(shù)量的無關性。

2.2 溫度場幾何模型

經(jīng)試驗證實天然氣埋地管道軸向溫降與徑向溫降相比可以忽略不計。在距離天然氣管道截面水平方向一定距離處認為是絕熱。距離地面10 m埋深以下，土壤自然溫度年終趨于穩(wěn)定，因此作為恒溫層處理，由此建立二維穩(wěn)態(tài)傳熱模型，10 m×20 m的研究模型。

2.3 參數(shù)選取

本次研究選取某壓氣站在2014年全年出站溫度和地溫作為計算參數(shù)，來模擬分析埋地輸氣管道出站段的管道溫升對土壤熱環(huán)境的影響規(guī)律。

1）出站溫度：50 ℃；

2）取值埋深處恒溫層溫度：8 ℃；

3）管道外徑1219 mm，平均埋深取值1.5 m；

4）地表對流換熱系數(shù)20.6 W·m-2·℃-1，取值地表溫度為10 ℃；

5）土壤導熱系數(shù)取常數(shù)2.1 W·m-2·℃-1；

6）生根層土壤厚度：地表下40 cm。

3 計算結果分析

采用非結構化有限容積法Fluent軟件，模擬埋地天然氣管道的土壤溫度特性。該方法與其他管道熱力分析的其他方法[13-27]相比，模型中的假設較少，能準確模擬不規(guī)則的土壤區(qū)域的溫度場。

本文分別模擬了在相同條件下輸氣管道在不設置隔熱層、隔熱層材料分別為擠塑聚苯乙烯或聚氨酯影響下的農田段土壤溫度云圖。擠塑聚苯乙烯具有較好的閉孔蜂窩結構，而且使用時間較長，并且抗蒸汽滲透性能良好[28]；聚氨酯透濕系數(shù)小，吸水率小，同時還可以耐水解，是一種集防水、保溫隔熱于一體的材料[29]。經(jīng)過經(jīng)濟性分析以及可用性約束，保溫層的厚度設定為23 mm。圖3、圖4、圖5分別為不設隔熱層、隔熱層的材料為擠塑聚苯乙烯、聚氨酯經(jīng)過Fluent模擬之后的土壤溫度場云圖。圖6為在相同條件下不設隔熱層、隔熱層的材料為擠塑聚苯乙烯、聚氨酯的土壤溫度變化對比的折線圖。

圖4 管道隔熱層材料為擠塑聚苯乙烯的土壤溫度場云圖

圖5 管道隔熱材料為聚氨酯的土壤溫度云圖

圖6 土壤溫度折線圖

3.1 未設置隔熱層的管道對土壤溫度的影響

在圖3中可以明顯地看出，由于管道未設置隔熱層的原因，土壤的溫度特性云圖變化的非常不明顯，尤其是在土壤接觸管道的位置處土壤的溫度變化基本為零，沒有較大的變化幅度，這也就是直接地導致了土壤溫度陡然升高的主要原因。從圖6中可以觀察出，在管道不設置隔熱層的情況下，土壤上邊界處的溫度為10.4 ℃，隨著深度的增加其溫度持續(xù)上升。在埋深為0.26 m處，可以直觀地看出土壤溫度呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢。深度為0.75 m處土壤溫度出現(xiàn)了第一次轉折點并且陡然上升，在埋深為1.125 m處土壤溫度上升的斜率出現(xiàn)了最大值，這表明土壤溫度在此處變化得尤為劇烈。在管道的正上方（管道埋深處）土壤溫度達到了最大值為23.36 ℃，此后隨著埋深的增加溫度逐次遞減形成了以管道埋深處為對稱軸成軸對稱的溫度分布形態(tài)。不設置隔熱層的管道，土壤溫度的溫差為12.96 ℃，如此之大的溫差會導致管道周圍農作物經(jīng)濟產(chǎn)量降低；過高的溫度會影響土壤顆粒中的含水率進而影響生物的生長變化；管道運行提高了土壤溫度，減少了土壤中的微生物和有機質的含量，改變了土壤的水熱結構，阻礙了土壤大團聚體的形成；土壤溫度的劇烈變化也會對其養(yǎng)分含量產(chǎn)生影響。

3.2 管道敷設隔熱層對土壤溫度的影響

在圖4中可以觀察出，由于埋地輸氣管道設置了隔熱層，土壤的溫度特性云圖變化得十分劇烈，特別是在接觸管道的位置處土壤的溫度變化極其劇烈。在圖6中觀察到設置材料為擠塑聚苯乙烯的隔熱層之后，土壤上邊界處的最低溫度為9.9 ℃，對比未設置隔熱層的土壤上邊界處的溫度10.4 ℃，并未有較大幅度的降低。但在土壤埋深為1.0~1.5m的區(qū)間段內，設置隔熱層材料為擠塑聚苯乙烯的管道對土壤溫度的影響成緩慢的上升態(tài)勢，在此范圍內隔熱層已經(jīng)起到了巨大的溫降作用。在管道的正上方（管道埋深處）土壤溫度僅為10.1 ℃，對比未設置隔熱層的管道溫差為13.5 ℃，已經(jīng)有了很大幅度的降低。設置隔熱層的管道在此區(qū)間的溫度變化十分緩慢，不會對土壤成分有任何影響。

3.3 不同材質的隔熱層對土壤溫度的影響

從圖6的紅色曲線與藍色曲線的對比中可以觀察出，設置材料為擠塑聚苯乙烯的隔熱層時，土壤上邊界處的最低溫度為9.9 ℃，設置材料為聚氨酯的隔熱層土壤上邊界處的最低溫度為10.1 ℃，兩者不同材料的隔熱層之間的溫差僅為0.2 ℃。隨著土壤深度的增加土壤溫度呈現(xiàn)緩慢的狀態(tài)提升，材料為擠塑聚苯乙烯的管道正上方的土壤溫度為10.56 ℃，聚氨酯為10.86 ℃，兩者溫差僅為0.3 ℃，可見這兩種材質的設置隔熱層對土壤溫度的影響并不大，在可接受的范圍內。經(jīng)對比聚氨酯泡沫材料成本比擠塑性聚苯乙烯高出約17%，考慮到經(jīng)濟因素等原因應采用擠塑性聚苯乙烯為隔熱材料。

如果對輸氣管道全部設置隔熱層，由于沿線熱損耗大幅降低，將導致進站溫度升高，這會給站內的壓縮機正常運行造成較大的能耗，因此不推薦全線設置隔熱層，可根據(jù)部分農田設置隔熱層，具體須要結合沿線農田的分布情況確定。

4 結 論

1）經(jīng)過農田地區(qū)的輸氣管道在不設置隔熱層的情況下，地表處的溫度與大氣溫度相近，然而在農作物的根生區(qū)土壤溫度將會有急劇變化且在埋深為1 m處土壤溫度出現(xiàn)拐點，以20.64 ℃·m-1的速率持續(xù)增加。溫度土壤邊界與管道埋深處的溫差將會達到12.69 ℃，如此之大的溫差將會影響土壤顆粒的含水率、養(yǎng)分含量、土壤的水熱結構等，導致農作物的產(chǎn)量降低。

2）埋地輸氣管道敷設隔熱層后，土壤溫度出現(xiàn)較為明顯的降低，同在1 m處增長速率僅為1.12 ℃·m-1。土壤邊界與管道埋深處的溫差為0.56 ℃，與未敷設隔熱層的輸氣管道相比溫差大幅度降低，有效緩解了由于土壤溫差較大帶來的諸多問題。經(jīng)對比擠塑性聚苯乙烯不論在隔熱效果還是在經(jīng)濟性方面都要優(yōu)于聚氨酯，而且考慮到站內壓縮機的性能問題，建議不要大面積敷設隔熱層，具體須要結合沿線農田的分布情況確定。

符號說明：徑向位置，m；

環(huán)向弧度；

取1，2別代表鋼管壁、防腐層；

λ第層導熱系數(shù)，W·(m·K)-1；

C第層容積熱容量，kJ·m-3·K-1；

Tk=1，2分別為鋼管壁、防腐層的溫度，K；

運行時間，s；

1、2為天然氣管道外壁、防腐層外壁半徑，m；

S土壤溫度，K；

λ土壤導熱系數(shù)，W·(m·K)-1；

C土壤容積熱容量，kJ·m-3·K-1；

k放熱系數(shù)，W·m-2·K-1；

h當量換熱系數(shù)，W·m-2·K-1；

k大氣溫度，K；

w天然氣的初始溫度，K；

d深度y處土壤的自然溫度，K；

0土壤的初初始溫度，K；

d土壤計算區(qū)域的下邊界，m；

管道外壁的直徑，m。

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Study on Soil Temperature Field Characteristics Around Gas Transmission Pipeline in Farmland

（College of Petroleum and Natural Gas Engineering,Liaoning Shihua University, Fushun Liaoning 113001, China）

In buried pipelines, natural gas pipelines transported at room temperature will affect the temperature field of soil in farmland areas, thereby changing the soil environment in which crops grow. In order to study the temperature characteristics of the soil in the farmland area, taking a corridor section as an example, based on the soil physical parameters of the section, the Fluent non-structural finite volume method was used to numerically study the temperature field characteristics of the farmland section. The numerical simulation of the soil temperature field in the farmland area was carried out from the perspective of whether the pipeline was laid with a thermal insulation layer and two thermal insulation layers of different materials. The results showed that the buried gas pipeline with heat insulation layer had significant effect on the soil temperature field compared with the gas pipeline without heat insulation layer; two different materials of the heat insulation layer had similar effect on the soil temperature field.

Buried pipeline; Gas pipeline; Numerical Simulation; Soil temperature field

2020-08-03

趙子涵（1995-），男，蒙古族，遼寧省撫順市人，碩士研究生， 2018年畢業(yè)于遼寧石油化工大學油氣儲運專業(yè)，獲得學士學位，現(xiàn)就讀于遼寧石油化工大學油氣儲運專業(yè)，攻讀碩士學位，研究方向：埋地輸氣管道土壤溫度特性。

潘振（1981-），男，教授，博士，研究方向：長距離油氣管道輸送技術。

TE832

A

1004-0935（2021）01-0063-05