李厚霖

(長(zhǎng)江大學(xué) 地球物理與石油資源學(xué)院，湖北 武漢 430100)

沈興輸油管線節(jié)能技術(shù)研究

李厚霖

(長(zhǎng)江大學(xué) 地球物理與石油資源學(xué)院，湖北 武漢 430100)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定了沈興原油粘溫關(guān)系曲線，并回歸出了吻合度很好的原油粘溫方程。從傳熱學(xué)原理出發(fā)，利用水熱耦合模型對(duì)沈興輸油管線熱油管道沿線土壤溫度場(chǎng)進(jìn)行三維傳熱情況數(shù)值模擬，并對(duì)熱油管道停輸后進(jìn)行熱力計(jì)算。實(shí)驗(yàn)與研究結(jié)果表明：實(shí)驗(yàn)測(cè)得凝點(diǎn)值為41℃，根據(jù)相關(guān)規(guī)范的要求，熱油管道的允許最低進(jìn)站溫度為44℃；水分遷移等因素對(duì)土壤溫度場(chǎng)及埋地管道非穩(wěn)態(tài)傳熱的影響非常明顯；隨著出站溫度的升高，進(jìn)站溫度也增加，但是進(jìn)站溫度的增加幅度要小于出站溫度的增加幅度；隨著輸油溫度的降低，停輸后能滿足輸送條件的時(shí)間漸漸變小；由于沈興管線所輸送原油凝點(diǎn)高達(dá)41℃，建議開展原油降凝降粘研究，降低凝點(diǎn)，進(jìn)而降低允許的最低進(jìn)站溫度，最終降低加熱站出站溫度，以節(jié)省管道總運(yùn)行費(fèi)用，同時(shí)低凝又能夠提高熱油管道的安全性并且大多數(shù)降凝方法也兼有降粘效果，以期實(shí)現(xiàn)熱油管道的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

粘溫曲線；三維傳熱；溫度場(chǎng)；停輸；熱力計(jì)算

在熱油管道運(yùn)行過程中，降低熱能損失以降低總能耗對(duì)于降低輸油成本、提高經(jīng)濟(jì)效益非常重要[1-4]。輸油能耗和原油品種、管道敷設(shè)各種參數(shù)、地形、土壤、季節(jié)變化等多種因素有關(guān)，尤其是管輸油耗的季節(jié)性差異是建立油耗模型必須考慮的問題[5-10]。為減少熱油管道輸油能耗，提高管道運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，有必要詳細(xì)掌握現(xiàn)行的熱油管道能耗情況，并與能耗較低的同類管道進(jìn)行多方面的對(duì)比，找出降低能耗的措施，為熱油管道節(jié)能運(yùn)行提供科學(xué)依據(jù)為了獲取項(xiàng)目研究所需要的必要資料進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，包括油品相關(guān)數(shù)據(jù)資料(油品的粘溫曲線，密度和溫度的關(guān)系曲線，油品的凝點(diǎn)、導(dǎo)熱系數(shù)等)和土壤相關(guān)數(shù)據(jù)資料(密度、導(dǎo)熱系數(shù)、含水率等)。在充分了解沈興輸油管道的相關(guān)數(shù)據(jù)資料的基礎(chǔ)上，建立了適用于沈興輸油管道的熱油管道熱力、水力計(jì)算模型和土壤水熱偶合模型，并編制了相關(guān)程序。按照實(shí)際輸油條件對(duì)沈興輸油管線和節(jié)能標(biāo)桿輸油管線運(yùn)行過程進(jìn)行了熱力、水力計(jì)算，得到了管道沿程溫降、管道各個(gè)截面溫度變化曲線、沿程壓降等計(jì)算結(jié)果。通過數(shù)值計(jì)算得出管道沿程溫降、各個(gè)截面溫度變化曲線、沿程壓降等，通過對(duì)標(biāo)桿對(duì)象及沈興輸油管線運(yùn)行數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析，找出了沈興管線運(yùn)行過程中主要能耗的原因。根據(jù)熱油管道熱力、水力計(jì)算結(jié)果對(duì)制定的3種改進(jìn)方案進(jìn)行了評(píng)價(jià)和對(duì)比，并確定了節(jié)能輸送方案。

1 模型的建立

多孔介質(zhì)內(nèi)部流體流動(dòng)、換熱過程十分復(fù)雜，有限容積法是處理多孔介質(zhì)流動(dòng)換熱問題常用的理論方法。建立了熱傳導(dǎo)模型和飽和土壤多孔介質(zhì)水熱耦合控制方程如下。

熱傳導(dǎo)模型：

(1)

飽和土壤多孔介質(zhì)水熱耦合控制方程 ：

(2)

(T-Tref)

(3)

2 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

管徑219 mm，壁厚6.5 mm，上管壁距地表1.2 m。土壤密度1 680 kg/m3，初始地溫10℃，原油凝點(diǎn)41℃，地表平均風(fēng)速2 m/s，管內(nèi)原油體積流量100 m3/h，管道運(yùn)行穩(wěn)定后的總傳熱系數(shù)0.78 W/(m·℃)，焦湯數(shù)為1.03×10-6℃/Pa，計(jì)算區(qū)域5 m×5 m，地表溫度采用周期性邊界條件。物理模型圖如圖1。

圖1 埋地管道物理模型

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定了沈興原油粘溫關(guān)系曲線，并回歸出了吻合度很好的原油粘溫方程，實(shí)驗(yàn)測(cè)得凝點(diǎn)值為41℃，根據(jù)相關(guān)規(guī)范的要求[9-10]，熱油管道的允許最低進(jìn)站溫度為44℃，如圖2。

圖2 不同剪切速率下原油的粘度

通過利用水熱耦合模型對(duì)熱油管道沿線土壤溫度場(chǎng)進(jìn)行三維傳熱情況的數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，距離管道距離越大，溫度越低、溫度變化越不明顯，說明水分遷移等因素對(duì)土壤溫度場(chǎng)及埋地管道非穩(wěn)態(tài)傳熱的影響非常明顯，因而需要準(zhǔn)確計(jì)算時(shí)必須加以考慮，如圖3(出站溫度63℃，運(yùn)行140 h)。

圖3 沈首站至周徐村5 km處土壤溫度分布

隨著出站溫度的升高，進(jìn)站溫度也增加，但是進(jìn)站溫度的增加幅度要小于出站溫度，以沈首站至周徐村管段為例：出站溫度為63℃時(shí)，進(jìn)站溫度為46.6 ℃；而出站溫度為69℃時(shí)，進(jìn)站溫度為50.7℃。即出站溫度提升6℃時(shí)，相對(duì)應(yīng)的進(jìn)站溫度提升4.1℃。在更高的溫度范圍內(nèi)這種提升幅度差別更為明顯，因而，試圖采用提升出站溫度的方法來提高進(jìn)站溫度，往往收效不明顯，同時(shí)也不經(jīng)濟(jì)。如圖4。

3 熱油管道停輸后熱力計(jì)算

對(duì)沈興管線停輸后不同時(shí)刻管道內(nèi)油品軸向溫降進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。圖5給出了沈首站至周徐村站在不同輸油溫度情況下停輸后不同時(shí)刻管道軸向溫降曲線。

從圖5中曲線可以看出，出站溫度為72℃時(shí)，停輸后不同時(shí)刻管線內(nèi)油品最低溫度分別為：1 h后52.56℃，2 h后50.45℃，4 h后47.17℃，6 h后44.47℃，8 h后42.30℃，通過對(duì)油品粘溫曲線對(duì)比分析可知，這種輸油條件下，停輸后6 h管內(nèi)油品溫度還能滿足輸送條件，6 h油品將漸漸不具備輸送條件。出站溫度為69℃時(shí)，停輸后不同時(shí)刻管線內(nèi)油品最低溫度分別為：1 h后50.72℃，2 h后48.68℃，4 h后45.35℃，6 h后42.91℃，8 h后40.81℃，通過對(duì)油品粘溫曲線對(duì)比分析可知，這種輸油條件下，停輸后5 h管內(nèi)油品溫度還能滿足輸送條件，5 h油品將漸漸不具備輸送條件。出站溫度為66℃時(shí)，停輸后不同時(shí)刻管線內(nèi)油品最低溫度分別為：1 h后48.40℃，2 h后46.49℃，4 h后43.53℃，6 h后41.09℃，通過對(duì)油品粘溫曲線對(duì)比分析可知，這種輸油條件下，停輸后3.5 h管內(nèi)油品溫度還能滿足輸送條件，3.5 h油品將漸漸不具備輸送條件?？梢钥闯?，隨著輸油溫度的降低，停輸后能滿足輸送條件的時(shí)間漸漸變小，在設(shè)計(jì)輸油工藝時(shí)，對(duì)此應(yīng)充分考慮。

a出站溫度63℃；b出站溫度66℃；c出站溫度69℃

4 結(jié) 論

1) 根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定了沈興原油粘溫關(guān)系曲線，并回歸出了吻合度很好的原油粘溫方程。實(shí)驗(yàn)測(cè)得凝點(diǎn)值為41℃，根據(jù)相關(guān)規(guī)范的要求，熱油管道的允許最低進(jìn)站溫度為44℃。

a出站溫度72℃；b出站溫度69℃；c出站溫度66℃

2) 通過利用水熱耦合模型熱油管道沿線土壤溫度場(chǎng)進(jìn)行三維傳熱情況的數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，水分遷移等因素對(duì)土壤溫度場(chǎng)及埋地管道非穩(wěn)態(tài)傳熱的影響非常明顯，因而需要準(zhǔn)確計(jì)算時(shí)必須加以考慮。

3) 隨著出站溫度的升高，進(jìn)站溫度也增加，但是進(jìn)站溫度的增加幅度要小于出站溫度的增加幅度，以沈首站至周徐村管段為例：出站溫度為63℃時(shí)，進(jìn)站溫度為46.6 ℃，而出站溫度為69℃時(shí)，進(jìn)站溫度為50.7℃，即出站溫度提升6℃時(shí)，相對(duì)應(yīng)的進(jìn)站溫度提升4.1℃。在更高的溫度范圍內(nèi)這種提升幅度差別更為明顯，因而，試圖采用提升出站溫度的方法來提高進(jìn)站溫度，往往收效不是很明顯，同時(shí)也不經(jīng)濟(jì)。

4) 隨著輸油溫度的降低，停輸后能滿足輸送條件的時(shí)間漸漸變小，以沈首站到周徐村站為例，出站溫度為72℃時(shí)，停輸后6 h管內(nèi)油品溫度還能滿足輸送條件；出站溫度為69℃時(shí)，停輸后5 h管內(nèi)油品溫度還能滿足輸送條件；出站溫度為66℃時(shí)，停輸后3.5 h管內(nèi)油品溫度還能滿足輸送條件。在設(shè)計(jì)輸油工藝時(shí)，對(duì)此應(yīng)充分考慮。

5) 考慮到沈興管線所輸送原油凝點(diǎn)高達(dá)41℃，建議開展原油降凝降粘研究，降低凝點(diǎn)，進(jìn)而降低允許的最低進(jìn)站溫度，最終降低加熱站出站溫度，以節(jié)省管道總運(yùn)行費(fèi)用，同時(shí)低凝又能夠提高熱油管道的安全性并且大多數(shù)降凝方法也兼有降粘效果，以期實(shí)現(xiàn)熱油管道的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

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A Study on Energy-Saving Technology of Shenxing Oil Pipeline

LI Houlin

(CollegeofGeophysicsandPetroleumResources,YangtzeUniversity,Wuhan,Hubei430100,China)

According to experimental data, the viscosity-temperature curve of Shenxing crude oil has been determined, and a coincidence viscosity-temperature equation of the oil has been regression. Based on the heat transfer theory, we made a numerical simulation of three-dimensional heat transfer conditions of the soil temperature along Shenxing hot oil pipeline by moisture-heat coupling model. Then, thermodynamics calculation of the hot oil pipeline after shutdown has been made. It shows that the pour point is 41℃. According to the relevant requirements of hot oil pipeline, 44℃ was allowed as a minimum inlet temperature. The factors, such as moisture migration, on soil temperature fields and unsteady heat transfer of buried pipelines can not be neglected. With the increase of temperature, inlet temperature also increased. But the inlet temperature increases less rapidly than outbound temperature increase. With the decreasing of oil temperature, the time which can meet the transport condition becomes gradually smaller after the shutdown. In consideration of the pour point of Shenxing crude oil up to 41℃, the pour point and viscosity reduction should be studied. We may reduce the minimum allowable inlet temperature by reducing the pour point. Then, we are reducing the outbound temperature of heating station in order to save the total running costs, while low pour point oil pipeline can also improve the security. In one word, it can achieve the safe and economic operation of hot oil pipeline by reducing pour point and viscosity.

Viscosity-temperature curve; Three-dimensional heat transfer; Temperature fields; Shutdown; Thermodynamic calculation

2017-01-19

李厚霖(1991-)，男，山東人，在讀碩士研究生，研究方向：地球物理測(cè)井，手機(jī)：13050856708，E-mail：1009799764@qq.com.

TE973

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.02.040