邱亮亮，杜明俊，甄 潔，李 鑫

1.中國石油華北油田二連分公司，內(nèi)蒙古二連浩特 011100

2.中國石油工程建設(shè)有限公司華北分公司，河北任丘 062552

3.中國石油華北油田公司多元開發(fā)事業(yè)部，河北任丘 062552

目前，國內(nèi)陸上整裝大型油田已基本開發(fā)完畢，前期探明的部分零散劣質(zhì)區(qū)塊正逐步得到開發(fā)和利用，對(duì)于這些油田而言，由于地面條件復(fù)雜、井位相對(duì)分散、原油品質(zhì)較差，導(dǎo)致整個(gè)開發(fā)成本及系統(tǒng)能耗較常規(guī)油田均有明顯提高[1]。

常規(guī)的單井集輸工藝主要有井口加熱工藝、單管摻水工藝及雙管伴熱工藝等[2]。針對(duì)外圍零散區(qū)塊依托條件差的特點(diǎn)，采用常規(guī)單井集輸工藝存在前期建設(shè)投資高、運(yùn)行效率低、能耗大等問題，因此需要結(jié)合零散區(qū)塊的特點(diǎn)，選擇適宜的集輸工藝。單井集輸要解決的首要問題就是確保管內(nèi)原油安全、穩(wěn)定地輸送至轉(zhuǎn)油站或聯(lián)合站。影響輸送的關(guān)鍵因素是溫度，即原油在集輸過程中要保持一個(gè)最佳的輸送溫度。

內(nèi)置式集膚電伴熱系統(tǒng)是一種基于電流的集膚效應(yīng)及鄰近效應(yīng)的電伴熱系統(tǒng)[3-5]。所謂集膚效應(yīng)是指交流電通過導(dǎo)體時(shí)電流逐漸趨膚在導(dǎo)體表面的一種現(xiàn)象；而鄰近效應(yīng)則是兩個(gè)相鄰導(dǎo)體通以反向電流時(shí)，電流主要集中在導(dǎo)體鄰近側(cè)。集膚電伴熱系統(tǒng)產(chǎn)生的焦耳熱主要來自于三部分：一是加熱管上產(chǎn)生的電阻熱，二是加熱管內(nèi)部電纜通電所產(chǎn)生的電阻熱，三是加熱管處于交變磁場中所產(chǎn)生的磁阻熱。

為了深入研究內(nèi)置式集膚電伴熱管在集輸管道內(nèi)的傳熱特性，建立了三維管道傳熱數(shù)學(xué)模型，并開展數(shù)值模擬研究，分析了流速、比熱及導(dǎo)熱系數(shù)等對(duì)管內(nèi)原油傳熱特性的影響，所得成果可為該技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 模型的建立

1.1 網(wǎng)格模型

以華北油田外圍某新開發(fā)區(qū)塊為例，單井集輸管道規(guī)格為D89 mm×4 mm，內(nèi)置式集膚電伴熱管的直徑為10 mm。根據(jù)電伴熱管道系統(tǒng)實(shí)際安裝尺寸，建立單位管長傳熱物理模型，采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行單元?jiǎng)澐?，由于靠近伴熱管外壁處溫度梯度較大，故對(duì)局部網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，計(jì)算區(qū)域的單元網(wǎng)格模型見圖1。

圖1 物理模型的網(wǎng)格劃分

1.2 數(shù)學(xué)模型

分析管道內(nèi)置式集膚電伴熱系統(tǒng)的特點(diǎn)可知，該系統(tǒng)主要依靠集膚電伴熱管向管內(nèi)原油輸送熱量，從而維持運(yùn)行所需要的溫度。因?yàn)楣軆?nèi)原油是流動(dòng)的，所以整個(gè)傳熱過程是一個(gè)流動(dòng)與傳熱相互耦合作用的過程。

數(shù)學(xué)模型的描述涉及連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程和湍流方程[6-8]。

式中：ρ為流體密度，kg/m3；t為管道運(yùn)行時(shí)間，s；ui、uj為速度矢量，m/s；gi為重力體積力，N；Fi為外部體積力，N；P為流體微元靜壓，Pa；τij為應(yīng)力張量，Pa；E為流體內(nèi)能，J；keff為有效熱傳導(dǎo)系數(shù)，W/（m2·℃）；xi、xj表示空間不同方向；hj為擴(kuò)散系數(shù)；Jj為組分?jǐn)U散通量；j為組分個(gè)數(shù)。

1.3 邊界條件

油流與伴熱管外壁面為流固耦合傳熱，即各交界面處靠近壁面的流體被滯止而處于無滑移狀態(tài)，耦合界面上的熱流密度連續(xù)。

式中：λs為固體導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；λl為流體導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；Ts、Tl分別為流固耦合界面處固體溫度和流體溫度，K。

管道入口采用速度邊界條件，出口采用自由出口邊界條件。

2 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

以華北油田外圍區(qū)塊某新開發(fā)單井為例，該井日產(chǎn)原油15t（含水較低，可忽略），折合管道流速0.04m/s，內(nèi)置式集膚電伴熱管功率為30W/m，管內(nèi)原油的初始溫度為20℃，密度為854kg/m3，比熱為2.46kJ/（kg·K），導(dǎo)熱系數(shù)為 0.135W/（m·K），黏度為 32mPa·s。

數(shù)值模擬時(shí)取管長1 m，圖2給出了管道軸向中心0.5 m處不同時(shí)間的截面溫度場云圖。

圖2 管道軸向中心0.5 m處截面溫度場云圖/K

由模擬結(jié)果可知：在管內(nèi)原油流動(dòng)的情況下，隨著加熱時(shí)間的延長，除靠近伴熱管附近區(qū)域的油溫相對(duì)較高外，其他區(qū)域油溫分布較為均勻，沒有太大的溫度梯度，進(jìn)一步揭示了內(nèi)置式集膚電伴熱的傳熱特性。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因主要是流動(dòng)的原油從入口處開始被加熱，在向后流動(dòng)的過程中不斷吸收伴熱管的熱量，并依靠流體層間熱交換不斷向管道徑向傳遞熱量，進(jìn)而確保溫度分布均勻。

圖3、圖4分別給出了管道中心橫截面、縱向截面的速度場云圖。

圖3 管道軸向中心橫截面處的速度場云圖

圖4 管道縱向截面處的速度場云圖

從速度場的分布來看，原油在管內(nèi)流動(dòng)屬于環(huán)狀流，伴熱管外表面及管道內(nèi)壁速度最低，中心區(qū)域速度相對(duì)較高，但速度梯度較小，這也是原油流動(dòng)及吸熱過程中，管內(nèi)油溫分布相對(duì)均勻的原因。

圖5給出了管內(nèi)原油平均溫度隨加熱時(shí)間變化曲線。

圖5 管內(nèi)原油平均溫度隨加熱時(shí)間變化曲線

由圖5分析可知：靠近集膚電伴熱管外表面的油溫隨著加熱時(shí)間的延長，溫升較快，當(dāng)加熱到一定時(shí)間后，溫升逐步減緩，從曲線的變化規(guī)律來看，除了伴熱管附近原油溫度梯度較大，其他區(qū)域溫度基本都是整體升高，較為均勻，進(jìn)一步證明了內(nèi)置式集膚電伴熱在集輸管道伴熱方式上的優(yōu)勢。

圖6給出了不同加熱時(shí)間管道中心截面處溫度隨徑向距離變化的曲線。

圖6 溫度隨徑向距離變化的曲線

結(jié)合數(shù)據(jù)分析可知：加熱初期管內(nèi)原油的溫升較快，基本呈現(xiàn)線性變化，隨著加熱時(shí)間的延長，管內(nèi)原油升溫逐步趨于平穩(wěn)。這主要是由于初始時(shí)刻伴熱管外表面溫度與初始原油溫差較大，提高了換熱效率，隨著時(shí)間的延長，伴熱管不斷向原油傳遞熱量，管內(nèi)油溫不斷升高，溫度梯度逐步減小，且加熱功率基本達(dá)到了流動(dòng)原油的升溫極限，伴熱管已經(jīng)由加熱裝置逐步轉(zhuǎn)化為維持溫度狀態(tài)。

3 傳熱特性影響因素分析

3.1 原油比熱及導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)傳熱特性的影響

保持其他條件不變，按照0.1 kJ/（kg·K） 的步幅，將原油的比熱由2.46 kJ/（kg·K） 逐漸升至2.76 kJ/（kg·K）。通過模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在集膚電伴熱管加熱功率一定的情況下，增大原油比熱，管內(nèi)油溫略有降低，但是降幅不大。這主要是因?yàn)樵龃笤捅葻岷筇岣吡嗽偷男顭崮芰Γ虼?，相同的加熱條件，油溫有所降低。由于計(jì)算過程比熱按照0.1 kJ/（kg·K） 遞增，數(shù)值較小，故溫降幅值較小。

同樣，保持其他條件不變，按照0.01W/（m·K）的步幅，將原油的導(dǎo)熱系數(shù)由0.135 W/（m·K） 逐漸升至0.175 W/（m·K）。通過模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)，原油導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)集膚電伴熱管加熱過程中的傳熱特性沒有影響。

3.2 流速對(duì)傳熱特性的影響

圖7給出了相同加熱功率下，不同進(jìn)口流速對(duì)管內(nèi)原油溫升的影響。

圖7 不同進(jìn)口流速下管內(nèi)原油平均溫度與時(shí)間的關(guān)系曲線

由圖7分析可知：隨著管內(nèi)原油流速的增大，初始一定時(shí)間內(nèi)，原油溫升隨流速的增大而增大。這主要是由于初始溫差大，提高流速增大了傳熱系數(shù)。當(dāng)加熱到一定時(shí)間后，流速對(duì)加熱特性的影響逐步降低。這主要是由于在加熱功率一定的情況下，隨著加熱時(shí)間的延長，管內(nèi)原油溫度場逐步趨于平穩(wěn)，流速越快達(dá)到平穩(wěn)的時(shí)間越短。

3.3 停輸對(duì)傳熱特性的影響

對(duì)油田的集輸管道來說，通常不考慮清管作業(yè)，但是日常的檢、維修作業(yè)以及第三方破壞導(dǎo)致的短時(shí)關(guān)井在所難免。這就要求集輸管道停輸期間，管內(nèi)原油維持一定的安全溫度。圖8給出了管道停輸不同時(shí)間后，管內(nèi)原油的溫度場分布規(guī)律。

圖8 停輸過程管道中心0.5 m處截面溫度場云圖/K

結(jié)合圖8分析可知：當(dāng)管內(nèi)原油處于停輸狀態(tài)時(shí)，集膚電伴熱管作為熱源給原油加熱保持一定的溫度，由于原油處于靜止?fàn)顟B(tài)，整個(gè)加熱過程主要是液體分子間的熱傳導(dǎo)，與流動(dòng)狀態(tài)的傳熱特性有較大差異。從不同加熱時(shí)間的溫度場云圖可以看出，靠近伴熱管外壁面的溫度不斷升高，管內(nèi)原油的溫度場呈現(xiàn)同心環(huán)形，且徑向上溫度梯度逐步增大。隨著加熱時(shí)間的延長，伴熱管附近的原油會(huì)出現(xiàn)超高溫的情況，這也是應(yīng)用內(nèi)置式集膚電伴熱應(yīng)該注意的地方。

4 結(jié)論

通過對(duì)內(nèi)置式集膚電伴熱的輸油管道傳熱特性的研究發(fā)現(xiàn)，在集輸管道正常運(yùn)行時(shí)，管內(nèi)溫度分布均勻，伴熱管外表面溫度可控，不存在高溫情況。集輸管道因關(guān)井而停輸時(shí)，由于原油不流動(dòng)，伴熱管外表面原油會(huì)出現(xiàn)局部高溫情況，生產(chǎn)作業(yè)時(shí)，需要注意調(diào)整加熱時(shí)間和加熱功率。適當(dāng)提高管道內(nèi)原油的流速可以加快溫升過程，使管內(nèi)原油溫度場盡快進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，但是最終的溫度依然取決于集膚電伴熱管的發(fā)熱功率，原油比熱對(duì)整個(gè)傳熱過程具有一定的影響，導(dǎo)熱系數(shù)沒有影響。