原油交替輸送過程中熱力計(jì)算的數(shù)學(xué)模型

原油交替輸送過程中熱力計(jì)算的數(shù)學(xué)模型

一、進(jìn)口原油與國產(chǎn)原油的順序輸送目前，中國原油年產(chǎn)量超過7000噸。雖然國際原油和國內(nèi)原油的混合運(yùn)輸技術(shù)尚不清楚，但可能會(huì)影響加工產(chǎn)品的質(zhì)量。分析表明,若將俄羅斯原油與大慶原油摻混,則難以再生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的潤(rùn)滑油。在這種情況下,不同種類的原油應(yīng)分儲(chǔ)分輸。成品油的順序輸送技術(shù)已較為完善,世界上有幾條大型管道(加拿大的省際管道、貫山管道等)甚至實(shí)現(xiàn)了原油與成品油的順序輸送。我國也先后在格拉、蘭成渝等多條成品油管道上實(shí)現(xiàn)了成品油順序輸送。這些成功的經(jīng)驗(yàn)和研究成果,都為實(shí)現(xiàn)進(jìn)口原油與國產(chǎn)原油的順序輸送提供了有益的借鑒。但上述順序輸送管道,所輸送的都是低凝油品,采用不加熱輸送方式,因而在研究中都未仔細(xì)考慮溫度的影響。由于進(jìn)口原油一般流動(dòng)性較好(如俄羅斯原油凝點(diǎn)在-10℃以下),可實(shí)現(xiàn)常溫輸送,而國產(chǎn)原油多為高粘易凝油需加熱輸送,進(jìn)口原油與國產(chǎn)原油的順序輸送實(shí)際上是一個(gè)冷熱油交替輸送的過程,在這個(gè)過程中,水力、熱力參數(shù)的分析是冷熱原油輸送技術(shù)的關(guān)鍵之一。經(jīng)文獻(xiàn)檢索,只發(fā)現(xiàn)美國加州的太平洋管道系統(tǒng)(PacificPipelineSystem,陸上管道)有冷熱油交替順序輸送的記載。該管道長(zhǎng)為209km,管徑為508mm,輸量為20668m3/d,1999年建成投入使用,順序輸送不同溫度的多種原油(文獻(xiàn)中提到了5種),其中SJVH重質(zhì)原油在32.0℃時(shí)的運(yùn)動(dòng)粘度為0.2m2/s,而LITE輕質(zhì)原油在21.1℃時(shí)的運(yùn)動(dòng)粘度只有0.000035m2/s,管道的運(yùn)行溫度范圍從環(huán)境溫度(18.8℃)到82.2℃,我國僅在湛江—茂名輸油管道上實(shí)行過大慶原油與勝利原油的順序輸送(這兩種原油均采用加熱輸送)。預(yù)見到進(jìn)口原油輸送的需要,本研究于2001年建立了描述冷熱油交替輸送過程中水力—熱力耦合問題的數(shù)學(xué)模型,編制了多泵站間冷熱油交替輸送過程水力、熱力計(jì)算軟件,結(jié)合鐵秦管道,對(duì)俄羅斯原油與大慶原油交替輸送過程的熱力狀況進(jìn)行了計(jì)算,目前已取得階段性成果。二、數(shù)學(xué)模型1、原油—管道在土壤中的傳熱采用二維導(dǎo)熱偏微分方程對(duì)原油管道在土壤中的傳熱進(jìn)行描述。土壤的導(dǎo)熱方程為:?Ts?τ=as(?2Ts?x2+?2Ts?y2)?Τs?τ=as(?2Τs?x2+?2Τs?y2)(1)當(dāng)x=0,且0≤y≤hc-D0/2或x=Xd,hc+D0/2≤y≤Yd時(shí),邊界條件為:?Ts?x=0?Τs?x=0(2)當(dāng)r=D0時(shí),且Tw=Ts,邊界條件為:λs?Ts?r=αh(Ty?Tw)λs?Τs?r=αh(Τy-Τw)(3)當(dāng)y=0時(shí),邊界條件為:λs?Ts?y=α0(Ts?Ta)λs?Τs?y=α0(Τs-Τa)(4)當(dāng)y=Yd時(shí),邊界條件為:Ts=Td(5)式中Ts——土壤的溫度,℃;τ——時(shí)間,s;as——土壤導(dǎo)溫系數(shù),m2/s;hc——管軸的埋深,m;D0——管道的最外層直徑,m;Xd——在x方向上管道熱力影響區(qū)域的距離,m;r——管子半徑,m;Ty——管內(nèi)油流的平均溫度,℃;Tw——管道最外壁面(計(jì)入防腐絕緣層厚度)的溫度,℃;λs——土壤的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·℃);αh——當(dāng)量換熱系數(shù)。α0——地表土壤與大氣間的換熱系數(shù),W/(m2·℃);Ta——地表處大氣的溫度,℃;Yd——在y方向上管道熱力影響區(qū)域的距離,m;Td——深度yd處的土壤自然地溫,℃。當(dāng)量換熱系數(shù)αh除包括原油至管內(nèi)壁的對(duì)流放熱系數(shù)α1外,還包括管壁、絕緣層和保溫層等在內(nèi)的各環(huán)層熱阻,其表達(dá)式為:αh=[D0α1d+∑i=1ND02λilnDiDi?1]?1αh=[D0α1d+∑i=1ΝD02λilnDiDi-1]-1(6)式中d——鋼管的內(nèi)徑,m;λi——第i環(huán)層導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·℃);Di——第i環(huán)層的外徑,m。初始條件為下列偏微分方程的解:?2Ts?x2+?2Ts?y2=0?2Τs?x2+?2Τs?y2=0(7)其邊界條件同式(2)～式(5)。用數(shù)值方法對(duì)上述方程進(jìn)行求解,可得到管道周圍土壤的溫度分布及管道與土壤間的換熱量。2、管內(nèi)油流的非穩(wěn)態(tài)傳熱與流動(dòng)針對(duì)冷熱油交替輸送的實(shí)際情況,以管內(nèi)油流的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程描述冷熱油交替輸送過程中的水力、熱力特征。連續(xù)性方程為:??τ(ρA)+??z(ρVA)=0??τ(ρA)+??z(ρVA)=0(8)動(dòng)量方程為:?V?τ+V?V?z=?gsinθ?1ρ?p?z?λdV22?V?τ+V?V?z=-gsinθ-1ρ?p?z-λdV22(9)能量方程為:??τ[(ρA)(u+V22+gH)]+??z×[(ρVA)(h+V22+gH)]=?qρVA(10)??τ[(ρA)(u+V22+gΗ)]+??z×[(ρVA)(h+V22+gΗ)]=-qρVA(10)式中ρ——原油密度,kg/m3;A——管道橫截面積,m2;V——原油流速,m/s;θ——管道與水平方向的夾角,(°);p——油流壓力,Pa;λ——原油導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·℃);u——原油的比內(nèi)能,J/kg;h——原油的比焓,J/kg;H——管道軸心的標(biāo)高,m;q——單位質(zhì)量流量原油在單位管長(zhǎng)上的散熱量,J/(kg·m)。根據(jù)管內(nèi)油流非穩(wěn)態(tài)水力、熱力過程中張馳時(shí)間的不同,在對(duì)上述方程進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化后,進(jìn)行數(shù)值求解。三、計(jì)算與實(shí)例分析以鐵秦管道為例,對(duì)其交替輸送俄羅斯原油與大慶原油過程的熱力工況及輸送方案進(jìn)行了計(jì)算與分析。1、供熱循環(huán)對(duì)管道溫度的影響以鐵嶺至新民站間管道為例進(jìn)行交替輸送熱力計(jì)算。選定的計(jì)算條件為,7天一個(gè)循環(huán)周期(俄羅斯油輸送3.9d,大慶油輸送3.1d),輸量為2000m3/h,計(jì)算時(shí)間為夏季三個(gè)月(13個(gè)循環(huán)批次),地溫為16℃(根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料得到的夏季鐵秦管道埋深處的平均地溫),大慶原油出站溫度為43℃,俄羅斯原油出站溫度為16℃。其中,大慶原油出站溫度根據(jù)鐵秦管道夏季優(yōu)化運(yùn)行熱力數(shù)據(jù)確定;在不加熱情況下,俄羅斯原油出站溫度不應(yīng)低于地溫,故選為16℃。計(jì)算時(shí)假定在冷熱油交替輸送的前一時(shí)刻,鐵嶺至新民管道段處于輸送單一大慶原油的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。在進(jìn)行冷熱油交替輸送后,形成了大慶油在前,俄羅斯原油在后的輸送順序。鐵嶺站輸送俄羅斯油3.9d后,切換大慶油再持續(xù)輸送3.1d,即完成了輸送7天的第一個(gè)循環(huán)。然后,再次切換俄羅斯油,開始下一個(gè)循環(huán)的輸送,直到鐵嶺至新民站間達(dá)到13次輸送循環(huán),完成三個(gè)月的輸送任務(wù)。圖1為第一個(gè)輸送循環(huán)中冷熱油油頭在管道中溫度的變化。在第一個(gè)輸送循環(huán)中,當(dāng)俄羅斯原油油頭到達(dá)新民進(jìn)站處(即92km處)時(shí),溫度升至22.7℃,與鐵嶺出站時(shí)的溫度相比,增幅達(dá)到6.7℃,由此可見,穩(wěn)定輸送大慶原油時(shí)形成的土壤溫度場(chǎng)對(duì)后續(xù)俄羅斯油的加熱作用明顯。由圖1還可以看出,在第一個(gè)循環(huán)周期中,大慶油頭到達(dá)新民進(jìn)站處(92km處)時(shí),在前行冷油形成的溫度場(chǎng)的環(huán)境下,其溫度已降至36.2℃。表1分別列出了13個(gè)循環(huán)中新民進(jìn)站處大慶油油尾和俄羅斯油油尾的進(jìn)站溫度。由表1數(shù)據(jù)可以看出,在交替輸送的前幾個(gè)循環(huán)中,俄羅斯油油尾和大慶油油尾的進(jìn)站溫度都有顯著變化,但循環(huán)次數(shù)達(dá)到4次后,即交替輸送約30天后,兩種原油油尾的進(jìn)站溫度變化很小,因此可以認(rèn)為,此后的交替輸送中管內(nèi)油溫將呈現(xiàn)周期性的變化。表2為各循環(huán)周期結(jié)束時(shí)新民進(jìn)站處管道周圍土壤溫度的計(jì)算數(shù)據(jù)。由表2可見,其數(shù)據(jù)與管內(nèi)油溫的變化相一致,在交替輸送的最初幾個(gè)循環(huán)中,當(dāng)每個(gè)輸送周期結(jié)束時(shí),新民進(jìn)站處的土壤溫度都有顯著的變化。但當(dāng)輸送循環(huán)達(dá)到4次后,因管內(nèi)油溫呈現(xiàn)周期性的變化,所以在隨后的每次循環(huán)完成時(shí),新民進(jìn)站處的土壤溫度也基本相同,即土壤溫度也呈現(xiàn)周期性變化。2、夏季地溫16熱水輸送運(yùn)行方案由于俄羅斯原油的凝點(diǎn)(-10℃以下)要大大低于管道埋深處地溫,因此輸送方案的可行性主要是考察在所要求的輸量及循環(huán)周期內(nèi)管道沿線大慶原油的進(jìn)站溫度是否低于33℃的控制溫度。由上述俄羅斯油與大慶油交替輸送過程的分析及計(jì)算可以看出,當(dāng)俄羅斯油前行,大慶油后行時(shí),大慶油油頭溫度降幅最大,因此大慶油頭的溫度是確定輸送方案可行性的關(guān)鍵。表3為平均地溫16℃的夏季三個(gè)月(13個(gè)循環(huán)批次)中,當(dāng)鐵嶺站大慶油加熱溫度為43℃,俄羅斯油不加熱(即16℃)、輸量為2000m3/h時(shí),各循環(huán)中后行大慶油油頭在新民站的進(jìn)站溫度。由表3可見,在交替輸送的前兩個(gè)循環(huán)中,后行大慶油頭的進(jìn)站溫度都高于33℃,但在隨后的循環(huán)中,大慶油頭溫度已低于33℃,所以要對(duì)輸送方案做必要的調(diào)整。若保持鐵嶺站大慶油加熱溫度43℃不變,在交替輸送兩個(gè)循環(huán)后,對(duì)原來不加熱的俄羅斯油升溫到20℃,按這一方案計(jì)算得到大慶油頭在新民站的進(jìn)站溫度見表4。由表4可見,將俄羅斯油出站溫度升至20℃后,在交替輸送的各循環(huán)中后行大慶油頭的進(jìn)站溫度都高于33℃。按上述方法,通過計(jì)算得到了夏季(地溫16℃)冷熱油交替輸送過程中鐵秦管道沿線其它各站可行的熱力運(yùn)行方案,見表5。根據(jù)表5的運(yùn)行方案,通過計(jì)算得到了13次交替輸送循環(huán)(即三個(gè)月)中,沿線各站大慶油油頭和俄羅斯油油頭的進(jìn)站溫度(見表6)。由表6可以看出,各站大慶油的進(jìn)站溫度都高于33℃。按相同方法可確定其它地溫與輸量條件下的運(yùn)行方案。需要特別指出的是,原油的熱物性參數(shù)與管道及周圍環(huán)境參數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果有顯著影響,為保證計(jì)算結(jié)果的可靠性,應(yīng)準(zhǔn)確選取有關(guān)參數(shù)。四、冷原油交替輸送過程中土壤溫度場(chǎng)的分布及熱力參數(shù)的變化(1)分別建立了描述冷熱油交替輸送管道在土壤中導(dǎo)熱以及管內(nèi)油流非穩(wěn)態(tài)傳熱與流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型,通過數(shù)值