海底含蠟原油管道停輸降溫過(guò)程研究

海底含蠟原油管道停輸降溫過(guò)程研究

0海底含蠟原油管道停輸溫降數(shù)值模擬結(jié)果原油耳波管道在運(yùn)行過(guò)程中受到間歇性輸油、油田停滯和管道維護(hù)等因素的影響，因此不可避免地會(huì)停止輸油。而停輸時(shí)間過(guò)長(zhǎng),會(huì)造成“凝管”事故,影響輸送的進(jìn)行。為避免“凝管”事故的發(fā)生,研究海底含蠟原油管道的停輸降溫過(guò)程,確定停輸最佳時(shí)間,為提出再啟動(dòng)方案,以及制定間歇輸送和停輸檢修計(jì)劃提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。在模擬海底含蠟原油管道停輸溫降過(guò)程中,關(guān)鍵要正確處理原油的自然對(duì)流換熱和具有移動(dòng)邊界的原油析蠟相變潛熱問(wèn)題。海底管道停輸期間,管壁處溫度下降很快,因而最先凝固,且放出潛熱;同時(shí)凝固界面逐漸向管中心移動(dòng),很可能與管壁不同心。因此,為了使模擬結(jié)果更接近實(shí)際,在計(jì)算過(guò)程中需考慮此種情況。本文針對(duì)海底含蠟原油管道運(yùn)行環(huán)境的特點(diǎn),建立了海底管道停輸時(shí)的非穩(wěn)態(tài)傳熱模型,考慮了原油自然對(duì)流換熱和凝固潛熱對(duì)溫降的影響,利用有限容積法對(duì)方程進(jìn)行離散,采用SIMPLE算法進(jìn)行求解,得到了海底含蠟原油管道停輸過(guò)程中管內(nèi)原油溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律,為合理制定停輸時(shí)間從而確保管道安全啟動(dòng)具有指導(dǎo)作用。1保溫層和原油凝點(diǎn)以海底含蠟原油管道為例,停輸初始油溫60℃,鋼管Φ508mm×7mm、Φ356mm×7mm和Φ219mm×7mm三種管徑,導(dǎo)熱系數(shù)45W/m·℃;鋼管外的保溫層為聚氨酯保溫材料,厚度35mm,導(dǎo)熱系數(shù)0.035W/m·℃;結(jié)蠟層厚度4mm,導(dǎo)熱系數(shù)2·5W/m·℃;原油凝點(diǎn)32℃;管外海泥溫度4℃、10℃、16℃。2模型的構(gòu)建2.1維物理模型管道停輸過(guò)程中,由于軸向溫降比徑向溫降小得多,故可以忽略軸向溫降,將三維模型簡(jiǎn)化為二維物理模型。圖1為海底含蠟原油管道橫截面示意圖,其中,R1和R4分別為結(jié)蠟層和保溫層半徑,R2和R3分別為管道內(nèi)徑和外徑。2.2數(shù)學(xué)模型綜合考慮管內(nèi)油流、管道結(jié)構(gòu)、管外海泥之間的相互影響,建立海底管道停輸過(guò)程的傳熱數(shù)學(xué)模型。(1)各因素的分量連續(xù)性方程?u?x+?v?y=0?u?x+?v?y=0(1)動(dòng)量守恒方程ρ0[?u?t+u?u?x+v?u?y]=Fx??p?x+η[?2u?x2+?2u?y2]ρ0[?u?t+u?u?x+v?u?y]=Fx-?p?x+η[?2u?x2+?2u?y2](2)ρ0[?v?t+u?v?x+v?v?y]=Fy??p?y+η[?2v?x2+?2v?y2]ρ0[?v?t+u?v?x+v?v?y]=Fy-?p?y+η[?2v?x2+?2v?y2](3)式中u——速度矢量在x方向的分量/m·s-1;v——速度矢量在y方向的分量/m·s-1;t——時(shí)間/s;Fx、Fy分別為體積力在x、y方向的分量;η——黏度系數(shù)/Pa·s;p——靜壓/Pa。能量守恒方程?T0?t+u?T0?x+v?T0?y=λ0ρ0cp0[?2T0?x2+?2T0?y2]?Τ0?t+u?Τ0?x+v?Τ0?y=λ0ρ0cp0[?2Τ0?x2+?2Τ0?y2](4)式中cp0——將析蠟潛熱轉(zhuǎn)換為附加比熱容后的等價(jià)比熱容。自然對(duì)流強(qiáng)度很弱時(shí),可認(rèn)為u=v=0。(2)管道各層tnrnn鋼管內(nèi)壁T0|r=R0?=T0|r=R0+Τ0|r=R0-=Τ0|r=R0+(5)靠近管壁處原油為液體時(shí),有?λ1?T1?r∣∣r=R0+=α0(T0?T1)-λ1?Τ1?r|r=R0+=α0(Τ0-Τ1)(6)靠近管壁處原油為固體時(shí),有λ0?T0?r∣∣r=R0?=λ1?T1?r∣∣r=R0+λ0?Τ0?r|r=R0-=λ1?Τ1?r|r=R0+(7)鋼管外壁及管道各層Tn|r=Rn?=Tn+1|r=Rn+Τn|r=Rn-=Τn+1|r=Rn+,n=1,2(8)λn?Tn?r∣∣r=Rn?=λn+1?Tn+1?r∣∣r=Rn+λn?Τn?r|r=Rn-=λn+1?Τn+1?r|r=Rn+,n=1,2(9)其中r=x2+y2??????√r=x2+y2(10)式中r——半徑/m;cp——比熱容/J·kg-1·℃-1;ρ——密度/kg·m-3;To0——管道停輸時(shí)原油的溫度/℃;λ——導(dǎo)熱系數(shù)/W·m-1·℃-1;Tw——管道外水的溫度/℃;α0——液態(tài)原油與管內(nèi)壁間的對(duì)流換熱系數(shù)/W·m-2·℃-1。下標(biāo)o表示原油,下標(biāo)1、2依次表示鋼管、保溫層。(3)原油初始條件T0=To0(11)管道各層Tn=fn(x,y)Τn=fn(x,y),n=1,2(12)3非穩(wěn)態(tài)相變傳熱過(guò)程機(jī)理海底含蠟原油管道經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行形成了穩(wěn)定的溫度場(chǎng),該溫度場(chǎng)是管道停輸時(shí)的初始條件,對(duì)管道停輸溫降具有重要影響。管道在停輸過(guò)程中,管內(nèi)含蠟原油的冷卻是一個(gè)具有移動(dòng)相界面的非穩(wěn)態(tài)相變傳熱過(guò)程,原油的物性隨溫度變化。隨著海底管道停輸時(shí)間的延長(zhǎng),管內(nèi)原油溫度的降低,蠟晶逐漸析出。在很寬的溫度范圍內(nèi),原油相變潛熱不斷釋放:當(dāng)原油溫度降低到一定值時(shí),高分子質(zhì)量的蠟就開(kāi)始從液相中結(jié)晶析出,并放出潛熱,此后不同分子質(zhì)量的蠟由高到低逐漸結(jié)晶析出。與水結(jié)晶傳熱過(guò)程的區(qū)別在于:當(dāng)原油溫度低于析蠟點(diǎn)時(shí),原油中的石蠟在整個(gè)管道截面上析出,而非只是膠凝原油界面上;其次,原油在膠凝過(guò)程中,膠凝界面中心很可能偏離管道中心成同心環(huán)狀。3.1不同停輸溫度分布由圖2可以看出,隨著停輸時(shí)間的延長(zhǎng),管內(nèi)油品溫度逐漸降低;在相同的停輸時(shí)刻,管中心溫度最高,半徑中心次之,壁面溫度最低,由此說(shuō)明在停輸過(guò)程中,管內(nèi)油品溫度由內(nèi)而外下降顯著。壁面溫度下降逐漸平緩,當(dāng)停輸時(shí)間達(dá)到30h時(shí),壁面溫度接近34℃,即高出凝點(diǎn)2℃,原油在壁面處開(kāi)始凝固,此時(shí)刻為停輸?shù)慕K止時(shí)刻,30h為最合理的停輸時(shí)間。3.2管道周?chē)Ｄ鄿囟扔蓤D3可以看出,隨著停輸時(shí)間的延長(zhǎng),海泥溫度為4℃的溫度曲線(xiàn)較之海泥溫度為10℃和16℃的溫度曲線(xiàn)下降的快,由此說(shuō)明在停輸過(guò)程中,管道周?chē)Ｄ嗟臏囟?影響停輸過(guò)程中的溫降,管道周?chē)Ｄ鄿囟仍降?管內(nèi)油品溫度下降的越快,停輸時(shí)間越短。3.3最佳安全停輸時(shí)間由圖4可以看出,隨著停輸時(shí)間的延長(zhǎng),大管徑管道較之小管徑管道溫度下降的緩慢,由此說(shuō)明在停輸過(guò)程中,管徑越小,溫度下降相對(duì)越迅速,越先達(dá)到凝固點(diǎn)以上2℃,即34℃,停輸所用時(shí)間越短。若以本算例模擬的管道截面溫降規(guī)律確定安全停輸時(shí)間,原油凝點(diǎn)32℃,原油終止停輸時(shí)的油溫比凝點(diǎn)高2℃,通過(guò)監(jiān)測(cè)管壁平均溫度,可以確定最佳安全停輸時(shí)間。管內(nèi)輸送原油的溫度為60℃,管道Φ508mm×7mm的安全停輸時(shí)間為30h,管道Φ356mm×7mm的安全停輸時(shí)間為25h,管道Φ219mm×7mm的安全停輸時(shí)間為22h。4不同停輸時(shí)間下管理狀況的變化通過(guò)對(duì)海底含蠟原油管道停輸溫降過(guò)程的數(shù)值模擬,得到了不同時(shí)刻管內(nèi)原油溫降的變化規(guī)律。海底含蠟原油管道的停輸溫降過(guò)程可分為三個(gè)階段:第一階段,以自然對(duì)流為主,管壁處溫度下降最快,高溫區(qū)位于管中心偏上的位置;第二階段,導(dǎo)熱和自然對(duì)流換熱同時(shí)存在,原油粘度逐漸升高,蠟晶