输油管道顺序输送的热力模拟研究

第4 l卷第 5 期 2 0 1 2年 5月 当 代 化 工 C o n t e mp o r a r y C h e m i c a l I n d u s t r y V O 4 1 N 0 5 M a y， 2 0 1 2 输油管道顺序输送的热力模拟研究 施 雯 ， 王琪 ， 王 淳 ( I 广东石油化工学院 化工与环境工程学院， 广东 茂名 5 2 5 0 0 0 ； 2 中国石油化工股份有限公司 辽宁辽阳石油分公 司， 辽宁 辽 阳 1 1 1 0 0 0) 摘 要：同一管道输送流变特性差异很大的多种原油，不同凝固点不同出站温度的原油顺序输送，必然导 致土壤温度场的波动，这是一个不稳态传热问题 ，因此建立了顺序输送不稳态温度场及土壤温度场模型进行分 析。利用有限差分法 使用混合网格，即在差分网格的划分中使用了混合网格法， 在土壤内部的大部分区域使 用矩形网格划分，在管壁附近使用极网格；把模型的热传导偏微分方程转化为线性方程组，用迭代法求解。以 湛江至茂名输油管道为例 ，对其顺序输送不同国家原油的热力状况进行了模拟计算。通过对混输中各阶段油头 温度和土壤温度场的分析可知，该模型可确定顺序输送次序和油品出站温度等参数，为制定管输方案提供理论 依据 。 关键词：原油；顺序输送；数学模型；热力过程 ；模拟 中图分类号 ：T E 8 3 2 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 1 0 4 6 0( 2 0 1 2)0 5 0 5 3 3 0 4 Re s e a r c h o n The r m o d y na m i c S i m u l a t i o n o f Cr ude Oi l Ba t c h Tr a ns po r t a t i o n Pi pe l i ne S HI W e ， W A NG Q i ， W A NG C h “ ( 1 Gu a n g d o n g Un i v e r s i t y o f P e t r o c h e mi c a l Te c h n o l o g y , Gu a n g d o n g Ma o mi n g 5 2 5 0 0 0，Ch i n a 2 P e t r o C h i n aLi a o y a n gBr a n c h ， L i a o n i n gLi a o y a n g 1 1 1 0 0 0 ，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：On l y o n e p i p e l i n e i s u s e d t o t r a n s p o r t ma n y k i n d s o f c r u d e o i l s wh o s e r h e o l o g i c a l p r o p e r t i e s a r e g r e a t d i ff e r e n t ，i t wa s t h e b a t c h t r a n s p o r t a t i o n o f c r u d e o i l wi t h d i f f e r e n t f r e e z i n g p o i n t s a n d d e p a r t u r e t e mp e r a t u r e T h e t e mp e r a tur e fi e l d mu s t b e fl u c tua t e d ； i t i s a p r o b l e m o f u n s t e a d y t h e r m o d y n a m i c p r o c e s s S o t h e t e mp e r a t u r e mo d e l o f u n s t e a d y t r a n s p o r t a t i o n a n d t h e o n e o f s o i l we r e e s t a b l i s h e d Th e fin i t e d i ff e r e n c e t h e o r y wa s u s e d f o r c a l c u l a t i o n A m i x e d me s h m e t h o d wa s a p p l i e d ， t h e r e c t a n g u l a r me s h wa s u s e d i n t h e i n n e r fi e l d ， a n d n o r ma l l i n e m e s h wa s u s e d n e a r t h e p i p e s u r f a c e T a k i n g t h e p i p e l i n e o f Z h a n j i a n g t o Ma o mi n g a s a n e x a mp l e ， t h e t h e r mo d y n a mi c p r o c e s s o f b a t c h t r a n s p o r t a t i o n wa s s i mu l a t e d a n d c a l c u l a t e d T h r o u g h a n a l y z i n g d a t a o f o i l a n d s o i l t e mp e r a t u r e ，t h e b a t c h a n d d e p a r t u r e t e m p e r a t u r e c a n b e d e fi n e d T h e ma t h e ma t i c a l mo d e l c a n p r o v i d e a t h e o ry e v i d e n c e f o r p r o j e c t o f p i p e l i n e t r a ns p or t a t i on Ke y wo r d s ： Cru d e o i l ； Ba t c h t r a n s p o rta t i o n ； M a t h e ma t i c a l mo d e l ； T h e rm o d y n a mi c p r o c e s s ； S i mu l a t i o n 为满足炼油企业的生产需要 ，缓解国内石油短 缺的问题 ，从国外进 口原油，是我国的既定政策。 一 般一个港 口或企业会进 口多种不同国家不同地区 的原油，数种不 同品种 的原油 ，油品物性流变性差 异很大。同一管道输送多种原油 ，管 内原油与土壤 中的热力平衡状态被破坏 ，油温及土壤温度将重新 分布 ，因此要建立原油管道顺序输送不稳态温度 场及土壤温度场模型 ，为安全运行提供决策依据。 1 湛茂输油管道概况 湛茂输油管道 1 9 8 0年 1 0月建成投产 ， 主要担 负从湛江港接卸下来的原油输送进茂名炼油厂 。线 路全长约 1 0 4 0 8 k m， 管径为5 2 9 m m， 壁厚为 7 m m， 线路设计最大操作压力为 6 0 MP a ，设计输油能力 1 0 0 0 X 1 0 4 t a ，目前实际输送量 约为 7 0 0 X 1 0 4 t 。 湛茂线输送 2 0余种原油 ，流变特性差异之大， 在 国内管道 中是少见 的。 比如沙中原油凝 固点一 3 0 ，而苇杜里原油凝 固点为+ 4 3 。 2 原油的顺序输送模型 原油顺序输送过程中，管 内输送油品因温度的 不 同，将对前一过程 ( 1阶段 )中所建立的土壤 温度场产生影响，前一过程 ( 1阶段 ) 终了时管 内油温及管外土壤温度为此过程 ( k阶段 )的初始 条件 。管 内油品温度变化为冷、热两种不同油品的 基金项目：广东石油化工学院自然科学研究项 目，项 目号：5 1 1 0 0 2 。 收稿 日期 ： 2 0 1 2 - 0 2 2 4 作者简介 ： 施雯 ( 1 9 8 3 一) ，女，辽宁本溪人，讲师，硕士，2 0 0 6年毕业于辽宁石油化工大学油气储运工程专业，研究方向：从事油气储运工程 专业教学与研究工作。E - m a i l ：s h i w e n 7 1 l 7 3 1 5 1 6 3 c o m 。 化 工 温度变化 ，为不稳定的热力变化 。假设前后输送 的 两种油品界面为一平面，两种油品之间既无质量交 换也无热量交换H 。根据管 内油流能量平衡 ，建立 管内油品的温度变化 。管内油温的变化将引起管道 周围热影响区域 内土壤温度 的不稳定变化 。在土壤 温度场模型中将土壤的半无 限大区域转化成有限矩 形区域 ，在边界条件 中充分考虑了地面温度的变化 以及管径等参数的影响。其数学模型描述如下 。 ( 1 ) 管内油流的非稳态传热与流动： 翌 + 互 + 二 ： 0 1 + 一 + 二 ，_ 一 ： = ( ) a t 8 Z py C D ( 2)土壤导热方程 ： c 等= c 等 + c2 ( 3)边界条件 ： ： 0 当 x = O且 0 2或 2 时 ( 3 ) = T o ( Y ， t ) 当 = 时 (4 ) h 、 ， V 图 1 土壤温度场的网格划分方法 Fi g 1 M e s h m e t h od of s oi l t e mpe r a t ur e fie l d 3 算例与分析 3 1 算例 1 设湛茂线顺序输送 以下几种原油 ，每种原油输 送 4天 ，计算运行情况 。输送油品物性及输送次序 如表 1 所示。从初始第 1 阶段至第 5阶段为第一个 ： ( 一 ) 当 时 (5 ) 循环周期， 第 6 阶段至第 9阶段为第二个循环周期。 一 = 。 ( 一 ( ) )当 0时 c y = 当 时 ( 4)初始条件 ： 管内油温 ： ( z ) =L( k 一 1 ) 管道周围土壤 ： ( ， ) = ( 七 一1 ) 式 中： 一管道沿线各站进站油温， ； 卜 管道沿线各站热影响区域范围内土壤温度 ，； ( n 0一 自然地温函数 ，； 一油品比热容，J ( k g) ； d 一油品的放热系数 ，w， ( In ) ； 一土壤的导热系数 ，W ( m ： ) ； 一 土壤的容积热容量，J ( m ) 一 管道直径 ，m； 。 一 原油流速 ，m s ； 一 质量流量 ，k ； l而 序输送阶段 ； 一 沿线 距 离 m ( 6 ) ( 7 ) ( 8 ) f 9 1 根据上述数学模型，使用有限差分法 ，对土壤 温度场和管道油流进行耦合求解。为了得到高分辨 率，在管道表面附近使用极网格， 在其他区域使用 矩形网格 。 ，土壤温度场网格划分如 图 1所示 。对 于顺序输送模型，利用了预 =9 1 0 一校正法的思想 ，校 正其差分方程。 表 1顺序输送油品次序 ( 算例 1】 T a b l e 1 S e q u e n c e o f b a t c h t r a n s p o r t a t i o n( E x a mp l e 1 ) 通过计算 ，可 以得到不 同循环各阶段油头 的沿 线温度分布图。 ( 1 )图 2中第一循环周期的第 2阶段阿姆纳 原油 ，出站温度为 4 5 0 的油头进站温度为 5 1 8 ，油头温度先明显升高后有微小降低。主要原因 是初始第 1阶段输送 的苇杜里原油出站温度为 5 5 ，土壤温度场温度升高 ，出口处土壤温度高于原 油出口温度 ，相 当于土壤对原油加热 ，油头温度不 断升高。随着距首站距离的增大 ，土壤温度场的温 度不断降低 ，管道内部油品的温度高于管道外部土 壤温度 ，油品向土壤传热 ，管道内油品温度有所降 低 第 4 l卷第 5期 施 雯， 等： 输油管道顺序输送的热力模拟研究 5 3 5 图 2第一个循环 中各 阶段油头温度 Fi g 2 Oi l t e mpe ra t ur e o f var i o us s t ag e s i n t he fir s t l o o p 图 3第二个循环 中各 阶段油头温度 Fi g 3 Oi l t e m pe r a t ur e of v ar i ou s s t a g es i n t he s e c o nd l o o p ( 2 )第 3阶段马力布原油，出站温度为 2 5 0 的油头进站温度为 4 2 1 ，油头温度显著升高 ， 但随着与首站距离的增加，升温幅度越来越小。主 要原因是第 2阶段输送的高温原油使管道沿线靠近 管壁处的土壤温度均高于第 3阶段油品的出站温 度 ，管道外土壤对油头加热。在刚出站阶段 ，管道 内外的温差很大 ，此时管道外土壤 向油品传热强度 大 ，油品温度快速提升。随着油头不断向前流动 ， 管内油品温度不断升高，但管道外土壤温度却越来 越低 ，此时管道内外的温差越来越小 ，传热强度不 断减小 ，故油头温度的升温幅度变小。 ( 3 )第 4阶段阿姆纳原油，出站温度为 4 5 0 的油头进站温度为 2 5 1 o C，油头温度显著降低。 由于第 3 阶段低温原油的影响， 管道沿线靠近管壁 处的土壤温度被冷却，管道内油品温度高于管外壁 土壤温度 ，相当于管道 内油品对土壤加热。 ( 4) 第 5阶段苇杜里原油，出站温度为 5 5 0 C 的油头进站温度为 4 2 7，油头温度不断降低。管 道内油品温度仍高于管外壁土壤温度 ， 但 由于有第 4 阶段油品对土壤的加热过程，油头降温幅度没有第 4 阶段大。 图3 中第二循环周期的第 6 阶段阿姆纳原油， 出站温度为 4 5 0 o C 的油头进站温度为 5 0 8；第 7 阶段马力布原油 ，出站温度为 2 5 0的油头进站温 度为 4 1 -4 o c； 第 8阶段阿姆纳原油， 出站温度为 4 5 0 的油头进站温度为 2 4 6； 第 9阶段苇杜里原油 ， 出站温度为 5 5 0 o C的油头进站温度为 4 2 1 。 从图2 及图3 两个循环可以看出各 阶段的转输过 程顺利 ，各阶段沿线油头温度均高于油品的凝点 ，管 道沿程不会出现凝油现象，可实现油品的正常输送。 3 - 2 算例 2 将第 3阶段马力布原油的出站温度 由 2 5降 为 1 5 进行输送，其它条件同算例 1 ( 表 2 ) 。 从图 4中可看出第 3阶段马力布出站温度改为 1 5 c C 后第 3阶段的输送可顺利进行。而在第 4阶段阿 姆纳油头的进站温度已低于此油品的凝点 ，在约距 首站 5 2 k m处油头的温度 已低于凝点 ( 2 0 8 ) ， 油品将产生凝固而发生凝管现象。主要原因是第 3 阶段的油品出站温度为 1 5 时，此阶段输送末端 沿线油温较低 ，而在第 4阶段 刚刚转输时沿线油温 无法有较大恢复。因此 ，第 3阶段油温为 1 5 不 能保证混输油品的正常输送。 表 2顺序输送油 品次序 ( 算例 2) T a b l e 2 S e q u e n c e o f b a t c h t r a n s p o r t a t i o n( E x a mp l e 2 ) 站 I H J 距 k m 图 4降温输送后各 阶段油头温度 Fi g 4 Oi l t e mpe r a t ur e of va r i o us s t ag e s a f t e r c oo l i ng t r a ns pO r t a t i O n 4 结 论 ( 1 ) 通过对湛茂线原油管道的实际运行进行分 析，建立湛茂线原油管道顺序输送 的热力模型。 ( 2) 通过有限差分法对原油的初始状态 、 转输 热力过程进行求解 。 ( 3)通过实例对湛茂线原油顺序输送进行模 拟 ，为实际工作 中制定管输方案提供理论依据。 ( 下转第 5 3 8页 ) l三 5 0 赠 加 0 叫 帖 加 5 o p 赠 5 3 8 当 代 化 工 2 0 1 2 年 5 月 4 计算实例 以玉东 2 5 0井为例来说明该方法在滑阀弹簧 参数优化 中的应用。该井的基础数据如表 1 。 表 1 玉东 2 5 O井基础数据 Ta bl e 1 Da t a bas e of YuDong 2 - 50 we l l 以滑阀弹簧参数为设计目标， 应用本文第 2 部 分和第 3部分对基础数据进行分析 ，得到滑阀弹簧 参数 ，如表 2 。 5 结 论 ( 1 ) 滑阀弹簧要保证在上冲程过程中上滑阀开 启，下滑阀关闭；在下冲程过程中上滑阀关闭，下 滑阀开启 ， 从而使井下串联抽稠油泵能够正常工作。 ( 2) 滑阀弹簧受力的未知因素 比较多，不能用 常规方法对其进行设计 ，只能用试算的方法进行设 计。 ( 3) 由于弹簧与掺人液和地下产出液等具有一 定腐蚀性的流体接触 ，因而弹簧的材料必须具有一 定的防腐蚀能力。 ( 4 哥 阀弹簧的几何参数应符合泵腔空间结构 限制 ，所受载荷应在泵工作区范围，并且满足强度 及稳定性要求。 表 2 滑阀弹簧设计结果 T a b l e 2 De s i g n Re s u l t s o f S l i d e Va l v e S p r i n g 参考文献： 1 张琪采油工程原理与设计 M 冻 营 ：石油大学 出版社，2 0 0 0 2万仁浦 采油工程手册 M 北京 ：石油工业出版社 ，2 0 0 8 0 8 3成大先 机械设计手册【 M】 E 京 ：化学工业出版社 ，2 0 0 2 ( 上接第 5 3 5页 ) 参考文献 ： 1 姜笃志输油管道非稳定热力过程数值分析 J 1 油气储运 ， 1 9 9 6 ， 1 5 ( 8 ) ：1 - 5 2 吴世逵，梁朝林 ， 李大上 ，等易凝原油低温热输送的研究l J 】 l油 气储运 ，2 0 0 4 ， 2 3 ( 5 ) ：1 3 1 6 3古才荣湛茂线高 比例混输高凝原