稠油管道与柴油管道同沟敷设逆向输送热力分析

稠油管道与柴油管道同沟敷设逆向输送热力分析

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

目录

第一章双管同沟敷设物理问题描

述...............................................1

1.1稠油管道与柴油管道双管同沟敷设物理问题概

述............................1

1.2管道与油品参

数................................................

..1

第二章国内外双管同沟敷设研究现

状............................................3

2.1同沟敷设的意义及热力分析的必要

性......................................3

2.2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...........................................9

4.1计算区域离散

化........................................................

9

4.1.1区域离散化方法及计算区域的选

取...................................9

4.1.2网格生

成.......................................................

10

4.2数值计算方

法.......................................................

...11

4.2.1直角坐标下控制方程的离

散........................................11

4.2.2极坐标系下控制方程的离

散........................................13

4.3模拟计算程序的验

证..................................................14

第五章计算结果分

析.......................................................

....16

5.1计算条

件

...........16

5.2结果分

析

...........16

5.3结

论

.....................26

-II-

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D457X7.1/L450,设计压力8Mpa,

设计输量500X104t/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95C,末点为

81.20℃o

另新建柴油管线D218X4.2/L290,设计压力8Mpa,设计输量100

X104t/a,管长102.2km。管道起点为克石化，末点为风城油田，

泵到底。首站（克石化）外输温度为40℃,末站（风城

图新建管道示意图

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

-1-

表1-2稠油物性表

表1-3稠油粘度表

-2-

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，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

-3-

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[l]o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⑶

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⑷和赵文杰⑵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⑸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，王乾坤田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。凌霄口0-11］

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1m时，不必考虑并行敷设对加热炉和泵的选型的影响。

石悦

-4-

［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.

网郭小强，黄丽等.油气长输管道并行敷设间距设计川，油气

储运，2009,28(9)：46-48o

⑷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.

⑸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,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]BoYu,YiWang,JinjunZhang,XinLiu,ZhengweiZhang,KaiWang.

Thermalimpactofthe

productspipelineonthecrudeoilpipelinelaidinoneditch-The

effectofpipelineinterval[J].InternationalJournalofHeatandMass

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

热力分析臼，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.

-5-

第三章数学模型

对于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：

?

????A??

?V?V

?z??z??VA??0（3-1）

l?p?fV2?V

????gsin????zD2

（3-2）?V2?????V2?????A??u??gs??????VA??h??gs?????Dq

(3.3)

由式(3-1)、(3-2)和(3-3)得到油流的换热方程:

dp???Cpd??d?dTTfV4q??

(3-4)D2?D3??

管壁、防腐层和保温层的导热方程：

-6-

r?r(?ir?Ti

?r)?l?

r??2(?i?Ti??)i?l,2,3(3-5)

边界条件：

当r?D/2时，？ldTl???O?T?TO?(3-6)

dr

(a)单管敷设

(b)稠油管道与柴油管道同沟敷设

图3-1埋地管道示意图

其中，P为稠油密度，kg/m3；A为管流断面面积，m2；T为时

间，s；

-7-为油流V

平均速度，m/s；z为油管轴向位置，m；g为重力加速度，m/s2；

a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为稠油比始,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；弘为圆周率;T为稠油温度，°C；B为稠油膨胀系数，℃

-1;「1为第1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)的比热容，J/(kg•℃)；Ti为第i层(管

壁、防腐层和保温层)的温度，℃;入i为第i层(管壁、防腐层和

保温层)的导热系数，W/(m•°C)；r为径向位置，m；。为环向弧

度;a0为油流对管内壁的放热系数，W/(m2・°C)；TO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：

?sCs?Ts????

?x(?s?Ts?x)??

?y(?s?Ts?y)(3-7)

边界条件：

当y?0时，？sdTsdy??a?Ta?Ts?

(3-8)当x??L时，?T

?x?0(3-9)

当y??H时,Ts?Tn

(3-10)其中，Ps为土壤密度，kg/m3；Cs为土壤比热容,J/(kg・℃)；

Ts为土壤温度，℃；入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，m；aa为地表向大气的放热系数，

W/(m2•℃)；Ta为大气温度，℃。

-8-

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(domaindiscretization)实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

-9-

图4-1土壤非结构化网格

在选定上述计算区域后，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

-10-

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Pl>P2和P3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：

?T?dV??T?dA(4-1)???t?cpVA

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：

TpO-TpOO

?t?AP??cpO???T?j=13j?Aj(4-2)

式中，APO为重心为P0的三角形的面积，TpO和TpOO分别为时

间间隔?t的当前时层和

上一时层P0点的温度值。？?T?j是界面1,2,3上的平均温度梯

度。界面上的平

均温度梯度??T?j可以通过节点上的温度梯度线形插值得到：

-11-

??T?j??P??T?P??P??T?P(4-3)

j

j

?P和?Pj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，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??T?P如

下：

????T?P

i

i

?

j=l

3

dj?l??TPj-TPO?

???T?P???O,i=l,2(4-4)0

dj?dj??dj?

2

其中，？?T?P表示P0节点的温度梯度在i坐标轴上的分量，dj

为从P0到Pj的有向线段。

代数方程(4-4)可以用矩阵来表示

??T?P?G-lh(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,

dkj是矢量dj

的第k个分量)

gkl=?

j=13

ldk?djj

3

djdj

k=l?l,2d

k

j2

hk??

j?l

3

TPj-TPO

(4-6)

k=l,2

?

dj

-12-

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：

??T?j??P??T?P??P??T?P

j

?

j

?

?djdj?TPj-TPOdj?l-??（4-7）

?djdj?djdj??

将（4-7）代入公式（4-2）整理得到离散方程：

apTp=?apTp+b

3

j=l

jj

?dj?Aj

ap?

?cpdj2

i=l,2,3

ap??ap?

3

APO?t

(4-8)

j?l

j

?

b=?

?t?cp

TpOOAPO

3j?l

PO

PO

??Pj??T?P

j

?

?djdj?

?1-?

?djdj???

以上代数方程为一个主对角占优的方程,采用Gauss-Seidel迭代、

共班梯度法等方法求解即可得到各节点的温度。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：

???

????n

s

????ne??T?T?

r?cd?drd???r??d?d??w?????s?w??r??

e

??

P

????

?

?

n

s

???T???drd??w?r????

e

(4-9)

?rn?rsTN?TPTP?TS?

?r????rn?n?rs?s??c?P?TP?T??????2?r?r?ns?????T?T?T?T

??eEP?wPW

rw??w??re??e

?

??r????

(4-10)

-13-

??c?P?TP?TP0?

?r??rn?rsr?

(4-11)

??e?rn?n?w

???r????r????????TN

rw??w?re??e??rn???

rs?s?e?w

????TS??r??TE??r??TW

re??erw??w?rs

将上式整理成通用的离散化方程形式：

aPTP?aETE?aWTW?aNTN?aSTS?b(4-12)

式中：

aE?a?

P

?rre??e/?e

,aW?

?rrw??w/?w

,aN?

rn??rs??

,aS?,

?rn/?n?rs/?s

0.5??c?P?rn?rs??r??

??

000

,aP?aE?aW?aN?aS?aBb?aPTP

（??）w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

-14-

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。

温度（℃）

温度（℃）

12月1日12月10日12月20日12月30日1

月10日

2009年2010年

12月1日12月10日12月20日12月30日

1月10日

2009年2010年

图4-4模拟值与实际值的对比

从图4-4可以看出：软件计算油温值与实测值偏差在以内，

说明数学模型、计算方法以及模拟计算程序是准确可靠的。

-15-

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D457X

7.1,输量500X104t/a（混合后油品），有60mm的保温层，保

温层的导热系数为0.03W/m?K,出站温度95℃,管顶埋深1.7m。柴

油管道D218X4.2,输量100X104t/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/m?K（根据我们

的经验）和贵单位提供的3.1W/m?K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2~3℃,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/m?K和3.1W/m?K对进站油温的影响在

2c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度场。单管敷设稠油管道土壤导热

系数1.5W/m?K,稠油粘度分别为5（只是为了研究而假定非实际），

100,200,400mPa-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3.1W/m?K,稠油

粘度分别为5,100,200,400mPa・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。

-16-

图5-2稠油粘度为lOOmPa-s、土壤导热系数为1.5W/m?K时，

不同位置处土壤温度场

-17-

图5-4稠油粘度为400mPa-s、土壤导热系数为1.5W/m?K时，

不同位置处土壤温度场

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图5-6稠油粘度为lOOmPa-s、土壤导热系数为3.1W/m?K时,

不同位置处土壤温度场

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图5-8稠油粘度为400mPa・s、土壤导热系数为3.1W/m?K时,

不同位置处土壤温度场

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图5-10柴油管道单管敷设、土壤导热系数分别为3.1W/m?K时,

不同位置土壤温度场

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表5-2中，由土壤导热系数取1.5W/m?K和3.1W/m?K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