稠油管道与柴油管道同沟敷设逆向输送热力分析

1、目录稠油管道与柴油管道同沟敷设逆向输送热力分析中国石油大学（北京）2011年10月30日-15-目 录第一章 双管同沟敷设物理问题描述11.1 稠油管道与柴油管道双管同沟敷设物理问题概述11.2管道与油品参数1第二章 国内外双管同沟敷设研究现状32.1 同沟敷设的意义及热力分析的必要性32.2 双管并行敷设技术发展现状4参 考 文 献5第三章 数学模型6第四章 计算区域离散化及数值计算方法94.1 计算区域离散化94.1.1 区域离散化方法及计算区域的选取94.1.2 网格生成104.2 数值计算方法114.2.1 直角坐标下控制方程的离散114.2.2 极坐标系下控制方程的离散134.3 模

2、拟计算程序的验证14第五章 计算结果分析165.1 计算条件165.2 结果分析165.3 结论26稠油管道与柴油管道同沟敷设逆向输送热力分析第一章 双管同沟敷设物理问题描述1.1 稠油管道与柴油管道双管同沟敷设物理问题概述风城稠油外输采用掺柴油输送工艺，把克石化柴油输送至风城与稠油混掺后外输。新建稠油管道D457×7.1/L450，设计压力8Mpa，设计输量500×104t/a(混合后油品)，管长102.2km。管道起点为风城油田，末点为克石化，一泵到底。稠油首站外输温度95，末点为81.20。另新建柴油管线D218×4.2/L290，设计压力8Mpa，设计输量

3、100×104t/a，管长102.2km。管道起点为克石化，末点为风城油田，一泵到底。首站(克石化)外输温度为40，末站(风城)11.4。图1-1 新建管道示意图由于稠油对温度敏感，温度降低时粘度变化很大。请对两条管道在运行时是否产生相互热影响进行详细分析论证，着重说明柴油管线的运行是否会影响到稠油管道油品的外输温度，如影响，提出处理措施。1.2 管道与油品参数稠油管道与柴油管道同沟敷设，管顶埋深1.7m，两管道净距1.2m。稠油管道采用60mm硬聚氨酯泡沫保温，柴油管线不保温。柴油物性见表1-1，,稠油物性见表1-2和表1-3。表1-1 柴油物性表项目单位温度0柴油馏分密度g/m3

4、200.8427粘度mm2/s37.22156.575105.411154.091203.229表1-2 稠油物性表序号项目风重37井区SAGD重32试验区8-7井区风010井重059井1凝固点， +22+28+45+502开口闪点，+160+2002202203闭口闪点，+120+1501251644含蜡%0.20.80.120.435胶质%152520.9019.106沥青质%280.692.327酸值 mgKOH/g1.151.110.1450.2318含水%253025.9020.489初馏点14227023624010盐含量mgNaCl/g15.725.111密度（50），g/cm3

5、0.98360.96731.0114表1-3 稠油粘度表温度,风重37井区重32井区8-7井区风010井重59井508061519907719176200552990080808603334168503519530106510450273807015066634145016160146900754287102808999080745.63024769.766654299085214746612594090364.71424399.930941794095288.5890.12972987106001001509015090105101501015011078207820115504850481

6、2035783578第二章 国内外双管同沟敷设研究现状2.1 同沟敷设的意义及热力分析的必要性我国大多数输油管道始建于20世纪70年代，截止到2005年底 ，我国拥有和经营的油气管道总长度已经达到32000多公里，其中原油管道9300多公里、成品油管道2400多公里、天然气管线20000多公里。我国这些油品管道的建设方式，大多都采用传统的单管敷设技术。单管敷设技术，具有施工简单、工程建设速度快、沿线便于操作控制等优点。正是由于其单管敷设的简便快捷安全等这些特点，使其在管道施工建设领域一直占据统治地位。但是，单管敷设技术也同时存在着某些缺点及局限性，例如：管道系统的输送能力有限，初期建设费用高，

7、施工过程中对环境的破坏严重等，并且，部分管道在多年运营后，腐蚀破损严重，输量降低，后期维护也较困难。随着油田管道敷设技术的不断改进及日益成熟，对管道输送过程中的高效性，节能性，环保性的要求越来越高。当管道施工过程中对管道运行的节能性，环保性等方面有特殊要求时，单管敷设技术就已不具有显著的优越性，此时就需要一种新的管道施工方式可以弥补单管敷设这方面的不足。针对以上现状，管道设计开发人员提出了双管并行（同沟）敷设技术。所谓埋地管道并行敷设技术，即：把两条或多条输油管道和输气管道铺设在相距不远的平行走向的管沟中，或者把新的输油输气管道沿着已有的输油输气管道走向平行敷设。埋地管道并行敷设的一种特殊情况

8、就是把两条或多条输油输气管道敷设在同一个管沟中，这种特殊的并行敷设的情况称为“同沟敷设”。双管并行敷设技术相比与单管敷设技术具有以下优势：减少作业带征地面积；减少对地表原始地貌破坏面积，减少植被造成碾压和破坏，便于维持当地生态环境；免二次征地，精简征地过程，有利于农业、林地等地貌养生恢复。同时，还有利于节约工程投资，节省建设费用。此外，双管并行敷设也有利于工程投产后的运行、维护及管理。基于双管并行敷设技术的以上优点，预计其将成为管道敷设方式的一个新的发展方向。在并行敷设技术的设计论证和应用过程中，工程技术人员最为关心的问题之一是并行敷设的两管道相互间有怎样的热力影响，会不会给管道的运营带来安全

9、隐患。2.2 双管并行敷设技术发展现状并行敷设技术目前在我国尚处于初步发展阶段，仅有西部原油管道和成品油管道以及新大线老线和新线采用了并行敷设技术。在并行敷设技术设计论证的初期阶段，国内外对该技术的研究尚属空白。随着西部管道提出并应用并行敷设技术，该研究空白逐渐被我国的研究学者填补和发展。目前，针对并行敷设技术的研究，大部分的工程技术人员是从对国内外现有规范的探究和理解的角度或者从施工工艺的角度进行的 1。在并行敷设技术热力影响规律的研究方面，主要是中国石油大学（北京）进行了相关的研究。在现有规范的探讨方面，具有代表性的研究是郭晓强和黄丽3关于国内外设计规范的探讨，两位学者在对国内外相关规范对

10、比分析的基础上，结合我国目前并行敷设技术现场应用情况，从设计角度分析了油气长输管道并行敷设间距的确定原则。在施工工艺方面，结合并行敷设技术在西部管道中的实际应用，赵汉宁、张军4和赵文杰2对单管沟上、沟下施工工艺和单管单沟工艺、双管沟上单排相对组焊吊管下沟工艺、双管沟上单排同向组焊吊管下沟工艺，双管沟下组焊一次成型工艺，的优缺点进行了对比分析；李加平，张永立5对两管道穿越黑河的过程中，管沟的开挖和管道整体预制分段下沟以及管道的整体试压进行了分析和阐述。此外，王乾坤1在介绍目前国内几条大型的采用油气管道并行敷设技术的管道工程的基础上，探讨了国内外关于油气管道并行敷设的研究现状，对比分析了不同学者在

11、油气管道并行敷设技术研究中的主要研究成果，指出了油气管道并行敷设技术的发展趋势。在并行敷设热力影响规律研究方面，目前已有的研究均是针对两条输油管道并行敷设的情况进行的。宇波6-7，张争伟8-9等针对西部原油管道和成品油管道并行敷设时的热力影响以及并行敷设时管道的停输在启动情况进行了数值模拟研究，得到了1.2m管间距下热力影响比较小的结论，为西部管道提供了的技术支持。凌霄10-11研究了新大线原油管道并行敷设热力影响规律，发现对于新大线并行敷设管间距为1 m时，不必考虑并行敷设对加热炉和泵的选型的影响。石悦12针对不同管径组合的成品油管道和热油管道、热油管道和热油管道并行敷设时不同运行工况组合下

12、热力影响规律进行了数值模拟计算，得到了不同管径组合条件下输油管道沿线油温受并行敷设影响的变化规律。参 考 文 献1 王乾坤，张争伟，石悦等. 埋地油气管道并行敷设技术研究现状J. 油气储运，2011,30（1）：1-4.2 赵文杰，周凤全，王勇. 长输管道双管同沟敷设施工技术J，油气田地面工程，2006,12：38.3 郭小强，黄丽等. 油气长输管道并行敷设间距设计J，油气储运，2009，28 (9)：46-48。4 赵汉宁，张军等. 双管同沟敷设施工工艺在西部管道工程的应用J，青海石油，2008，26（1）：81-84.5 李加平，张永立等：西部管道大型河流双管同沟穿越施工J，石油工程建设，

13、2007，33（1）：36-38.6 宇波，凌霄，张劲军等. 成品油管道与热原油管道同沟敷设技术研究J，石油学报，2007，28 (5)：149-152.7 Bo Yu, Yi Wang, Jinjun Zhang, Xin Liu, Zhengwei Zhang, Kai Wang. Thermal impact of the products pipeline on the crude oil pipeline laid in one ditch The effect of pipeline intervalJ. International Journal of Heat and Mass

14、 Transfer, 2007, 51(3-4):1-13. 8 张争伟，凌霄，王凯等. 同沟敷设中成品油管道对原油管道顺序输送的热力影响分析J，油气储运，2008，27(6)：10-14.9 张争伟. 双管同沟敷设的停输再启动研究D. 北京：中国石油大学，2009.10 凌霄，王艺. 新大线并行敷设热力分析J，中国工程热物理学报，2009，30（2）：299-301.11 凌霄，王艺，宇波等. 原油成品油管道同沟敷设新技术中的热力分析J，中国工程科学，2008，10 (11)：30-36.12 石悦. 长距离并行敷设输油管道的热力影响研究D，北京：中国石油大学，2009.第三章 数学模型对于

15、运行的埋地输油管道，管内的油品、土壤和大气构成了一个热力系统，因而对其热力问题的完整描述，应包括管内油品的传热和管外土壤中的导热两部分。计算总的思路是应用特征线法推导出描述管内非稳定流动及油流温度分布的特征线方程，并通过差分法求出管道各节点温度的表达式。对于管内油流的传热与土壤中导热的耦合，可利用管道内流体换热量与土壤中导热量的平衡关系在两者之间建立联系，对第一章给出的双管同沟敷设物理问题所采用的计算模型作如下假定：（1）认为管内稠油和柴油的温度在同一截面上是均匀的，即管内稠油和柴油温度只是时间和管道轴向位置的函数；（2）将管道周围各向异性的土壤介质简化为各向同性的均匀介质；（3）不考虑冷热油

16、交界面处的导热和混油段，即认为是“活塞型”驱油；（4）忽略土壤轴向温降，将土壤的三维不稳定传热问题简化为二维传热问题；（5）引入热力影响区，认为受稠油管道影响的土壤区域在10m以内。基于上述假设，参照图3-1，综合考虑管道横截面上稠油、柴油、钢管、防腐层、保温层、土壤（管道热力影响区）和大气之间的相互影响，得到数学模型。对稠油管道，有如下描述管流的连续性方程、动量方程和能量方程： （3-1） （3-2） （3-3）由式（3-1）、（3-2）和（3-3）得到油流的换热方程： （3-4）管壁、防腐层和保温层的导热方程： （3-5）边界条件：当时， （3-6）（a）单管敷设（b）稠油管道与柴油管道同

17、沟敷设图3-1 埋地管道示意图其中，为稠油密度，kg/m3；A为管流断面面积，m2；为时间，s；V为油流平均速度，m/s；z为油管轴向位置，m；g为重力加速度，m/s2；为油管轴向与水平方向的夹角；p为油流截面平均压力，Pa；f为达西摩阻系数；Cp为稠油定压比热容，J/（kg·）；u为稠油比内能，J/kg；s为高程，J/（kg·.K）；h为稠油比焓，J/kg；D为管道内直径，m；q为单位时间内稠油在单位管壁面积上的散热量，w/m2；为圆周率；T为稠油温度，；为稠油膨胀系数，-1；i为第i层（管壁、防腐层和保温层）的密度，kg/m3；Ci为第i层（管壁、防腐层和保温层）的比热

18、容，J/(kg·)；Ti为第i层（管壁、防腐层和保温层）的温度，；i为第i层（管壁、防腐层和保温层）的导热系数，W/（m·）；r为径向位置，m；为环向弧度；0为油流对管内壁的放热系数，W/（m2·）；T0为管内壁温度，。对柴油管道，有类似稠油管道的描述管流的连续性方程、动量方程和能量方程，在此不再列出。土壤导热方程： （3-7）边界条件：当时， （3-8）当时， （3-9）当时， （3-10）其中，s为土壤密度，kg/m3；Cs为土壤比热容，J/（kg·）；Ts为土壤温度，；s为土壤导热系数，W/（m·）；x为垂直于轴向的水平位置，m；y为深度

19、，m ；a为地表向大气的放热系数，W/（m2·）；Ta为大气温度，。第四章 计算区域离散化及数值计算方法理论上讲计算区域应该为半无限大土壤介质区域，利用源汇法对管道的散热进行解析求解。但是解析求解需对问题作较多简化，因而造成所获得的结果与真实值有较大偏差。同时，非稳态导热的解析解的形式通常较为复杂，不便于工程应用。而数值解法无需作过多简化，可以通过控制网格划分，获得具有较高精确度的解。因此，本研究的计算区域为稠油管道的热力影响区，采用的计算方法为数值计算方法。4.1 计算区域离散化4.1.1 区域离散化方法及计算区域的选取所谓区域离散化（domain discretization）实

20、质上就是用一组有限个离散的点来代替原来的连续空间。我们把节点看成控制容积的代表。控制容积与子区域并不总是重合的。在区域离散化过程开始时，由一系列与坐标轴相应的直线或曲线簇所划分出来的小区域称为子区域。区域离散化的一般实施过程是：把所计算的区域划分成许多互不重叠的子区域；确定每个子区域中的节点位置及该节点所代表的控制容积。区域离散化过程结束后，可以得到以下几个几何要素：A 节点：需要求解的未知物理量的几何位置B 控制容积：应用控制方程或守恒定律的最小几何单位C 界面：它规定了与各节点相对应的控制容积的分界面位置本研究在区域离散化时针对不同研究对象用不同的网格进行离散。开发出自动化程度高、贴体性好

21、的非结构化网格生成程序，可以对选定的土壤计算区域进行有效离散。使用极坐标结构化网格离散钢管壁、防腐层和保温层。贴体性要求是求解所必须的，两根管道中的油温、管壁及防腐层温度和土壤温度场要耦合求解。土壤被两管道分为极其不规则的多连通区域，要准确求解温度场就要对土壤进行贴体性划分。一般认为管道热力影响区的范围不超过10m，因此计算区域选取如图3-1（b）所示的矩形区域。其中稠油管道位于该矩形区域的x方向对称轴y轴上，柴油管道位于稠油管道左侧一定距离。坐标范围：-10mx10m，0y10m。4.1.2 网格生成(a) 稠油管道单管敷设(b) 稠油管道和柴油管道双管同沟敷设图4-1 土壤非结构化网格在选

22、定上述计算区域后，对于土壤区域采用DELAUNAY三角化方法进行网格自动生成，输入管道埋深（管中心至地表的距离）和管道最外层半径，软件即可自动对土壤计算区域进行划分，生成直角坐标系下的非结构化三角形网格，如图4-1。整个土壤区域划分成许多个互不重叠的三角形网格，每个三角形对应一个节点，节点温度代表了整个三角形的温度。由于管中心附近温度梯度变化大，而离管道越远，土壤温度受热油管道影响越小，温度梯度变化越小，因此在管道附近网格划分得比较密，离管道越远网格越稀疏，以较准确地模拟出真实的温度场。对于钢管壁、防腐层和保温层采用极坐标进行结构化网格划分。4.2 数值计算方法本研究的数值计算方法采用有限容积

23、法，既保证了精确度，又保证了物理量的守恒特性。由于上述区域离散化时采用了两种网格，所以控制方程的离散也需要在两种坐标系下进行。土壤导热方程用直角坐标离散，钢管壁、防腐层和保温层区域控制方程用极坐标离散。由于极坐标系下的离散方程和直角坐标下的离散方程思想相同，下面重点介绍直角坐标下土壤温度场在三角形网格上的离散过程，对极坐标下的控制方程简要给出离散结果。4.2.1 直角坐标下控制方程的离散将计算节点置于三角形的重心，如图4-2所示，节点P0可看成是打阴影线的三角形区域的代表，在有限容积法中称这个三角形为P0点的控制容积。对导热方程进行离散，就是要建立起计算节点P0的温度与其周围邻点P1、P2和P

24、3的温度之间的代数关系式。为离散的方便，导热方程可以针对任意的控制容积写成积分的形式如下： （4-1）其中，V为控制容积的体积（对二维导热问题为控制容积的面积），A为控制容积界面的面积矢量，其正方向与外法线单位矢量一致，如图4-2所示。符号“”表示两个矢量的内积。 将上式应用于如图4-2所示的三角形控制容积，可得： （4-2）式中，为重心为P0的三角形的面积，和分别为时间间隔的当前时层和上一时层P0点的温度值。是界面1，2，3上的平均温度梯度。界面上的平均温度梯度可以通过节点上的温度梯度线形插值得到： （4-3）和为插值因子。图4-2 三角形控制容积从上面的推导可知，只要确定了节点上的温度梯度

25、，离散方程就可以完全确定下来。可以采用最小二乘方法来确定温度梯度如下： （4-4）其中，表示P0节点的温度梯度在i坐标轴上的分量，为从P0到Pj的有向线段。代数方程（4-4）可以用矩阵来表示 （4-5）其中，矩阵G的4个分量和列矢量h的2个分量分别为（式中，是矢量的第k个分量） （4-6）求出了节点的温度梯度就很容易用式（4-3）求出界面的温度梯度。但直接采用式（4-3）有可能引起方程的失耦问题，可以采用显式修正的方式复耦： （4-7）将（4-7）代入公式（4-2）整理得到离散方程： （4-8）以上代数方程为一个主对角占优的方程，采用Gauss-Seidel迭代、共轭梯度法等方法求解即可得到各

26、节点的温度。当网格足够密时，所有节点上的温度值就代表了土壤的温度场。4.2.2 极坐标系下控制方程的离散采用有限容积法在时间至间隔内，对方程3-5在二维极坐标网格(如图4-3)上用隐式格式进行积分可得： （4-9） （4-10） （4-11）将上式整理成通用的离散化方程形式： （4-12）式中：图4-3 二维极坐标网格4.3 模拟计算程序的验证本文数值模拟计算程序的基础程序：两条输油管道并行敷设同向输送热力计算程序的准确性和稳定性，已得到西部管道实际运行数据的验证（来源于西部管道同沟敷设热力影响研究报告），见图4-4所示。并成功推广应用到新大线并行敷设的热力计算中。图4-4 模拟值与实际值的对

27、比从图4-4可以看出：软件计算油温值与实测值偏差在1以内，说明数学模型、计算方法以及模拟计算程序是准确可靠的。稠油管道与柴油管道同沟敷设逆向输送热力分析第五章 计算结果分析5.1 计算条件根据第一章的物理问题描述，确定本研究的计算参数如下：稠油管道D457×7.1，输量500×104t/a（混合后油品），有60mm的保温层，保温层的导热系数为0.03W/mK，出站温度95，管顶埋深1.7m。柴油管道D218×4.2,输量100×104t/a，出站温度40。地温2，两管净距1.2m，管长102km。土壤导热系数选取1.5W/mK（根据我们的经验）和贵单位提

28、供的3.1W/mK进行对比。5.2 结果分析表5-1对比了不同粘度和不同土壤导热系数对稠油进站温度的影响。可以看出，由苏霍夫公式（不考虑粘度影响）计算的进站油温和考虑粘度为400mPa·s计算出的进站油温相比相差大约23，说明粘度对稠油的进站油温有一定影响，这一部分影响主要来自摩擦生热。而不同的土壤导热系数1.5W/mK和3.1W/mK对进站油温的影响在2以内，这主要是因为稠油管道保温层的保温效果比较好，所以土壤导热系数的影响不是很大。不考虑摩擦生热影响的计算结果与贵单位提供的进站油温基本一致。图5-1到5-8给出了不同稠油粘度和不同导热系数下的典型位置下的稠油单管敷设输送下的土壤温

29、度场。单管敷设稠油管道土壤导热系数1.5 W/mK，稠油粘度分别为5(只是为了研究而假定非实际)，100，200，400 mPa·s时对应管道不同位置上土壤温度场的对比分别见图5-1，图5-2，图5-3，图5-4。土壤导热系数3.1 W/mK，稠油粘度分别为5，100，200，400 mPa·s时对应管道不同位置上土壤温度场的对比分别见图5-5，图5-6，图5-7，图5-8。从图5-1到图5-8中可以看出，土壤导热系数和稠油的粘度的变化并没有对土壤温度场产生太大影响，这主要是因为稠油管道保温层的保温效果比较好，热量不容易从管道中散出。出站34km处68km处进站图5-1 稠

30、油粘度为5mPa·s、土壤导热系数为1.5 W/mK时，不同位置处土壤温度场出站34km处68km处进站图5-2稠油粘度为100mPa·s、土壤导热系数为1.5 W/mK时，不同位置处土壤温度场出站34km处68km处进站图5-3稠油粘度为200mPa·s、土壤导热系数为1.5 W/mK时，不同位置处土壤温度场出站34km处68km处进站图5-4稠油粘度为400mPa·s、土壤导热系数为1.5 W/mK时，不同位置处土壤温度场出站34km处68km进站图5-5稠油粘度为5mPa·s、土壤导热系数为3.1W/mK时，不同位置处土壤温度场出站34k

31、m处68km处进站图5-6稠油粘度为100mPa·s、土壤导热系数为3.1W/mK时，不同位置处土壤温度场出站34km68km进站图5-7稠油粘度为200mPa·s、土壤导热系数为3.1W/mK时，不同位置处土壤温度场出站34km68km进站图5-8稠油粘度为400mPa·s、土壤导热系数为3.1W/mK时，不同位置处土壤温度场出站34km处68km进站图5-9 柴油管道单管敷设、土壤导热系数分别为1.5 W/mK时，不同位置土壤温度场出站34km处68km处进站图 5-10柴油管道单管敷设、土壤导热系数分别为3.1 W/mK时，不同位置土壤温度场表5-2中，由土

32、壤导热系数取1.5W/mK和3.1W/mK所计算出来柴油的进站油温和贵单位提供的数据相比，本计算结果的进站油温要低一些。对于单管敷设柴油管道土壤导热系数分别为1.5 W/mK，3.1 W/mK时，对应管道不同位置上土壤温度场的对比分别见图5-9，图5-10。从图5-9，图5-10中可以看出，对于柴油管道，出站处的土壤温度场受管道散热的影响较大，而进站处的土壤温度场并没有受到太大的影响。这是因为柴油管道没有保温层，散热较快，在进站处管道温度已经接近地温，对土壤温度场影响很小。两图对比可以看出土壤导热系数越大，管道散热越快。表5-3给出了双管同沟时不同稠油粘度和不同土壤导热系数对稠油进站温度和柴油进站温度的影响。由表3和表1对比可看出，双管敷设中稠油的进站油温和单管中稠油的进站油温相差0.5以内，而且是双管敷设中稠油的进站油温略高于单管敷设中稠油的进站油温。这是因为稠油管道保温层的保温效果较好，所以柴油管道对稠油管道的影响很小。而柴油管道对稠油管道是正的影响，这主要是因为总体上讲柴油管道的温度高于当地由稠油管道形成的土壤温度场的温度。由表3和表2对比可看出，双管敷设中柴油的进站油温比单管中柴油的进站油温高一些，这是因为柴油管道中没有保温层，油品的温度受稠油形成的温