丁晉晉，韓鋼，劉德俊，石博文，李詩航（.遼寧石油化工大學 石油與天然氣工程學院，遼寧 撫順 300； .舟山實華原油碼頭有限公司，浙江 舟山 36000）

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冷熱原油交替輸送研究現狀與展望

丁晉晉1，韓鋼2，劉德俊1，石博文1，李詩航1
（1.遼寧石油化工大學 石油與天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001； 2.舟山實華原油碼頭有限公司，浙江 舟山 316000）

摘要：冷熱油交替輸送是符合我國國情的一種輸送工藝，具有很大的研究價值。我國的研究起步相對較晚，經過幾十年的努力，取得了很好的成果。介紹了冷熱油交替輸送中管道土壤傳熱、管內非穩(wěn)態(tài)傳熱流動研究的常用幾種方法以及耦合計算的數學模型、求解步驟和原理，分析了近年來國內冷熱油輸送技術的成果。最后，結合國內的研究進展，對今后的研究做了展望。

關鍵詞：交替輸送；土壤傳熱；耦合計算；數學模型；研究展望

我國的能源消費需求增長迅猛。根據BP石油公司2014年世界能源回顧，到2013年，中國已經成為世界上最大的能源生產國和消費國。其中，作為傳統(tǒng)能源的石油，仍然占據很大的消費比例。2013年我國原油消費達到 50.74億 t，比 2012年增長3.8%，而同年，國內原油產出只有20.81億t，存在巨大的需求缺口［1］。

為了滿足國內的消費需求以及實施國家能源安全戰(zhàn)略，近年來我國大量進口國外原油。國外原油通常具有凝固點低，流動性較好等特點，可常溫輸送，而國產原油多為凝固點高粘度大，需加熱輸送。如果將進口原油與國產原油摻混輸送，雖然技術上沒有問題，但是混合后的物性改變，對會煉廠加工造成困難，也不利于煉制高品質油品，造成浪費。因此，原油順序技術得到了重視。進口原油與國產原油的順序輸送過程，由于凝固點差距大，需要加熱溫度不同，實際是一個冷熱油交替的過程。這個過程是個影響因素眾多復雜的非穩(wěn)態(tài)水力熱力過程。

1　冷熱原油交替輸送應用

1999年，美國Pacific Pipeline對不同種原油進行順序輸送（見表1）。該管道長209 km，管徑508 mm，輸量17 800 t/d。由表中數據可見，SJVH重質原油在32.0 ℃時運動粘度19 610 cst，而LITE輕質原油在21.1 ℃時運動粘度只有35 cst，管道的運行溫度變化范圍廣。從這些方面可以看出，Pacific Pipeline具有輸送原油種類多，物性差別顯著，操作條件變化幅度大等特點，也說明冷熱原油交替輸送的可行性。但是，文獻并沒有相關技術性內容的報道［2，3］。

相比國外原油順序輸送技術，國內起步相對落后。上世紀70年代末，我國先后在湛茂線和魯寧線進行了原油順序輸送的嘗試，但是最終都沒有能夠得到成功的原油順序輸送的適用經驗。近十幾年來，我國的研究工作者和科研單位對原油順序輸送進行了相關技術研究和實驗，取得了一定的成果。2006年，管道科技中心在新大線實地進行了首次冷熱油交替輸送先導試驗。試驗歷時30 d，經過7次不同輸量的循環(huán)，是國內冷熱油交替輸送的先例，為冷熱油交替輸送提供了技術儲備和安全保障。2007年，在西部原油管道上，對塔里木油、塔里木-北疆混合油、吐哈油和哈國油采用了冷熱順序輸送方式［4］。同年，慶鐵老線對俄油和大慶油進行冷熱順序輸送。

表1　美國太平洋管道5種原油的物性Table 1　Properties of 5 kinds of oil in Pacific pipeline

2　冷熱油輸送研究方法

2.1冷熱油管道土壤中的傳熱研究方法

冷熱油交替輸送管道在土壤中傳熱是一個非穩(wěn)態(tài)過程。輸送熱油時，熱油向土壤散熱，土壤吸熱蓄熱；輸送冷油時，土壤蓄熱此時對冷油加熱，并且隨著交替的批次增加，呈現一定的周期性。研究管道在土壤中的傳熱，可以對交替耦合的情況進一步研究，也能為停輸再啟動提供依據。由于管外土壤為半無限大區(qū)域，在研究中無法進行直接的計算，需要通過一些簡化、變形后才能計算。目前計算管外土壤溫度場的方法主要有源匯法、因次分析法、熱力影響區(qū)域法和雙極保角變換法［5-11］。

源匯法，是將半無限大空間內穩(wěn)定傳熱的埋地熱油管道看連續(xù)作用線熱源，利用源匯法進行解析求解。因次分析法是由蘇聯學者古賓提出了一種利用無因次變量來對地下輸油管道熱損失進行求解的近似算法。雙極坐標保角變換法保角變換法又稱半空間模型法，這種方法是通過雙極坐標保角變換，將半無限大土壤區(qū)域轉化為有界矩形或環(huán)形區(qū)域，然后可對微分方程數值求解。熱力影響區(qū)法是認為管道的熱力影響有一定的范圍，在范圍之外的影響可以忽略不計，將半無限大的土壤求解區(qū)域簡化為一個矩形或扇形的求解區(qū)域。該方法在一些要求精度不高的工程問題中得到了廣泛應用。

2.2管內非穩(wěn)態(tài)水力-熱力研究方法

在管內非穩(wěn)態(tài)熱力-水力耦合問題的研究中，研究者通常以管內油流的連續(xù)性方程、動量方程及能量方程為基礎，對油流非穩(wěn)態(tài)傳熱和流動進行研究。此類問題的研究方法主要歸為解析法、特征線法、數值模擬三類。

前蘇聯學者曾根據長輸管線內流體非穩(wěn)定流動的特點，對管內原油非穩(wěn)態(tài)流動傳熱進行了解析求解。但是盡管做了相當的簡化，方程組仍然十分復雜，不適合工程中應用。國內研究者曾采用雙特征線對順序輸送中水力、熱力耦合過程進行了分析計算［12-14］。具體的耦合過程為：首先計算穩(wěn)態(tài)時管流的流量、溫度等參數；當邊界條件變化而引起水力-熱力瞬變時，當前溫度取前一時步的值，根據水力瞬變特征線法，計算管道上各節(jié)點的流量、溫度等參數值。在一個時間步長里，經過反復的計算達到要求的精度后，進行下一時步的運算。數值模擬法就是將求解域進行網格節(jié)點劃分，通過數值方法將一系列的控制方程離散化，求解控制方程組，得到各個節(jié)點數值，從而得到整體的變化規(guī)律。

3　冷熱油交替輸送耦合計算

冷熱原油交替輸送系統(tǒng)是一個非穩(wěn)態(tài)、多控制因素的系統(tǒng)。由于其輸送距離長，劃分網格數巨大，從時間效率和經濟效率考慮，不適合用現行的商業(yè)CFD軟件來模擬整個過程。研究者們對于交替輸送的研究，通常是整體統(tǒng)籌計算，局部詳細模擬。整體上從水力、熱力控制方程入手，將其離散差分進行耦合的數值計算［15，16］。

3.1基本假設

假設管內油流溫度只隨時間和管線長度變化而變化，即同一截面溫度是相同的。假設管道周圍土壤介質為各向同性的均勻介質。假設忽略混油段及冷熱油交界面處的導熱，即認為是活塞型驅油。假設管外土壤傳熱只在徑向平面。

經過治療的心?；颊吲c腦梗患者，都會經歷病變器官缺血再灌注的過程。這個過程中會產生大量的氧自由基，氫氣能選擇性中和具有強氧化性的·OH、ONOO-等自由基，從而減緩缺血再灌注損傷進程的發(fā)展，降低機體的氧化應激水平，改善臟器缺血再灌注后的狀態(tài)。

3.2數學模型

管外傳熱統(tǒng)一方程：

管內油流換熱方程：

式中：i取1，2，3，4時分別代表管壁、防腐層、保溫層及土壤。 q為油流與管壁熱流密度；V為油流速度，m/s；D為管道的內直徑，m；A為油流的橫截面積，m2；Cp為原油的比熱，J/（kg·C）；T為原油溫度，℃；τ為時間，s；λ為達西摩阻系數。

3.3模型的數值求解

對管外土壤計算區(qū)域進行網格劃分。考慮到計算區(qū)域具有對稱性，為了減少計算量，只劃分右邊部分。最后通過Delaunay法生成非結構化的三角形網格，并且在管壁附近進行加密［17］，如圖1所示。

圖1　土壤網格劃分Fig.1 Grid division of soil

對管內求解，首先將輸油管道沿軸向離散，如圖2所示。

圖2　管線的離散Fig.2 Discrete distribution of pipeline

將間距為L管線等距分N份，N+1個節(jié)點，每段步長ΔZ為L/N。節(jié)點數和步長的大小，決定了計算的精度和所消耗的時間，實際情況應根據站間距合理選擇節(jié)點數。其次，對時間進行離散，取輸送開始時刻時間起點；設時間步長Δt值為油流流過一個距離步長的時間，即Δt =Z/V。

根據上述原理，編制計算程序，輸入初始參數，可以計算管線節(jié)點在不同時刻的溫度分布。

4　冷熱油交替輸送研究現狀

冷熱油交替輸送，涉及土壤蓄熱、停輸啟動、管道預熱等問題，但又比單純的加熱輸送復雜。它還涉及到冷油的預熱量和預熱溫度以及加熱時機等問題。國內很多學者進行深入研究。

鹿廣輝、楊云鵬等［18-21］都對冷熱輸送埋地管道的土壤傳熱進行了研究。他們通過建立土壤模型，利用商業(yè)模擬軟件，對不同工況進行模擬，對輸送過程中土壤蓄熱，交替過程中溫度場的變化以及溫度場漂移的規(guī)律進行了總結。

王凱［22，23］對冷熱油交替過程中加熱方案的經濟性進行了研究，綜合采用有限差分和有限元法，編制軟件對輸送過程進行了數值模擬。通過分析兩種不同控制方式的不同的加熱方案，比較能耗得出，對低凝油尾部分加熱所所需的能耗比對其整體加熱的要少，應考慮第二種控制方式下的最佳加熱方法。在對冷熱油交替輸送耦合模型的建立上，作者提出了移位網格下的虛擬邊界條件法，解決常規(guī)有限差分法和交錯網格的有限差分法對水力瞬態(tài)變化的不足，并且編制了更加嚴謹的非穩(wěn)態(tài)水力-熱力耦合計算程序，并在現場應用中得到了驗證。

周建［24-25］介紹了常見的管道停輸安全性分析方法，并且利用冷熱油交替輸送計算軟件模擬，采用上述方法對數據進分析。結合停輸時機，停輸安全性特點，總結出冷熱油交替輸送最大安全停輸時間的方法。即首先通過軟件模擬找到臨界停輸時間tc，然后在tc附近找出符合安全判定準則的時間即為最大安全停輸時間。對于交替輸送中的熱力影響因素，作者通過模擬分析認為，輸送距離，年輸送批次，相對加熱量以及加熱時機都會輸送安全產生影響。輸送距離增加不利于改善原油的流動安全，而批次的增加雖然改善了流動安全，卻造成了混油量和運行管理難度增加。

Guojun Yu［26］在對埋地熱油管道非穩(wěn)態(tài)溫度場模擬研究中，采用了POD-Galerkin降階模型。最佳正交分解（proper orthogonal decomposition，POD）是一種基于統(tǒng)計學的高效的數據處理技術。利用正交特征函數的性質，通過Galerkin投影技術，將基于CFD高階模型的方程數量大大簡化。通過模擬計算，和傳統(tǒng)的高階模型對比，降解模型是精確和高效的方法，可以為今后冷熱油輸送數值模擬提供了一種新的方向。

5　冷熱油順序輸送研究總結及展望

冷熱油交替輸送是個復雜的非穩(wěn)態(tài)水力熱力過程，但其產生的經濟收益是可觀的。目前的研究，多數都是基于控制方程，離散及簡化邊界條件，進行數值計算并編制交替輸送的程序。這種簡化的數值計算，基本上滿足了工程的需要，但是對于冷熱原油交替輸送的規(guī)律并沒有完全表現出來。例如：（1）實際交替過程中水力過程也是非穩(wěn)態(tài)的過程，輸送的流量、壓力等對熱力的影響。（2）實際交替過程中存在混油段，混油的熱力變化更加復雜，混油界面的捕捉。（3）管線與周圍土壤傳熱情況，考慮不同環(huán)境因素下的真實溫度場。（4）冷熱交替的循環(huán)，造成管線鋼的熱應力變化，所導致的管線安全問題。對于這些方面的研究應該是今后研究的著力要突破的方面。

隨著計算機的性能提高，數值計算不斷發(fā)展，計算機模擬占據巨大的優(yōu)勢。相比于實驗的巨大投入，計算機模擬無疑是非常好的選擇。但是，由于模型的建立和算法的選擇，使得一些問題只存在理論上可算，實際上耗時巨大。所以，對于數值計算，網格的劃分，算法的選擇，模型的創(chuàng)新也是值得我們深入研究的，具有現實意義。

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Progress and Prospect of Research on the Alternative Transportation of Cold-hot Crude Oil

DING Jin-jin1，HAN Gang2，LIU De-jun1，SHI Bo-wen1，LI Shi-hang1
（1.College of Petroleum and Natural Gas Engineering，Liaoning Shihua University，Liaoning Fushun 113001，China；
2.Zhoushan Shihua Crude Oil Terminal Company Limited，Zhejiang Zhoushan 316000，China）

Abstract：Alternative transportation of hot-cold crude oil is a process in accord with China's national conditions.It has great research value.The research of the process in our country starts relatively late，but after decades of hard work，we have achieved good results.In this paper，some common research methods of soil heat transfer and unstable heat transfer in cold-hot oil alternative transportation were introduced.The mathematical model，the solving process and the principle of the coupling calculation were established and introduced.The achievements of domestic alternative transportation technology in recent years were analyzed.

Key words：Alternative transportation；Heat transfer in soil；Coupling calculation；Mathematical model；Research prospects

中圖分類號：TE 832

文獻標識碼：A

文章編號：1671-0460（2016）01-0063-04

收稿日期：2015-09-22

作者簡介：丁晉晉（1990-），男，江蘇泰州人，碩士研究生，遼寧石油化工大學油氣儲運工程在讀，研究方向：冷熱油順序輸送。E-mail：ding-jinjin@outlook.com。

通訊作者：劉德俊（1967-），男，副教授，碩士，研究方向：原油及成品油管道輸送技術。E-mail：ldj8448@163.com。