原油交替输送过程中热力计算的数学模型

原油交替输送过程中热力计算的数学模型

一、进口原油与国产原油的顺序输送目前，中国原油年产量超过7000吨。虽然国际原油和国内原油的混合运输技术尚不清楚，但可能会影响加工产品的质量。分析表明,若将俄罗斯原油与大庆原油掺混,则难以再生产出优质的润滑油。在这种情况下,不同种类的原油应分储分输。成品油的顺序输送技术已较为完善,世界上有几条大型管道(加拿大的省际管道、贯山管道等)甚至实现了原油与成品油的顺序输送。我国也先后在格拉、兰成渝等多条成品油管道上实现了成品油顺序输送。这些成功的经验和研究成果,都为实现进口原油与国产原油的顺序输送提供了有益的借鉴。但上述顺序输送管道,所输送的都是低凝油品,采用不加热输送方式,因而在研究中都未仔细考虑温度的影响。由于进口原油一般流动性较好(如俄罗斯原油凝点在-10℃以下),可实现常温输送,而国产原油多为高粘易凝油需加热输送,进口原油与国产原油的顺序输送实际上是一个冷热油交替输送的过程,在这个过程中,水力、热力参数的分析是冷热原油输送技术的关键之一。经文献检索,只发现美国加州的太平洋管道系统(PacificPipelineSystem,陆上管道)有冷热油交替顺序输送的记载。该管道长为209km,管径为508mm,输量为20668m3/d,1999年建成投入使用,顺序输送不同温度的多种原油(文献中提到了5种),其中SJVH重质原油在32.0℃时的运动粘度为0.2m2/s,而LITE轻质原油在21.1℃时的运动粘度只有0.000035m2/s,管道的运行温度范围从环境温度(18.8℃)到82.2℃,我国仅在湛江—茂名输油管道上实行过大庆原油与胜利原油的顺序输送(这两种原油均采用加热输送)。预见到进口原油输送的需要,本研究于2001年建立了描述冷热油交替输送过程中水力—热力耦合问题的数学模型,编制了多泵站间冷热油交替输送过程水力、热力计算软件,结合铁秦管道,对俄罗斯原油与大庆原油交替输送过程的热力状况进行了计算,目前已取得阶段性成果。二、数学模型1、原油—管道在土壤中的传热采用二维导热偏微分方程对原油管道在土壤中的传热进行描述。土壤的导热方程为:∂Ts∂τ=as(∂2Ts∂x2+∂2Ts∂y2)∂Τs∂τ=as(∂2Τs∂x2+∂2Τs∂y2)(1)当x=0,且0≤y≤hc-D0/2或x=Xd,hc+D0/2≤y≤Yd时,边界条件为:∂Ts∂x=0∂Τs∂x=0(2)当r=D0时,且Tw=Ts,边界条件为:λs∂Ts∂r=αh(Ty−Tw)λs∂Τs∂r=αh(Τy-Τw)(3)当y=0时,边界条件为:λs∂Ts∂y=α0(Ts−Ta)λs∂Τs∂y=α0(Τs-Τa)(4)当y=Yd时,边界条件为:Ts=Td(5)式中Ts——土壤的温度,℃;τ——时间,s;as——土壤导温系数,m2/s;hc——管轴的埋深,m;D0——管道的最外层直径,m;Xd——在x方向上管道热力影响区域的距离,m;r——管子半径,m;Ty——管内油流的平均温度,℃;Tw——管道最外壁面(计入防腐绝缘层厚度)的温度,℃;λs——土壤的导热系数,W/(m·℃);αh——当量换热系数。α0——地表土壤与大气间的换热系数,W/(m2·℃);Ta——地表处大气的温度,℃;Yd——在y方向上管道热力影响区域的距离,m;Td——深度yd处的土壤自然地温,℃。当量换热系数αh除包括原油至管内壁的对流放热系数α1外,还包括管壁、绝缘层和保温层等在内的各环层热阻,其表达式为:αh=[D0α1d+∑i=1ND02λilnDiDi−1]−1αh=[D0α1d+∑i=1ΝD02λilnDiDi-1]-1(6)式中d——钢管的内径,m;λi——第i环层导热系数,W/(m·℃);Di——第i环层的外径,m。初始条件为下列偏微分方程的解:∂2Ts∂x2+∂2Ts∂y2=0∂2Τs∂x2+∂2Τs∂y2=0(7)其边界条件同式(2)～式(5)。用数值方法对上述方程进行求解,可得到管道周围土壤的温度分布及管道与土壤间的换热量。2、管内油流的非稳态传热与流动针对冷热油交替输送的实际情况,以管内油流的连续性方程、动量方程和能量方程描述冷热油交替输送过程中的水力、热力特征。连续性方程为:∂∂τ(ρA)+∂∂z(ρVA)=0∂∂τ(ρA)+∂∂z(ρVA)=0(8)动量方程为:∂V∂τ+V∂V∂z=−gsinθ−1ρ∂p∂z−λdV22∂V∂τ+V∂V∂z=-gsinθ-1ρ∂p∂z-λdV22(9)能量方程为:∂∂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——管道横截面积,m2;V——原油流速,m/s;θ——管道与水平方向的夹角,(°);p——油流压力,Pa;λ——原油导热系数,W/(m·℃);u——原油的比内能,J/kg;h——原油的比焓,J/kg;H——管道轴心的标高,m;q——单位质量流量原油在单位管长上的散热量,J/(kg·m)。根据管内油流非稳态水力、热力过程中张驰时间的不同,在对上述方程进行适当简化后,进行数值求解。三、计算与实例分析以铁秦管道为例,对其交替输送俄罗斯原油与大庆原油过程的热力工况及输送方案进行了计算与分析。1、供热循环对管道温度的影响以铁岭至新民站间管道为例进行交替输送热力计算。选定的计算条件为,7天一个循环周期(俄罗斯油输送3.9d,大庆油输送3.1d),输量为2000m3/h,计算时间为夏季三个月(13个循环批次),地温为16℃(根据相关统计资料得到的夏季铁秦管道埋深处的平均地温),大庆原油出站温度为43℃,俄罗斯原油出站温度为16℃。其中,大庆原油出站温度根据铁秦管道夏季优化运行热力数据确定;在不加热情况下,俄罗斯原油出站温度不应低于地温,故选为16℃。计算时假定在冷热油交替输送的前一时刻,铁岭至新民管道段处于输送单一大庆原油的稳定运行状态。在进行冷热油交替输送后,形成了大庆油在前,俄罗斯原油在后的输送顺序。铁岭站输送俄罗斯油3.9d后,切换大庆油再持续输送3.1d,即完成了输送7天的第一个循环。然后,再次切换俄罗斯油,开始下一个循环的输送,直到铁岭至新民站间达到13次输送循环,完成三个月的输送任务。图1为第一个输送循环中冷热油油头在管道中温度的变化。在第一个输送循环中,当俄罗斯原油油头到达新民进站处(即92km处)时,温度升至22.7℃,与铁岭出站时的温度相比,增幅达到6.7℃,由此可见,稳定输送大庆原油时形成的土壤温度场对后续俄罗斯油的加热作用明显。由图1还可以看出,在第一个循环周期中,大庆油头到达新民进站处(92km处)时,在前行冷油形成的温度场的环境下,其温度已降至36.2℃。表1分别列出了13个循环中新民进站处大庆油油尾和俄罗斯油油尾的进站温度。由表1数据可以看出,在交替输送的前几个循环中,俄罗斯油油尾和大庆油油尾的进站温度都有显著变化,但循环次数达到4次后,即交替输送约30天后,两种原油油尾的进站温度变化很小,因此可以认为,此后的交替输送中管内油温将呈现周期性的变化。表2为各循环周期结束时新民进站处管道周围土壤温度的计算数据。由表2可见,其数据与管内油温的变化相一致,在交替输送的最初几个循环中,当每个输送周期结束时,新民进站处的土壤温度都有显著的变化。但当输送循环达到4次后,因管内油温呈现周期性的变化,所以在随后的每次循环完成时,新民进站处的土壤温度也基本相同,即土壤温度也呈现周期性变化。2、夏季地温16热水输送运行方案由于俄罗斯原油的凝点(-10℃以下)要大大低于管道埋深处地温,因此输送方案的可行性主要是考察在所要求的输量及循环周期内管道沿线大庆原油的进站温度是否低于33℃的控制温度。由上述俄罗斯油与大庆油交替输送过程的分析及计算可以看出,当俄罗斯油前行,大庆油后行时,大庆油油头温度降幅最大,因此大庆油头的温度是确定输送方案可行性的关键。表3为平均地温16℃的夏季三个月(13个循环批次)中,当铁岭站大庆油加热温度为43℃,俄罗斯油不加热(即16℃)、输量为2000m3/h时,各循环中后行大庆油油头在新民站的进站温度。由表3可见,在交替输送的前两个循环中,后行大庆油头的进站温度都高于33℃,但在随后的循环中,大庆油头温度已低于33℃,所以要对输送方案做必要的调整。若保持铁岭站大庆油加热温度43℃不变,在交替输送两个循环后,对原来不加热的俄罗斯油升温到20℃,按这一方案计算得到大庆油头在新民站的进站温度见表4。由表4可见,将俄罗斯油出站温度升至20℃后,在交替输送的各循环中后行大庆油头的进站温度都高于33℃。按上述方法,通过计算得到了夏季(地温16℃)冷热油交替输送过程中铁秦管道沿线其它各站可行的热力运行方案,见表5。根据表5的运行方案,通过计算得到了13次交替输送循环(即三个月)中,沿线各站大庆油油头和俄罗斯油油头的进站温度(见表6)。由表6可以看出,各站大庆油的进站温度都高于33℃。按相同方法可确定其它地温与输量条件下的运行方案。需要特别指出的是,原油的热物性参数与管道及周围环境参数对计算结果有显著影响,为保证计算结果的可靠性,应准确选取有关参数。四、冷原油交替输送过程中土壤温度场的分布及热力参数的变化(1)分别建立了描述冷热油交替输送管道在土壤中导热以及管内油流非稳态传热与流动的数学模型,通过数值