（热能工程专业论文）在役修复热油管道停输再启动研究.pdf

銮量j 翌：譬：老些耋：兰堡鎏三 在役修复热油管道停输再启动研究 摘要 自1 9 7 1 年建成第一条管线抚大线以来，东北输油管网已经服役3 5 年，使用寿命已超过设计寿 命。为了保证东北输油管网安全运行现在每年都对在役管线进行开挖后的大规模的修复，修复的 过程难免遇到停输问题。因此，为了保证热油管道修复和改造过程安全，有必要对开挖修复过程中 停输再启动问题进行研究。 考虑了开挖段的存在，建立了在役修复热油管道停输再启动数学模型。根据管线的实际情况 该模型的建立过程同时考虑了埋地管段、架空管段、穿越河流管段。由于边界条件的复杂性，模型 求解方法采用数值解法。对轴向油温的求解，采用鼢式差分格式的有限差分法；对埋地管段径向温 度场的求解，采用有隈元法。对求解区域进行了不均匀的网格剖分，丈大减少了求解区域的节点数， 计算速度快。启动压力从两方面进行研究，即沿程摩阻和压力波。从水力方程出发，推导出沿程压 力的计算方法；出站压力计算时同时考虑压力波的作用和沿程摩阻的作用。对于埋地管段径向温度 场模型给出了恒温层边界温度及深度的计算方法。考虑管道在役修复期间的工况建立了允许停 输时间模型、最危险截面计算模型和最大开挖长度计算模型。 开发了“熟油管道停输再启动模拟计算软件”。对未开挖停输再启动过程和开挖后停输再启动 过程的轴向温度、径向温度、启动压力、允许停输时闻、最危险截面等参数进行了计算。开挖后停 输最危险截面为各种管段末端的温度最低处，计算结果表明开挖后，危险截面一般出现在开挖段的 末端，允许停输时间较不开挖允许停输时问大大缩短。计算结果可为大修划间管道停输再启动运行 提供参考依据。 在大庆油气田地面工程试验基地进行了管道停输及再启动模拟实验，实验在3 0 4 m 长、直径 5 0 r a m 的架空管道上进行。自动采集停输再启动过程的温度、压力等数据。并且用软件对实验管段 的俸输再启动过程进行了模拟计算，对比计算结果与实验数据，误差在允许的范围内，从而验证了 模型的正确性。 关键词：油气储运；停输再启动；有限元法；开挖；在役修复；允许停输时同；热油管道；温度 i i 一一一。 一：奎璧室鎏兰彗堡圭筌耋兰：竺鲨兰 t h e s t u d yo ns h u td o w na n dr e s t a r tu po fr e p a i r e dh o to i lp i p e l i n eo l lw o r k i n g a b s t r a c t s i n c et h ef i r s to i lp i p e l i n e ( f n s h u n d a q i n g p i p e l i n e 、w a 3b u i l t , t h eh o to i lp i p e l i n eo f n o f f h e a s th a s b e e n w o r k e d f o r 3 5 y e a r s ，a n d i t s u s i n g l i f ee x c e e d t h e d e s i g n i n g l i f e i n o r d e r t o a l s u r e o f t h es a f e t y o f n o r t h e a s to i lp i p e l i n ei u a ，n o wt h ep i p e l i n em u s tb eh e a v y r e p a k e db yd i g g i n gt h es o i l f o re n s u r et h e s a f e t yo f r e p a i r i n ga n dr e b u i l d i n g , w es h o u l ds t u d yo nt h ep r o b l e mo f s h u td o w na n dr e s t a r tu pd u r i n go i l p i p e l i n er e p a i r e d t a k i n g i n t oa c c o u n t t h ee x i s t i n go f o p e n i n gs e g m e n t s ，w ee s t a b l i s h t h e m o d e lo f s h u t d o w na n dr e s t a r t u p o f t h er e p a i r i n g o i lp i p e l i n e b a s e d o n t h e f a c to f p i p e l i n e ，w ec o n s i d e rb u f f e ds e g m e n t s ，s t i l t ss e g m e n t s ， c r o s sr i v e xs e 厚n e n t sa n dd i g g i n gs e g m e n t s b e c a u s eo f t h ec o m p l e x i t yo f b o r d e rc o n d i t i o n s ，w ea d o p t m a t h e m a t i c a ls o l u t i o nt os o l v et h em o d e l w eo b t a i nt h ea x i st e m p e r a t u r eb yc o n c e a l e dd i f f e r e n c ea n dg a i n t h er a d i a lt e m p e r a t u r eo f t h eb u r i e ds e g m e n t sb yf i n i t ee l e m e n t sm e t h o d t h e m e s h i n gm e t h o do f t b ea r e a m a k e s t h en o d e s r e d u c e d g r e a t l y a n d c o l n p u t a t i o n a ls p e e d a c c e l e r a t e d w es t u 母o n t h e p r e s s u r e o f r t a r t u p f r o m t w os i d e s ：o n e i s f t i e t i o nr e s i s t a n c e ，t h e o t h e r i sp r e s s u r e w a v ew e d e d u c e t h e m e t h o d t oc a l c u l a t e t h ep r e s s u r e a l o n g t h e p i p e l i n e b y t h e w a t e rp o w e re q u a t i o n ；w e c a l c u l a t e d t h ep r e s s u r e o f s t a t i o ne x i t i n v i e wo f t h ef r i c t i o nr e s i s t a n c ea n dt h ep r e s s u r ew a v e f o rt h er a d i a lt e m p e r a t u r em o d e l o f s o i l 。w ep r o v i d ea m e t h o d t o e s t i m a t e t h e t e m p e r a t u r ea n d d e p t ho f l a y e r o f c o n s t a n ts o i l t e m p e r a t u r e , w e l la s w e e s t a b l i s h t h e m o d e l o f a l l o w a b l es h u t d o w n t i m e , t h e m o d e lo f t h e m o s t d a n g e r o u s p l a c e a n d t h e m o d e ! o f m a x l m u m d i g g i n gl e n g t h 。 t h es o f t w a r e n a m e d “s i m u l a t i o ns o f t w a r e f o r h o t o i l p i p e l i n e d u r i n gs h u t d o w n a n dr e s t a r t ”b d e v e l o p e d w ec a l c u l a t e dt h ea x i st e m p e r a t u r e ，r a d i a l st e m p e r a t u r e ，s t a r i u pp r e s s u r e ，a l l o w a b l es h u td o w n t i m e , t h e m o s t d a n g e r o u s p l a c e o f n o t o p e n i n ga n d o p e n i n go i lp i p e l i n ee t a b y t h es o f t w a r et h er e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e m o s t d a n g e r o u s p l a c e i s a w a y s 时t h e e n d o f o p e n l n g 碰管m 踟捃t h e a l l o w a b l e s h u t d o w n t i m e o f o p e n i n g o i l p i p e l i n e i ss h o r t e r t h a n n o t o p e n i n go i l p i p e l i n e t h er e s u l t s m a ys u p p l yr e f e r e n c e s t o t h eo i lp i p e l i n e d u r i n gs h u t d o w na n dr e s t a r tu pr u n n i n g d u r i n gh e a v yr e p a i r w et a k ea l le x p e r i m e n t a t i o no f s h i nd o w na n dr e s t a r tu po f t h eo i lp i p e l i n ea lt h eb a s eo f d a q i n g o i l - g a sf i e l de n g i n e e r i n g t h ee x p e r i m e n t a t i o np i p e l i n el e n g t hi s3 0 4m e t e r s ，t h ed i a m e t e ri s5 0m i l l i m e t e r s t h e e x p e c i m e n t a l d a y c a i sa b l e t oa h o 稍i l e c c t h e d a 扭o f t h e t e m p e r a t u r e a n dp r e s s n r e d u n n gs h u t d o w n a n dr e s t a f t u pc a l c u l a t e t h e p i p e l i n e b ys o , w a r ea n dc o n t r a s t t h er e s u l t s a n d t e s td a t a , i t w a s f o u n d t h a t t i m e r r o rw i l l si nt h er a n g eo f a l l o w a b l e ，w h i c hp r o v e dt h em o d e lw a sc o r r e c t k e y w o r d s ：o i l - g a s 吼o r cu pa n dc a r r y ；s h o td o w n ；r e a t a r tu p ；f i n i t ec l e m e n tm e t h o d ；o p e n i n g ；r e p a l ro i l w o r k i n g ；a l l o w a b l es h u t d o w n t i m e ；h o t o i lp i p e l i n e ，t e m p e r a t u r e 盯j 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的研究成 果据我所知，除文中巳经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写 过的研究成果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中作了明确说明并 表示谢意 作者签名：鳢日期：2 巫：三：! 多 学位论文使用授权声明 本人完全了解大庆石油学院有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留学位论 文并向国家主管部f 1 或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权搏学位论文用于非 赢利日的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论支在解密后 硼枞定懒名：拂学位论文作者签名： 生研 日期：刎；， 导师张泄 日熟：跏7 专，占 大庆石油学院硕士研究生学位论文 创新点摘要 本文有以下创新点： 1 考虑在役修复期间开挖段的存在，建立了在役修复管道停输再启动热力承力计算数学模型 2 、建立了包括温度约柬和启动压力约束在内的允许停输时问计算数学模型； 3 ，给出了满足再启动压力条件的最大开挖长度的计算公式及其算法； 4 、给出了工程上土壤恒温层边界温度的选择方法，井给出了其深度的计算公式。 引言 0 1 研究的目的和意义 随着我国国民经济的快速发展，对石油的需求不断增长，各大油田为把采出的原油 大量而又便宜地输送到加工地或消费地，相继建成了一系列长距离输油管线。目前，我 国原油长输管道总长度已达1 ，7 万公里，全世界已有油气输送管道2 0 0 多万公里，承担 了9 5 以上的原油输送任务【l l o 我国主要油田( 如大庆、胜利、中原、南海油田等) 生产的多为高含蜡原油【】，含 蜡原油在常温下流动性较差，输送常采用加热输送工艺。在热油管道运行过程中不可避 免地会遇到停输问题。管道停输后，由于管内油温高于周围介质温度，管内原油与周围 介质之间将产生复杂的传热过程。随着管内油温的降低，含蜡原油中的蜡晶将析出，蜡 晶相互交联形成网状结构，使原油结构强度增大。当原油结构强度超过泵所能提供的启 动压力或管路所能承受的压力时，就可能发生凝管事故，造成巨大的经济损失。因此， 为了保证热油管道安全经济运行，有必要深入研究停输后管内原油的温降规律，启动压 力规律。 管道停输再启动研究，国内外的文献中已有论述。然而。目前投有见到关于维修开 挖期间停输再启动的热力、水力计算方面的相关报导。热油管道停输再启动问题涉及原 油低温流变性、非稳态水力和热力耦合过程，问题存在尚未解决的技术难点。已有的停 输再启动研究仍然不够深入，不够系统，还有一些主要的技术环节理论上不清晰。 因此，本课题目的在对输油管道停输及再启动过程进行传热分析、水力压降分析的 基础上，建立管道维修期间输油管道停输再启动非稳态热力、水力计算数学模型，并编 制相应软件。分别对不同尺寸管道、管道不同布置方式的停输再启动过程进行熟力水力 数值模拟计算，分别计算不开挖停输和开挖停输的沿线温度、允许停输时间和启动压力， 将对东北输油管网开挖维修期间停输再启动过程起到一定的指导作用。 o 2 国内外研究现状 热油管道停输再启动问题涉及原油低温流变性、非稳态水力和热力耦合过程。热油 管道停输后的温降规律是停输再启动过程水力分析的前提，国内外对停输再启动的研究 大多是从停输温降研究入手的。埋地含蜡热油管道停输后的温降过程一般可分为两个阶 段。第一阶段，管内油温较快地冷却到略高于管外壁土壤温度，尤其是靠近管壁处的油 温下降很快：第二阶段，管内存油和管外土壤作为一个整体缓慢冷却。 按照传熟方式的不同，停输后管内原油的传热又可分为自然对流传热阶段、自然对 流与热传导共同控制阶段和纯导热阶段嘲。在分析停输温降过程时，王漱芳等【4 ”认为 可以忽略管内原油的自然对流传热，将其中的传热过程看作是在有分散热源情况下的导 热或连续热源导热。这两种处理方法的最大区g 在于，是否考虑停输温降过程中的自然 对流传热。由于原油为高普朗特数流体，稍有温差就会发生自然对流，而管内各部分原 油温度并不一致，因此自然对流是不可避免的。也就是说，考虑自然对流的处理方法更 接近温降过程的本质。 原油停输温降计算关键在于管内第一阶段自然对流的处理和对移动边界的处理。停 输后管内原油各点温度是关于管道垂直轴对称的，且管内壁温度始终低于管内液态原油 的温度，因而形成由管中心向上再沿着管壁向下的自然对流。在停输初始阶段，自然对 流比较强烈，管内各处液态油的温差很小，几乎以相同的速率冷却。随着油温的降低， 自然对流传热强度不断减弱。若管中心油温降到滞流点，管内自然对流完全消失，管内 原油将发生胶凝。滞流点为原油中浮升力与原油结构强度达到某种平衡时的温度，即自 然对流减小到可以忽略的程度时的原油温度。菱田干雄等人【6 l 联立液态原油流动与传热 方程，进行数值求解，得出的含蜡原油液相自然对流降温过程。李才等人7 】在实验室研 究的基础上，回归出含蜡原油降温过程中的自然对流放热准则方程式，区分管内的对流 区和导热区。目前常用的简化处理方法是，引入当量导热系数闱将自然对流传热转化为 导热进行数值计算。 在停输温降的第二阶段，如何处理伴随有蜡晶析出的移动边界传热问题是该阶段温 降计算的关键。为求解移动边界钱问题，孙元【9 1 通过坐标变换的方法，将移动的固液界 面转化成固定的界面，利用有限元方法进行求解。菱田干雄1 6 的研究中得出了固液相界 面移动的计算公式，但未经验证。比较普遍的处理方法是将管内划分为液相区与固相区， 分别列出固相区，液相区和圃液相界面传热方程，进行数值求解1 8 ”1 。孔祥谦l ”】在处 理移动边界问题时，提出了显热容法模型，从理论上讲可用于计算原油的胶凝过程，并 可在计算中考虑蜡晶析出的影响。 早期的研究者对管道停输温降问题采用解析求解的方法，但由于问题的复杂性，解 析求解过程中要作很多简化处理，因而求解结果往往偏离实际。随着计算机技术的发展， 目前数值方法已成为计算管道停输温降的主要手段。 按照管道与土壤之间传熟过程的数学描述方式，输油管道停输温降数学模型主要分 为三种，即线热源模型、等效圆筒模型和半空间模型。线热源模型是早期研究者为了解 析求解而大量简化后所得出的。该模型假定热油管道为处于初始温度为常数的半无限大 均匀介质中的线热源，地表温度为常数，停输过程中管壁温度与热流密度均发生变化， 采用第三类边界条件，利用温度叠加原理，推导出管外壁土壤温度。管道传热的数值计 算主要应用等效圆筒模型或半空间模型，这两个模型都建立在等壁温及对流边界条件的 假设上。等效圆筒模型利用等效圆柱来描述管道周围热影响区域对管道传热的影响，由 于其形状比较规则，有利于数值计算，因而得到了较多的应用。邢晓凯等人【1 4 所使用的 停输温降模型忽略管道轴向温度梯度，将三维不稳定传热过程转化为二维不稳定传热， 采用当量导热系数，将自然对流及相变边界移动问题转变为导热问题进行处理，利用热 影响半径描述管道降温过程中土壤温度场的影响，该模型属于等效圆筒模型。半空间模 型将管道周围的土壤看作是半无限大介质，相比于等效圆筒模型更接近实际。但半空间 2 大庆石油学院硕士研究生学位沦文 模型必须经过复杂的数学运算，转化为较规则的形状，方可进行数值运算。李长俊以管 道和半无限大土壤为研究对象，分析停输后管内油品和土壤的热力参数变化。通过求解 管内油品散热平衡方程与管外导热方程所组成的定解问题，并考虑管外土壤与大气之间 的对流换热，得到了管内油温随时间变化的解析解i “。1 ”。在此基础上，考虑有关物性参 数随时间的变换以及冷却过程中油品的胶凝问题，数值求解管内原油及土壤温度变化规 律”口。“j 。在求解过程中，透过保角变换将半无限大壤区域转化为平面内的有限区域， 整个数学模型转化为一个封闭的非线性方程组，利用牛顿拉夫逊方法，依次求得各时 阃步长上网格节点的温度。同样采用半空间模型，吴国忠等人 ”1 1 1 将大地半无限大区域 简化为有限的矩形区域，并考虑了埋地管道与周围土壤温度场的相互影响，该模型将管 内原油看为集总热容。吴明等人 1 8 j 采用二维非稳态传热方程来计算输油管道周围土壤温 度场。在边界条件中考虑了地表温度的变化及管径等参数的影响，采用混合网格，利用 有限差分进行计算。 停输再启动豹危险情况不一定出现在启动的初始阶段，也可能出现在启动后到稳定 运行的过程中，这从某些热油管道停输再启动故障| 1 9 , 2 0 以及中洛线的运行实践中都有体 现。因为启输后，管段中的冷油完全排出管道需一定时间，而这段冷油在管道流动中将 继续降温。因启输后冷油与管擘的换热方式与停输时不同，由导热和自然对漉变成了强 迫对流，换热强度增大，降温速率比停输时快，管道易出现随着流量下降，摩咀反而增 大的现象，处理不当可导致凝管。 国外学者对停输再启动过程的水力问题研究都是针对首站恒压的水平管道，s e s t a k 和c a w k w e l l 2 1 纠的研究以等温管道为对象。c h e n gc h a n g ( 2 3 1 根据流动形态的不同，将一 个管流的横截面划分为流动区、蠕变区、弹性变形区，据此求解启动过程的流量和压力， 根据计算结果，对管流横截面状态的分析与实际较为吻合，整个分析是以绝热管道为研 究对象的。文献 2 4 2 6 假设当管壁处的剪切应力等于或大于原油的静屈服值，管道就 能够安全启动，这种方法过于简单，所得结果不太可靠。 在国内，刘天佑等田j 对启动过程与非牛顿流体触变性进行了分析，指出惯性力、摩 擦力、触变性附加力是计算启动压力的关键。李才、张晓萍瞄1 将启动过程中的胶凝原油 屈服过程分为初始屈服段、屈服裂降段、残余届服段分别计算。邢晓觊1 2 9 1 分析集输工艺 过程中的目标函数和约束条件下，给出了埋地热油管道间歇输送的数学模型。 陈保东1 3 0 , 3 1 1 等，把埋地输油管道在役修复期间的热力问题看成稳态热力问题，考虑 开挖段的换热系数增大，对站问温降进行计算，但是没有考虑开挖段对停输、再启动期 间沿线温度和启动压力的影响。管道停输再启动领域的研究目前没有见到关于维修开挖 期间停输再启动的热力、水力计算方面的相关报导。热油管道停输再启动问题涉及原油 低温流变性，非稳态水力和热力耦合过程，存在尚未解决的技术难点。已有的停输再启 动研究仍然不够深入，不够系统，还有一些主要的技术环节理论上不清晰。并且所编制 的软件不具有广泛的适用性。 o _ 3 本文的主要工作 本文的主要工作如下： ( 1 ) 考虑在役修复过程的开挖段，建立热油管道停输再启动热力水力数学模型 ( 2 ) 模拟管道停输后的温降过程； 8 ) 不同布置方式下，停输后管内部油品温降计算； ”管道周围径向温度计算； ( 3 ) 模拟再启动油流的沿线温度、沿线压力和出站压力； ( 4 ) 确定允许停输时伺； ( 5 ) 确定最危险截面； ( 6 ) 确定最大开挖长度： ( 7 ) 进行热油管道停输再启动模拟实验； ( 8 ) 编制“热浊管道停输再启动模拟计算软件”。 ，一： 奎垦垂垫兰譬望：呈圣圭兰堡丝圭 1 停输再启动热力水力模型 为分析和求解工程实际问题，本章建立停输再启动热力水力模型，把工程实际问题 简化为数学问题。 l 1 停输过程热力模型 起的 当管道停输时，因油品沿轴向的传热很小，可以忽略不计，并忽略由于高程差； 管道流动。 由于传热的对称性，热油管道周围 径向温度场物理模型如图1 1 所示 ”j 。取某个截面进行研究，其导热为非 稳态。由于对称性，其左边界除管道内 壁接对流边界计算外，其余为绝热边 界；在距离管道中心一定距离处管道的 热影响可以忽略，因此右边界也按绝热 边界处理；模型下边界取大地恒温层， 为第一类边界条件；模型上边界为大地 表面，与大气进行对流换热及辐射换 热，为第三类边界条件。 1 1 1 管道埋地段停输热力计算模型 1 1 1 1 原油的传热方程 停输过程原油传热方程为 图l - l 管道径向温度场物理模型 f i g1 - it h e p h y s i c a lm o d e lo f r a d i a lt 哪】坤m m r ef l e j d a r o u n do i lp i p e l i n e 心军o t = 芈 ( 1 - ) 儿 式( 1 1 ) 等号左侧为控制体内能的变化，右侧为控制体内的油品向外界环境的散热 量。 初始条件： l=(，)(1-2) 式中：p 一原油密度，k g m 3 c 原油比热容，j ( k g ) ： 一 ! 矍塑! ! 星塑圣! ! 垒尘堡呈 l 原油温度，； m 原油与管道内壁问的对流换热轰面传热系数，w ( m 2 k 1 ： 瓦管道内壁温度，： 岛管道内半径，m ； ，( ，) 一停输前原油的沿线温度分布。 1 1 1 2 管壁、保温层，防水层等的传热方程 设管道内半径r 和外半径r 。之间共有层( 管壁、保温层、防护层等) ，其中任 意层h 的内半径为e ( 月= l2 ， ，) ，传热方程为： m 鲁= 昙( 枷等) + 砉刍b 等 m ， 式( 1 - 3 ) 等号左侧为物体单位时间内能的变化，右侧第一项为沿半径方向的热量变 化，第二项为沿切线方向的热量变化。 式中：n 管道第 层材料密度，k g m 3 ： 矗管道第n 层材料热容，“k g ) ； t 管道第n 层材料( 管壁、保温层、防护层等) 温度，； 五曹垣弟h 层材料导热糸数，w ( m k ) 。 边界条件为： k ；+ 。k 等i ，氍吒。t 却n + l ，蓐 以争l 哺= 以乳端 等i 。聪吧( r , - r o ) 式中：“管道最外层材料的导热系数，w t ( m k ) 巧管道最外层温度，； h = 1 , 2 ，“，n 一1 = 1 , 2 ，一，n 一1 ( 1 _ 4 ) ( 1 5 ) ( 1 6 ) ( 1 7 ) 大庆石油学院硕士铲究生学位论文 r 管道外半径，m ； 管道最内层材料的导热系数，w t ( m k ) ； 吼原油向管道内壁的放热系数，w ( m 2k ) i 晶管道内半径，m 。 1 1 1 3 土壤的传热方程 & 鲁= 丢b 等) + 号卜等) & 言2 瓦【以蔷j + 列以苗j 式中：以土壤密度，k g m 3 ； 咯土壤热容，j ( 1 ( g ) ； t 土壤温度，； 以土壤导热系数，w o n k ) 。 边界条件： 以等= 。刎，h o + r n _ y p i d ，则厶。卸，执行步骤7 ； 4 、如果耳7 d 尸i i i l l 肠，则l 。x = l ，执行步骤7 ； 5 、给定开挖起点，开挖长度厶，由n 、乃按照开挖的长度确定开挖后的沿线油温 瓦； 6 、如果p ( 叼硝i 。脑或满足其他终止条件，则。吒。，执行步骤7 ：如果以蚴 尸l i d ，则厶= 厶一d ，执行步骤5 7 、计算结束，存储数据。 其中l 为计算过程中，开挖长度增加或减少的长度，随迭带的进行而逐渐减小 1 6 最小启动输量模型 对于输油管线，般根据管线的热力条件确定管线的启输量。而由启动时熟油的最 高温度( 低于初馏点3 0 ) 和启动时终点的最低温度( 高于凝固点3 c ) ，利用舒霍夫公 大庆石油学院硕p 研究生学位论文 h 瓦t h 一- 矗t o2 罢工+ 器 ( 1 - ，。， 瓦一矗g 女cd p c 、7 即 2 蕊k x d l ( 1 - 3 5 ) 式中：g m 最小启动输量，蚝s ； 死启动时热油的温度，； 疋启动时原油的终点温度，； 瓦管线周围介质温度，埋地管线可取管线埋深处的自然地温，； k 管线传热系数，w k m 2 k ) ； p 油品密度，k “r ； 式( 1 3 5 ) 中所求出的流量g 为满足某一给定条件下的最小启动输量，在实际启动时， 1 7 本章小结 本章建立了停输再启动的热力水力计算模型。分别建立了停输过程的热力模型、启 动过程的热力模型、启动过程的水力计算模型；同时给出了允许停输时间、最危险截面、 最大开挖长度和最小启动输量的计算模型。 数学模型的建立，把工程实际问题简化为数学问题，为分析热油管道的停输再启动 热力水力问题提供了方便。 2 相关参数的确定 为了求解热油管道停输再启动热力水力模型必须准确计算其相关参数，本章介绍 这些参数的计算方法。 2 1 土壤自然温度场 2 1 1 管道埋深处土壤自然温度 根据温波公式i “3 ”，管道埋深处土壤自然温度为： 如= 瓦+ 亿一一瓦谤一j 毫，s ( 等 一。l 隶 f 0 大气温度年波动周期tr 。= 3 1 5 6 x1 0 ”s ； ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) 2 12 恒温层温度及深度的确定 恒温层的温度及深度，是求解径向温度场的边界条件。但是很多地区恒温层的温度 1 4 0 三； 卫二口 r珥l后 一“ 厌石油学院硕上研宄生学位论文 及深度参数未知，通过分析给出工程上的实用算法【“。 2 1 2 1 恒温层温度的确定 工程中，当缺少恒温层温度数据时，常常应用当地年均气温来代替恒温层温度9 w 。 表2 1 列出了国内外4 个城市的当地年均气温和恒温层温度的数值，从表中可以看 出，这种近似在工程中，可以接受。 表2 - 1 年均气温与恒温层温度对比表 t a b - 2 1t h ec o n t r a s tb e i 、v e a n n u a la v e r a g et e m p e r a t u r eo f a t m o s p h ma n dt e m p e r a l u t eo f c o n s t a n t temperature l a y e r 2 1 2 2 恒温层深度的确定 随深度的增加土壤温度振幅逐渐衰减，并且收敛于零。对于任意给定足够小的正数 s ，当达到一定的深度日时，土壤温度振幅小于等于g ，此时可视为恒温层”。即恒 温层深度为 式中：s 土壤恒温层温度振幅，一般取0 5 1 。 2 2 总传热系数的计算 ( 2 - 4 ) 击寺害蓦+ 去 ， 式中：见计算直径，m ，对于保温管道取保温层内外径的平均值，对于无保温埋地 管道可取沥青层外径； d 。管道最外层直径，m ； 口。油流与管内壁间的对流换热表面传热系数，w ( m 2 k ) ； 0 2 管外壁与周嗣介质问的传熟系数，w ( m 2 r k ) ： 五第i 层材料的导热系数，w ( m 。k ) ； 节 d ，口第i 层材料的内外直径，n l ； d 管道内直径，m ： 也结蜡后的管内径，m 。 为计算总传热系数k ，分别计算管内对流换熟表面传热系数a 。、自管壁至管道最外 径的导热热阻和管道外壁或最大外围至周围环境的传热系数a 。 2 2 1 管内对流换热表面传热系数 当管内原油流动时，油流与管壁之间的换热方式为强制对流换热；当油品未停输时， 油流与管壁之间的换热方式为自然对流换热，如果知道原油的流动状态，就可以通过关 联公式计算出管内对流抉热表面传热系数n 。 2 2 1 1 油流流动时管内对流换热表面传热系数唧 在层流状态( r e 1 0 4 ) ，p r 2 5 0 0 时， 铲o o z t 拇哕吲” 弘s ， 在( 2 0 0 0 r e 1 0 4 ) 时，油流放热强度急剧增强，尚无可靠的计算公式，可参照 下式估算： n u ，, = k o p 芦掣阿” 式中系数硒是r e 的函数，由表2 - 2 确定： 表2 - 2 系数与r e 的关系 t a b2 - 2t h er e l a t i o nb e t w e e nka n dr e 1 6 以上各式中r e ：坐，为雷诺数：n u ：掣，为努塞尔数；p r ：兰孚：_ v e p - g r 一 銮耋耋鎏：坚堡耋至圣兰兰堡篁塞 为普朗特数；g r ：尘鱼塑# 盟，为格拉晓夫数。 p 。 式中：v 油的流动速度，m s 。 且油的导熟系数，w ( m k k p 油的运动粘度，l n 2 ，s ： p 油的密度，k g m 3 ； 卢油的体积膨胀系数，1 ，： f 、分别为油流及管内壁的温度，； g 重力加速度，m ，s 2 。 上式中角注“y ”表示各参数取自平均温度，g 表示取自管壁温度。 2 2 1 2 油流停输时对流换热表面传热系数”1 ， = c 妇一p r ) ；号 ( 2 1 0 ) 式中参数按照下表确定 表2 - 3 自然对流换热表面传热系数计算参数表 t a b2 ，3t h ep a r a m e t e ro f n a t u r ec o n v e c t i o no v e r - a l lh e a tt r a n s f e rc c e m e i e n t 2 2 2 各层材料的总热阻 这部分热阻包括钢管、防腐层和保温层的热阻。 铡管的导热系数 g 约为4 5w ( m 酗，其热阻可忽略不计；煤焦油瓷漆防腐层导热 系数1 f 约为i 1w l ( m k ) ，黄夹克保温材料的导热系数h 约为0 0 4 w ( mk 】。 对于壁厚6g 、外包6f 厚煤焦油瓷漆防腐层的非保温热油管道，其热阻计算公式如 下： 等* 考专 弘m 一般来说钢管及防腐层对总传熟系数的影响很小。对于保温管道，保温层的热阻起 决定性作用。故对于壁厚6 。、外包6b 厚保温材料的热油管道，其各层材料的总热阻计 算公式如下： 掣。下ln(dbdh)(2-12)2 。 2 五。丑。 7 2 相关参数的确定 2 2 3 管道外壁或晟大外围至周围环境的换热系数 2 2 3 1 管道埋地段 a 。由f 式求得： 2诵 ( 2 一1 3 ) 如每，3 4 则可化简为 铲碡2 7 , ( 2 - 1 4 ) d - ，1 n 二旦 式中：丑土壤的导热系数，w t ( mk ) ； 管道中心的埋深，m ； 巩管道最大外围直径，m 。 2 2 3 2 管道架空段 。由下式求得： 口。= 口；+ 7 厄 ( 2 - 1 5 ) 式中：口? 无风时热油管道对大气的复合换热表面传热系数，w ( m 2 k ) ；对于热油 管道口；可近似取为：钙0 = 1 1 6 w ( m 2 k ) ： 风速，m s 。 2 2 3 3 管道穿越河流段 d ，由下式求得 口2 = o 2 5 ( 凡d ) r e o 。p 习3 5 【p 咕p 】o 2 5 ( 2 - 1 6 ) 式中：r e o 水的雷诺数，r e o = v d ，v d ： 矿一水的流速，m s h 水的运动粘度，m z s ； p 乙以水温计算的普朗特数，水温按远离管道的水温取值； p r o 以管外壁平均温度计算的普朗特数。 大庆石油学院硕士研甓生学位论文 2 2 3 4 管道越河床段 管道越河床段a 。可以按照式( 2 1 4 ) 进行计算，只是计算参数应该取河床下土壤的参 数。 2 2 3 5 管道开挖段 管道开挖段a ：可以按照式( 2 一1 5 ) 进行计算，计算过程开挖段的j ) l 速可以忽略。 2 3 油品相关参数 2 3 1 油品比热的计算 根据含蜡原油比热容随温度的变化趋势，按析蜡点温度t n 、最大比热容温度t 。 将d r 曲线分为三个区如图2 1 所示，即t t , i 区，t 。“t t 0 区，t r 反常点：= t 2 p 一也7 当油温低于反常点时，原油为假塑性流体，粘度计算公式如下 矿裔= 啦r 引。6 舯 铲k ( 考 ： 式中；t 油品的动力粘度，p a 嘲 ( 2 2 0 ) ( 2 2 z ) ( 2 - 2 2 ) r 2 2 3 ) ( 2 - 2 4 ) 大庆石油学院硕士研究生学位论文 儿油品的表观粘度，p a s 4 、，粘温系数； 口i 、粘温指数； 彭稠度系数，k = c p 叩； m 流变指数， = q + z t + g l t 2 。 2 4 水力摩阻系数的计算 摩阻系数是影响管道流体流动分析的重要参数，可按照产f ( 霞e ，肋进行计算，t 是 管道粗糙度。摩阻系数的计算公式见表2 4 所示。 表2 - 4 摩阻系数计算表 t a b 2 一t h ec a l c u l a t i o nt a b l eo f f f i “i o nt o e 塌c i e n t 雷诺数摩阻系数计算式 r e 2 0 0 0 2 0 0 0 r e 心g ，y ，：x 1 k t 己 ”r = 弦0 ) ) 8 ( 3 - 2 0 ) 对上式求偏导篆，嚣，者 器 ，詈带入式c ，彻中，得 3 模型求解方i 圭 其中 竺a t , = 巧l + c ”口；i 一，2 等一彰c 铲烈警警+ 等等+ 警警 蚴 c ；m p c n ，nj d x d y d z 露= 戳n i 出掣z q ；= i l h n 。n l 本 g ；= i l h n ? d s f 3 2 d ( 3 - 2 2 ) 菇和矿是边界c 上的积分，只有当节点f ，都位于边界a c 上才不为零。把式( 3 - 2 1 ) 代入式( 3 - l g ) 中，得到 岸】 r + 【c 于 + q 】 r ) 一 ，) ：孚一 g e ，：0 ( 3 - 2 3 ) 式中：k 】、【c 、 q 1 为总刚度矩阵； 扩j 、台卜一和边界条件有关的列向量。 令【】：【k 】+ 【q 】，p ： ) 譬一 g 砭贝 ， h 】 n + 【c 】( r 卜 p = 0( 3 - 2 4 ) 对于每个单元形，单元系数矩阵k 。j 、p 。j 、妇j 、扩小k 。 具有相同的形式。 可以通过对式( 3 - 2 2 ) 积分求得。 下面给出平面三角形单元的一种单元系数矩阵。平面内的任意一点温度可以表示为 t = n 。i 十l + 。乙 ( 3 2 5 ) 该平面三角形单元的形函数为 n ? = 毛b + b c 。如 n i = 长。+ b i x + c j y l ( 3 - 2 6 ) 虬= 击( 口，舢，x + c m y ) 奎室至塑兰坠望兰至鎏兰茎堡鎏耋 ke 】；三 。 。4 a b ；+ c j b i b , + c c i 对 b ；+ c ； 称 】= 等 2 1