（油气储运工程专业论文）埋地热油管道停输再启动计算方法研究.pdf

墨塞至塑兰塞璺主竺塞竺兰垒笙奎 t h ec o m p u t a t i o n a lm e t h o dr e s e a r c ho ns h u t d o w na n dr e s t a r t - u po fb u r i e dh o t o i l p i p e l i n e a b s t r a c t d u r i n gt h eo p e r a t i o np r o c e s so fb u r i e dh o t - o i lp i p e l i n e , i ti si n e v i t a b i l i t yt h a th o t - o i lp i p e l i n eb ei n s h u t d o w ns o m e t i m e s u c ha sn a t u r a ld i s a s t e r s ，p o w e r - o 越p i p e l i n e sr e p a i ra n dm a i n t e n a n c ea n ds o0 1 1 a r e rs o m a i m ew h e nt h ep i p e l i n ei ss h u t d o w n t h es l r u c t o n es t r e n g t ho fc r u d eo i jw i l lb el a r g e rt h a nt i l e p u m p ss t a r t - u pp r e s s u r eo ri t s e l fw h i c hc a n te n d u r a n c et h ep r e s s u r e ，a tt i l i st i m e ，s o l i d i f i c a t i o i lp i p e l i n e a c c i d e n ti so c c u r r e d r i s i n go u t - s t a t i o no i lt e m p e r a t u r ec a l ld e c r e a s et h er i s ko fs o l i d i f i c a t i o np i p e l i n e a c c i d e n t , b u tt h et r a n s p o r t a t i o nc o s to fe o r p o m t i e nw i nb ei n c r e , a s e dl a r g e l y h o wc a ni n s u t h eh o t - o i l p i p e l i n et h a tk e e p se c o n o m i c a l l ya n ds a f e l yd u r i n gt h eo p e r a t i o np r o c e s s ，i ti sn e e dt oh a sag o o dm a s t e ro f t h et e m p e r a t u r ed r o pc h a n g e0 1 1t h es h u t - d o w np i p e l i n ea n dt h et e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r sc 1 1 a n g eo ns h e p r o c e s so fr e s t a r t u p 1 1 1 e f o l l o w i n g a s p e c t sa l e m a i n l yd i s c u s s e d i n t h i sp a p e r w a x d e p o s i to f c m d e o i l ，t h ee f f e c to ff r i c t i e n , t h ee f f e c to ft e m p e r a t u 口 ec h a n g eo nt h ep h y s i c a lp r o p e r t i e so fo i l a r ca l s o c o n s i d e r e d a n dt h e r m o d y n a m i c h y d r a u l i c sa r ec o u s l r u c t e df o rt h eb u d e dh o t - o i lp i p e l i n ed u r i n gs t e a d y o p e r a t i n gc o n d i t i o n 1 1 忙t e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r eo ft h ep i p e l i n e sa r b i t r a r yc r o s ss e c t i o n 咖b es o l v e d ； b a s e do i lt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e r m a l & h y d r a u l i ec o u p l i n go fc r u d eo i li nt h ep i p e l m c , a ni n t e g r a t e d d o u b l e - c o u p l i n gm a t h e m a t i em o d e iw a sp r e s e n t e dw h i c hw a sa d o p t e dt os o l v et h et h e r m o d y n a m i ca n d h y d r a u l i c sp a r a m e t e r so f c r u d eo n 鲫i ee 嗍留e q u a t i o nw a se x p r e s s e db ya f o r mo f e n t h a l p yt or e f l e c t t h et e m p e r a t u r ec h a n g eo fc r u d eo i lw h i c hd u r i n gt h ep r o c e s so fh o t - o i lp i p e l i n eb es h u t d o w n a n dt h e a p p m a c ht oc a l c u l a t et h ee n t h a l p ye q u a t i o nb yf i n i t ee l e m e n tm e t h o dw a s g i v e na n dt h em a xs a f es h u t d o w n t i m ew a sc a l c u l a t e d ；1 1 l ec o n t r o le q u a t i o no f c r u d eo i li 1 1t h eb u r i e dh o t - o i lp i p e l i n ed u r i n gt h ep r o c e s so f r e s t a r t - u pa f t e rs h u t d o w nw a se s t a b l i s h e d c o n t r o l - v o l u m em e t h o d sa r ca p p l i e dt od i s c r e t e t h ep a r t i a l d i f i e r e n t i a le q u a t i o n s a n t i c i p a t i o n r e v i s em e t h o dw a sa d o 呻e dt oe x p r e s st h er e l a t i o no fo i lt e m p e r a t u r e a n do u t f l o wa l o n gt h ep i p e l i n eb e t w e e l - ir e s t a r t - u pt i m e s a st h eo i n g t i eo i lp i p e l i n ef o ra ni n s t a n c e ，a c o m p m e rp r o g r a mh a sb e e np r o g r a m m e dw h i c hc a ns i m u l a t ea n da n a l y z et h ee a c hs t a t i o n st h em i n i m u m o u t - s t a t i o no i lt e m p e r a t u r e , i n - s t a t i o no i lt e m p e r a t u r e 。o u t - s t a t i o np r e s s u r e ，t h em a xs a f e5 b u t d o w nt i m e , a n dt h ep u m pp r e s s u r e , f l u i dv o l u m e 。t h er e l a t i o no f o i lt e m p e r a t u r ea l o n gt h ep i p e l i n eb e t w e g l lr e s t a r t - u p t i m ei ne a c hs e a s o no f t h ew h o l ey e a r k e y w o r d s ：h o t - o i lp i p e l i n e ；s o l i d i f i c a t i o np i p e l i n ea c c i d e n t ；s a f es h u t d o w nt i m e ；m o d e l ；s h u t d o w na n d r e s t a r t - u p ；d o u b l e - c h a r a c t e r i s t i cm e t h o d ；c o n t r o l - v o l u m em e l l l o d i l l 大庆石油学院硕士研究生学位论文 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，除文中已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：囱嵫日期：埋! ：生 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门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版有权将学位论文用 于非赢利目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客 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文 在解密后适用本规定 学位论文作者签名： 日期： 导师签名： i e i 期： 创新点摘要 创新点摘要 l 、考虑了原油结蜡、摩擦生热、原油物性参数随温度变化等因素，建立了埋地热油管 道稳态工况下的热力、水力方程，并采用g a u s s l e g e n d r e 积分法与辛普森交步长积分 法进行求解，该方法能精确地求解管道内任意截面处原油的温度和压强等工艺参数。 2 、用c + + b m l d e r 语言编制了埋地热油管道运行分析计算机程序，该程序能模拟分析输 油管道各站在各个季节中安全运行的最低出站、进站油温，出站压力等工艺参数、最大 安全停输时间和再启动过程中所需提供的泵站压力、排量以及管道沿程油温随启输时间 的变化关系。 i v 大庆石油学院硕士研究生学位论文 文献综述 由于热油管道停输再启动问题同时涉及原油低温流变性、非稳态水力和热力耦合过 程，问题的求解十分复杂；在数学模型的建立和求解过程中都或多或少地进行了简化处 理；另外对热历史与剪切历史对原油流变性的影响目前尚无法进行定量描述，这些问题 使得计算结果与实际有较大误差。多年来，针对高含蜡易凝埋地热油管道的停输再启动 问题，国内外学者进行了不懈的研究。国内外学者对停输再启动的研究大多是从停输温 降研究入手的，并提出了大量有价值的求解方法。但前人所建立的数学模型都具有一个 共同的特点：以管道和半无限大土壤为研究对象，或进行坐标变换，或采用解析法或数 值求解法来分析管道停输后原油和周围土壤热力工况的变化。虽然这种途径能够实现描 述输油管道非稳态热力过程中半无限大土壤温度场的变化规律，但其解析解繁杂，或者 在数值求解时离散难度大，需要投入大量的精力去研究。现将该课题的国内外研究现状 按管道停输前阶段、停输阶段、再启动阶段三个部分进行综述。 1 、输油管道停输前热力水力研究现状 在假定热流恒定的前提下，b h 。q e p h m a m 将管线热损失等效看作沿管线上布以 虚构热源系统，依据源汇法和温度叠加原理，在第一类边界条件下得出理论计算公式， 该表达式不是连续函到l 】；古宾于1 9 7 8 年，在假定管壁温度保持不变的条件下，通过 地下管路热损失数值模拟结果的无因次变量的近似算法而获得了近似的理论解 2 1 ，描述 了在所有参数变化范围内的加热过程；邢晓凯、张国忠等，在考虑管道周围温度场呈周 期性变化条件下，用有限元法确定了埋地热油管道正常运行温度场 3 1 。李长俊等人综合 运用数学分析法( 保角变换、拉普拉斯变换等) 对管道内介质和周围半无穷大土壤的不 稳定传热问题进行了分析，得出输油管道土壤温度场的计算公式，同时给出了管道介质 温度的理论解析公式，该公式基本能满足工程计算要求。李双林将管道系统的温度状 况转变成受人工干扰的内部热传导，假设长输管道系统的传热过程主要发生在管道径 向，沿管道各截面上管道系统的温度分布相同，使用差分方法建立起管道热力系统的温 度场模型，并进行了定性、定量的数值模拟1 5 】；吴明、江国业、安丙威等根据埋地热油 管道的传热特征，采用二维非稳定传热方程来描述输油管道的传热过程，在边界条件中 充分考虑地面温度变化及管径参数等影响，建立了土壤温度场的计算模型，运用有限差 分法进行模拟计算，为管道停输再启动研究提供了依据1 6 1 ；崔慧通过对因输量、加热温 度等因素引起的埋地热油管道非稳态运行过程的研究，提出了以管外壁与土壤交界处的 热流量作为耦合参数的数学模型，并给出了热流量的简单有效的处理方法。以大量的算 例为基础，对实际运行数据和计算结果进行了对比分析，验证了该模型的合理性1 9 j 。 文献综述 目前常见的管流水力摩阻计算大多用达西韦斯巴赫( d a r c y - w e i s b a c h ) 公式，摩阻因 数五与管流的流态、流区有关。蒲家宁，蒋仕章在成品油管输水力计算中，将成品油管 流摩阻因数计算公式分为适用于设计计算和适用于工况分析两类，提出立足于应用计算 机，在整个紊流区用科尔布鲁克混合摩擦管公式计算的思想，并用它构建单油品输送和 多油品顺序输送新型压能平衡方程，以提高计算精度和避免分区计算【1 0 】。热油管道的 水力计算是以热力计算为基础的，由于油流的物性参数均为温度的函数，热油管道的工 艺计算大多采用平均油温法，所计算的工艺参数与实际有较大偏差。w h e e l e rj a 和 h a h nh b a u 应用有限元、有限差分法，对埋地热油管道的热量传递、散热损失及温度 状况进行了理论研裂”；侯连荣、李津等在考虑了摩擦生热对油流轴f 龟温降的影响后， 根据分段计算方法获得了长距离加热输送管道的水力和热力计算方法，编制了计算机程 序州。王岳考虑了油温对油流物性参数的应用数值积分方法对输油管道的热力及水力进 行计算，提高了热油管道工艺计算的精度，对于优化热油管道的运行管理提供一个有力 的依据1 。崔慧、吴长春等人在进行热油管道工艺计算和运行工况分析时，在充分考 虑管内油流热力、水力耦合以及管内油流与管外介质耦合的基础上，提出了一个比较完 整的非稳态工况传热与流动双层耦合模型，采用双特征线法求解管内油流参数，用有限 单元法求解管外土壤温度场，并编制了相应的计算程序【1 2 】。 2 、热油管道停输后热力水力研究现状 国内外学者将原油停输温降过程看作是一个非稳态导热问题，所建立的数学模型基 本类似。在对求解区域进行不同程度的简化和变形的基础上，采用有限元或有限差分的 方法对停输温降进行数值计算。早期的研究者通常把地下热油管道看成是在初始温度为 一定值的半无限大均匀介质中的线热源，并认为地面温度不随时间变化，从而利用源汇 法对管道的散热进行解析求解。由于解析求解需对问题做一定的简化，故所获得结果有 一定偏差。 李长俊、李丙文推导出了埋地管道停输温降的解析解，但由于对管内原油及周围环 境进行了较多的简化假设，求解结果偏离了实际【1 3 1 。吴明、杨惠达等根据热油管道停 输后油品和管道周围土壤热力变化工况，提出了土壤温度场传热定解问题，并运用数学 方法( 保角变换、拉普拉斯变换) 对其进行求解，得出土壤温度的解析式【1 4 1 ；随着计 算机的发展，各种数值计算方法日趋完善，目前对于土壤的导热问题多采用数值解法， 通过控制网格划分，可获得较高精度的解，因而数值法要优于解析法。在处理埋地管道 的传热时，根据对半无限大土壤介质区域所作的不同处理，可分为等效圆筒模型法和半 空间模型法d s 。所谓等效圆筒模型法就是把半无限大土壤处理为一包裹管道的当量环 状的保温层，这样土壤与管道就转化为一个等效圆筒。因其形状规则，便于数值求解， 故被广泛采用。由于在求解非稳态传热时，对当量保温层的厚度做出界定较为困难，所 2 大庆石油学院硕士研究生学位论文 以该方法更适于稳态导热问题。半空间模型法就是通过双极坐标保角变换，将半无限大 土壤空间转化为矩形或环形区域，从而既方便了求解，又克服了双极坐标保角变换的缺 点。吴国忠等人对输油管道的传热边界加以简化，认为输油管道的热力影响区域为半有 限大的矩形区域。以相似理论为基础，建立了沙箱实验装置。采用恒温水浴及空调系统 来模拟恒温层及对流换热边界，其结果与计算软件结果吻合较好【1 6 1 。刘晓燕、庞丽萍 等确定了庆哈输油管道停输后的最危险截面，并建立了管道停输时的非稳态传热物理模 型和数学模型，得出了管道停输后管内原油温度随时间的变化规律及庆哈输油管道的允 许停输时间旧；许康、张劲军根据含蜡原油降温过程中蜡结晶放热的特点，使用焓法 方程对析蜡点以下伴随有析蜡胶凝现象的原油降温过程进行了数学描述，并详细给出了 使用有限元法对焓法方程进行求解的方法i l 硼。 埋地含蜡原油管道停输后的温降过程一般可分为两个阶段 1 9 1 。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。按照传热方式的不同，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熟阶段【2 0 j 。 含蜡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处理。 停输后管内含蜡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。菱田干雄等人联立液态原油 流动与传热方程，进行数值求解，得出了含蜡原油液相自然对流降温过程【2 l j 。李才等 人在试验室研究的基础上，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阱】。目前常用的简化处理方法是，引入当量导热系数将自然 对流传热转化为导热进行数值计算田j 。 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。为求解移动边界传问题，孙元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【2 4 】。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、液相区和固液相界面传热方程，进行数值求解瞄j 。 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 e a k 和 c a w k w e l l 的研究螂刀以等温管道为对象。c h e n gc b 觚g 脚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。 3 文献综述 3 、热油管道停输后再启动研究现状 埋地管道启输过程是三维非稳定传热问题，启输过程中管道周围土壤温度场的变化 受管内介质温度和启输前地表温度年波幅的影响，将模型作适当简化后，通常将传热微 分方程和边值条件线性组合成两个定解问题进行求解。t h o r n t n d e 分别对裸管和保 温管道进行了稳态、非稳态热工状况分析，并对再启动过程给出了解析解咧；安家荣 建立了胶凝原油管线再启动的数学模型，并提出了再启动的简单方法，利用该方法可以 预测原油管线停输后，启动和清除凝油所需的时间吲；张国忠、安家荣考虑管道流体 的弹性变形和管内液体的降温收缩后，从质量守恒的原则出发，推导了热油管道停输后 启动压力波速的计算公式并且对长距离热油管道进行现场试验后，表明该计算公式可用 于实际工程计算 3 1 1 ；王濑芳、曹金水指出利用降凝剂可以为输送含蜡原油的管道系统 提供再启动保护，这是由于它能防止原油凝固，使原油迅速重新流动，不超过预测的再 启动压力口2 i ；赵雷亮采用修正后的苏霍夫公式，经假设后，简化计算得到了管线停输 后的温降，进而计算出了间歇输管线的启输量口3 1 ；蒋永兴考虑了胶凝原油的触变性和 震凝性及其可压缩性后，建立了个用来预测正常或事故停输后再启动和清洗胶凝原油 管线所需要时间的精确模型，并用偏微分方程组的有限差分来近似方程组的解刚；李 才、张晓萍等认为胶凝原油管道中的压力传递速度是建立启动凝油管道计算模型的重要 参数。并在室内环道上进行实验研究，指出影响压力传递速度的关键因素是压缩胶凝原 油的可压缩性p 5 】；李才、张晓萍等在室内环道上进行了胶凝原油再启动过程的试验后， 证实管内凝油屈服过程存在三个阶段，并以动态的热力分析与动力分析相结合的方法， 建立了热油管道停输后再启动压力的数学模型【3 6 1 ；李长俊、骆建武等在综合考虑预热 介质、管道、管道覆盖层以及半无穷大土壤的情况后，建立了埋地热油管道启输传热的 数学模型，该模型把土壤物性参数视为随温度变化的函数，并应用保角变换将半无穷大 土壤区域变换成为有限矩形区域，由k e l l e r 盒式积分法构造出了问题的差分格式，采 用广义阻尼拉夫逊法求解非线性差分方程组，得到了问题的数值解p 刀：李春芳、 李才等探讨了利用模型管道测取的数据回归胶凝原油流变参数，并用之计算管道最小启 动压力和启动时间的方法呷l ；李长俊、曾自强等根据半无穷大土壤不稳定传热模型， 推导出了土壤温度场随管内介质和气候条件变化的解析解，并同时考虑管内介质和土壤 传热，进一步讨论了热油管道在停输、启输和输送过程中的温度计算问题口9 】；张国忠、 高探贵等对东黄复线停输再启动进行了理论研究及工业现场试验，建立数学模型，使用 有限元法计算了东黄复线不同季节、不同输油温度、不同输油工况条件下的停输降温过 程及再启动过程i 帅】：张树文、安家荣、张国忠等在对彩石输油管道原油流变性研究和 停输再启动过程计算机数值模拟的基础上，进行了彩石输油管道停输再启动过程试验研 究，提出了对彩石输油管道安全运行管理的几点建议【4 l 】；安家荣、史秀敏、张国忠等 在建立了管道停输与再启动过程数学模型的基础上，采用数值方法和混合语言编程技 4 大庆石油学院硕士研究生学位论文 术，开发了热油管道停输与再启动过程模拟计算软件，解决了热油管道停输与再启动过 程预测的技术难题 4 2 1 ；张丙航等用实验室内管流实验装置测试了原油的黏温变化曲线， 测试了针对大庆地区的原油的流变特性和实际的温度场情况，以及不同的停输温度、停 输时间及环境温度对停输再启动的影响情况1 4 3 。吴海浩根据海底稠油管道停输再启动 的特点，以及影响再启动过程的主要因素，介绍了一种针对海底稠油管道而研制的预测 再启动过程的计算软件，分析了准确预测再启动过程中存在的难点，并提出了部分建议 即】。王东针对中洛输油管道运行过程中不可避免地会遇到停输再启动的问题，在管流 分析与启动压力计算的基础上，提出了若干理论与计算方法，建立了管道再启动水力模 型，同时对中洛输油管道不同月份停输再启动压力计算结果进行了分析1 4 5 j 。蒋新国对 最近几年停输再启动过程研究做了系统的总结，通过分析比较提出埋地管线停输过程中 的水力、热力以及启动过程中的启动压力、安全停输时间的计算方法，同时还提出了在 停输再启动的计算过程中所要考虑的几点因素1 4 6 1 。 5 引言 引言 在原油生产加工和储运中，长距离输油管道是能源开发与利用过程的主要设施之 一，管道输送发挥越来越重要的作用，已成为世界各国的重要经济命脉。我国所产原油 8 0 以上为含蜡原油，输送含蜡原油常采用加热方法来改善原油的流动性。在加热输送 的原油管道在运行过程中，不可避免地会发生自然灾害、油田停电和管线维修等情况， 造成停输。为避免“凝管”事故发生，需要准确知道埋地管道在受外界非稳态环境影响 时，其在不同停输时期时管内介质的温降情况，原油管道发生“凝管”事故的直接原因 在水力方面，但根本原因却是由于管道停输后原油产生了过大的温降。对于各种埋地输 油管道，降低输油温度是一项有效的节能降耗措施，但由于外界非稳态环境的影响，不 能准确地确定管道在不同地域条件、不同时期的温度场变化情况，只能依赖经验确定输 油温度，是造成目前输油温度普遍偏高的主要原因。 降低输油温度必然减少了管道安全停输时间，同时也加大了再启动过程顺利启动的 难度，增大了发生“凝管”事故的风险。如何解决好节能降耗与安全运行之间的矛盾 呢? 这是亟待广大科研工作者和管理者共同探讨的课题。埋地热油管道停输再启动计算 方法这一课题的研究是解决这一矛盾的依据，这一课题的研究成果不仅可为输油企业制 定合理的输油方案提供技术支持，同时有利于实现石油企业的可持续发展。 本论文主要进行四个方面研究： ( 1 ) 对埋地热油管道稳态工况进行热力水力分析，确定出管道运行的工艺参数，为 非稳态热力水力计算的提供初始条件。 ( 2 ) 对埋地热油管道非稳态工况进行热力水力分析，考虑不同地区土壤温度的年周 期性变化和时间延迟的影响，计算管道沿线的土壤温度及油品的沿线温度和压力，确定 出管道运行的工艺参数。 ( 3 ) 埋地热油管道安全停输时间计算。 ( 4 ) 针对埋地热油管线再启动问题，建立埋地热油管道停输再启动热力水力模型， 求解在启输过程中管内油温及流量、压力变化规律。 6 大庆石油学院硕士研究生学位论文 第一章埋地热油管道稳态工况热力水力计算 为了保障输油管道安全、可靠、高效、经济运行，对埋地热油管道稳态工况进行 热力水力分析。是编制输油管道最优稳态运行方案的前提条件，同时是非稳态工况热 力水力计算的基础。埋地热油管道在正常工况运行过程中，当管内运行方案不变时， 在同一季节中，夕 界大气日平均温度在相对长的时间内变化很小，其变化对管道运行 的影响很小，可将这种对管道的运行影响很小的情况看为稳态工况。 1 1 管道总传热系数 管道总传热系数是热油管道设计和运行管理中的重要参数。在热油管道稳态运行 方案的工艺计算中，温降和压降的计算至关重要，而管道总传熟系数是影响温降计算 的关键因素，同时它也通过温降影响压降的计算结果。 1 1 1 利用管道周围埋设介质热物性计算k 值 管道总传热系数k 指油流与周围介质温差为1 时，单位时间内通过管道单位传 热表面所传递的热量，它表示油流至周围介质散热的强弱。当考虑结蜡层的热阻对管 道散热的影响时，根据热量平衡方程可得如下计算表达式： 皿=去古掣刮m - ， 嵋见战二一2 丑2 五见l 式中：蜀总传热系数，w c m 2 ) ； 见计算直径，m ； ( 对于保温管路取保温层内外径的平均值，对于无保温 埋地管路可取沥青层外径) ； e 管道内直径，m ； 仇管道最外层直径，m ； 喁油流与管内壁放热系数，w ( m 2 ) ： 口，管外壁与周围介质的放热系数，w i c m 2 ) ； z 第f 层相应的导热系数，w ( m ) ： d f ，d ，+ l 管道第f 层的内外直径，i n ，其中i = 1 ，2 ，3 m ； 7 第一章埋地热油管道稳态工况热力水力计算 眈结蜡后的管内径，n l 。 为计算总传热系数k ，需分别计算内部放热系数、自管壁至管道最外径的导热 热阻、管道外壁或最大外围至周围环境的放热系数口：。 ( 1 ) 内部放热系数的确定 放热强度决定于原油的物理性质及流动状态，可用口。与放热准数虬、自然对流 准数g ，和流体物理性质准数p 间的数学关系式来表示m 1 。 在层流状态( r e 2 0 0 0 ) ，当g r p r 1 0 4 ) ，p r 2 5 0 0 时： 铲o o z 妙矽( 玎 m t ， 在过渡区( 2 0 0 0 r e 1 0 4 ) 铲等掣3 ( 嗡 ( 1 - s ) 式中：| 放热准数，无因次； p r ：! 粤流体物理性质准数，无因次； g r ：! ! 丝蛀二生! 自然对流准数，无因次： r e ：堕：盟雷诺数； p 删p k o = f ( r er ) 系数。 d 管道内径，m ； g 重力加速度，g = 9 8 i r a s 2 ： u 定性温度下的流体运动粘度，m 2 s ： c 定性温度下的流体比热容，j ( k g k ) ； 吼流体体积流量，m 3 s ； p 定性温度下的流体密度，k g m 3 ； 定性温度下的流体体积膨胀系数，可查得，亦可按下式计算： 大庆石油学院硕士研究生学位论文 户2 万面焉磊f 1 忑雨( 1 - 6 ) a ，定性温度下的流体导热系数，原油的导热系数a r 约在0 1 o 1 6w ( m k ) 间，随温度变化的关系可用下式表示： 2 ，= o 1 3 7 ( 1 0 5 4 x 1 0 4 r ，) p ( 1 7 ) p 扩1 5 时的原油密度，k g m 3 f ，油( 液) 的平均温度，； “管内壁平均温度，； d p 2 0 时原油的相对密度。 注：上面各式中，参数角标f 表示以管内油( 液) 的平均温度f ，为定性温度；角标 b 表示以管壁温度为定性温度。 ( 2 ) 各处管壁导热的热阻 这部分热阻包括钢管、防腐层和保温层的热阻。钢管的导热系数a ，约为4 5 w ( m ) ，其热阻可忽略不计；煤焦油瓷漆防腐层导热系数a ，约为1 1w ( m ) ， 黄夹克保温材料的导热系数九约为0 0 4w ( m ) 。 对于壁厚占。、外包艿，厚煤焦油瓷漆防腐层的非保温热油管道，钢管及防腐层对 总传热系数的影响很小。如忽略内外径的差值，则总传热系数可近似按下式计算： 肛矗j n 书 一+ ) j + 一 q 二一丑 舯鲁* 笔o z 对于保温管道，保温层的热阻起决定影响。故对于壁厚以、外包以厚保温材料的 保温热油管道： y坐!生型mr(d+28b+289)(d+289)( 1 9 ) “ 2 x ,2 五 ( 3 ) 外部放热系数口，的确定 在原油长输管道内，液体的流动状态绝大部分是紊流状态，出现层流状态极少。 因此，在热力计算中，确定k 值将主要使用公式( 1 1 ) 。在公式( 1 1 ) 中关键的参数是 与管道周围许多因索有关的，下面按原油长输管道可能采用的几种敷设方式介绍确 定口，的方法。 埋地敷设管道 当管道的埋设深度( 管中心至地表面) 小于2 m 时，采用下面的公式计算： 9 第一章埋地热油管道稳态工况热力水力计算 口，：；兰曼；(卜10)-$-i 2 习碉 u b j ：兰盘 ( 卜1 1 ) 九 c = 红一( 见2 ) 2 ( 卜1 2 ) 铲h 2 以h o - + c 2 叫 m 式中：乃土壤的导热系数，w ( m ) ； n 与土壤接触的管道外直径，m ； 口。土壤至地表空气间的放热系数，w ( m 2 ) ； 管道埋深( 管中心至地表面) ，m 。 该放热系数包括对流放热系数口。和辐射放热系数口。两部分。口。和口。分别用 下式确定： 口。= 1 1 6 + 7 0 x 矿o ( 卜1 4 ) = 鲁r c 警。一譬门 m ，5 ， 式中：瓦地表面的平均风速，m s ； 占土壤表面折算黑度； c 。辐射系数，可取5 7w ( m 2 h 4 ) ： f 。土壤表面温度，取当地一年中月平均的最低地面温度， 1 2 ； r 。空气温度，取当地一年中月平均的最低空气温度，。 当管道理设深度大于2 m 时，可采用下面的公式计算口，： 口2 = 2 乃 ( 1 一1 6 ) 式中符号的意义同前。 从上述的公式中可以看出，确定出土壤导热系数是计算埋地管道口，的关键。土壤 的导热系数与组成土壤固体物质的导热系数、土壤中固体物质颗粒大小的分布、土壤 含水率、土壤状态等许多因素有关。用理论计算很难得到准确值，因此推荐采用理论 计算与参考类似管道实测值相结合的方法。 对于架空管线，盯，由下式求得 1 0 口：= 口；+ 7 i ： ( 1 1 7 ) 大庆石油学院硕士研究生学位论文 式中：o 无风时热油管道对大气的外部放热系数，w ( m 2 - ) ；对于热油管路o 可 近似取为：0 2 0 = 1 1 6 w ( m 2 ) ： 风速，m s 。 对于河流管线，口，由下式求得 口2 = o 2 5 ( 凡见) r e ：6p 培3 8 p r o p k l o ( 1 - 1 8 ) 式中： r e o 水的雷诺数，r e o = 饿v o ； v o 水的运动粘度，m 2 s ； p r 以水温计算的普朗特数，( 水温按远离管道的水温取值) ； p r 0 以管外壁平均温度计算的普朗特数。 ( 4 ) 结蜡层厚度计算 在计入原油蜡结晶析出的潜热后，长为d x 的微元管道上，热油管道的热量平衡关 系式( 卜1 ) 可简化为h 即： 陋= 6 0 + 讪( ) - l ( 1 - 1 9 ) 鼎 6 0 ：币i + y 塑2 ；q + 瓦i m 2 。， 其中： 6 02 币+ y i + 瓦 1 2 。 6 l = 击 ( 1 - 2 1 ) 如取温降为l 时，从单位质量的原油中析出并沉积到管表面的凝油质量为鲁， 则在d r 时间内在轴向温降为d t 的d x 段上沉积的量为： 蛾= g ( 鲁 删r 因而使内径缩小了j ( 见) ，则： 崛吣 d ( ) k ) 出 将式( 1 - 2 3 ) 代入式( 1 - 2 2 ) 得： ( 1 - 2 2 ) ( 1 - 2 3 ) 第一章埋地热油管道稳态工况熟力水力计算 焉监塑拈堕a ，( 见)? 一“i2 一- z p ( r ) o td x 2 。“ 刀 d r 将式( 1 - 2 5 ) 代入式( 1 - 2 4 ) 得： 见h h ( ) 也) _ _ 南鲁 积分后可得： 譬卜+ 汕彘一纠一譬卜+ 仙每一皂 2 p ( r ) 鲤! 二五 卯印h ( 鲁) f ( 1 - 2 4 ) ( 1 - 2 5 ) d r( 1 2 6 ) ( 1 - 2 7 ) 对于距泵站出口工米处的管路而言，其清管后的运行时间f 可由下式计算： l x 弘吒o + 百一 黼k 老z 业嗟鲤删屯= 扣二蚴。 联解式( 卜2 4 ) 与式( 卜2 7 ) ，可求出线路上热泵站出口x n l 处，经清管后运行f 小时的结蜡层内径见，从而求解出结蜡厚度。 式中：，自分别为油温的函数，其规律可通过试验求得； 砬结蜡后的管道内径，m ； 五结蜡层的导热系数。w ( m ) ； 从下一站收到清管器开始计算的时间，s t q ，运行r 小时后的结蜡层内径，m ； 皖，运行f 小时后的结蜡厚度，m ； 工为站间距离，m ： 1 2 大庆石油学院硕士研究生学位论文 v 管内流速，m s ； 七蜡的结晶潜热，k j k g 。 l1 2 总传热系数的反算法 热油管道稳态运行时，根据各已知的运行参数，利用苏霍夫公式反算出埋地管道 总传热系数，根据油气集输设计规范的规定，当管道长度l 3 0 1 0 n 且管径d 3 0 0 m i l l 时，输油管道的热力计算应考虑管道水力摩擦生热的影响，即按列宾宗公式进行热力 计算： i n 互二五二! ：k x d - , l( 1 2 8 ) 正一瓦一b g c b ：! ：笠( 卜2 9 ) k 嘲) e 式中：瓦管外环境温度，( 取管道中心埋深处地温) ； 7 = 管道起点油温，； 正终点油品温度，； 工管道长度。m ； 仇管道外径，m ； k 管道至周围介质的总传热系数，w ( m 2 ) ； e 热功当量，e = 1 0 2 ( k g m ) k j ： g 原油质量流量。k g h ； c 原油比热容，l c j 俅g ) ； b 由于油流在管道内摩擦功转化为热量； 管道水力坡降值，m m 。 为了更好地反映热油管道在一段时间内的实际传热状况，可采用最小二乘法来推 算总传热系数足。设在某一运行期内，某站间管段的疗组运行参数记录值为g 。，g ， g ；，j _ 1 玎，根据最小二乘法原理可构造一个关于变量k 的无约束优化问题。因 为最小二乘法能充分利用管道的实际运行参数，在一定程度上可以消除各种随机因素 的影响，反算出的x 值比较真实可靠。采用最小二乘法拟合k 值的基本原理是：求 得一个合适的k 值，使得按此k 值计算的进站温度与相应的实际记录值的偏差平方 和最小。 1 3 第一章埋地热油管道稳态工况热力水力计算 1 2 热力计算 在埋地热油管道的实际运行过程中，油品的一些物性参数如：密度、比热容、粘 度等均随油温的变化而变化。在传统的工艺计算过程中，按平均温度法，把这些参数 视为定值，影响了计算精度。同时，油品在输送过程中，由于存在着轴向温降，当温 度降至析蜡点后，管壁开始结蜡，其析蜡潜热及结蜡层对管道运行的热力及水力状态 有一定的影响。另方面，管道中的油流压力由于摩阻的作用而不断下降，并将转化 为摩擦热加热了油流。对于大管径长输原油管道，通常摩擦生热所提供的热量占管道 总供热量的1 0 以上，因此，在埋地热油管道的工艺计算中应同时计入析蜡潜热和摩 擦生热的影响【删。基于上述分析，建立了埋地热油管道的热力与水力计算方程，并采 用计算机数值计算以确保结果的精确性。 1 2 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，按析蜡点温度乙、最大比热容温度疋。 将e - t 曲线分为三个区，即r 乃区，瓦。r 乙区，丁 瓦一区。含蜡原油当油 温低于析蜡温度时，由于蜡晶析出放出结晶潜热，比热容中包含了液相的凝结潜热和 蜡晶潜热。对于不同温度区域有不同的c r 关系式，因而推导含蜡原油管道轴向温降 的计算式必须分三部分进行 5 0 1 。 ( 1 ) t 乃区 在此温度区域内，比热容随温度的降低而缓慢下降，其与温度的关系可按式( 1 - 3 0 ) 确定： c = c o + c t ( 1 - 3 0 ) 式中：c 原油的比热容，j ( k g 1 ； 岛常数，j ( k g 。) ； q 常数，1 ( 2 ； ，油温，： 1 4 ( 2 ) 瓦一s r o ) ( 1 5 0 ) ，：三里 “4d ( 1 5 1 ) 式中：，范宁摩阻系数。 r e 假塑性流体雷诺数。 玑b 系数，分别取0 0 7 9 1 、0 2 5 。 有效管流剪切率； q 稠度系数； 4 、b 稠度回归系数； i 3 5 流体流态临界温度判定 流体在管路中的流态按雷诺数来划分，当雷诺数在2 0 0 0 以内时，流态为层流，大于 2 0 0 0 为紊流。 ( 1 ) 牛顿流体层流临界温度 伯) 锄o o 一茄= 。( 1 - 5 2 ) 式中：瓦牛顿流体临界温度。 其它符号同上。 ( 2 ) 非牛顿流体层