原油管道预热投产热力过程仿真方法
【专利摘要】本发明公开了一种原油管道预热投产热力过程仿真方法，包括：对预热方式选择以及安全性评价进行设置；输入各站间管道参数、介质和土壤物性；导入计算网格；计算参数初始化并利用有限容积法与有限差分法计算土壤温度场、计算管流和土壤之间的换热量、热力特征线法求解管流介质相关参数；得到管段后一节点的温度、压力；确定管道沿线各节点运行参数；预热安全性评价并对结果进行输出。
【专利说明】原油管道预热投产热力过程仿真方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及石油远程输送【技术领域】，尤其涉及一种原油管道预热投产热力过程仿 真方法。
【背景技术】
[0002] 管道运输作为现代运输体系的重要组成部分，具有运输成本低、安全可靠性高以 及环境污染小等独特优势，尤其适于原油、成品油及天然气等易燃易爆危险品的长距离运 输。
[0003] 近年来，随着世界新兴经济体经济稳步增长和发达经济体经济复苏，世界主要大 国对能源的需求日益提高，油气管道的建设步伐也因此加快。截至2008年底，世界原油管 道干线总长度已超过40X 104km。我国也迎来了新一轮的管道建设高潮，预计到"十二五" 末期，我国管道总里程将突破15X10 4km。届时，长距离输送管道将承担我国70%的原油输 送任务。
[0004] 随着我国管道行业"立足国内，开拓海外"战略的实施，西部原油管道、苏丹1/2/4 区原油管道、苏丹3/7区原油管道和中俄原油管道等一系列国内外大型管道工程建成投 产。随着国家战略能源通道的建设，还将有大批原油管道工程建成并投入生产运行。这些 原油管道工程中，有很大一部分是加热输送的原油管道。这些热油管道的安全、稳定运行， 对于保障国家能源安全具有重要意义。
[0005] 作为由建设施工转入生产运行的关键阶段，热油管道的投产过程对于检测管道的 设计和施工质量具有重要意义。不同于等温输送的原油管道，热油管道在投产过程中，管道 及其周围土壤温度场始终处于瞬变状态，并且这是一个涉及管内介质流动与传热耦合和管 内介质换热与管外土壤导热耦合的双耦合问题，此阶段任何事故或计划停输都将增大凝管 风险。
[0006] 因此，为使管道安全、平稳地转入正常运行阶段，需要对热油管道在预热投产阶段 所涉及的热力过程进行清晰的描绘。对此，针对上述管道输送仿真软件依然是个空白。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提供一种原油管道预热投产热力过程仿真方法，以解决上述问 题。
[0008] 为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
[0009] -种原油管道预热投产热力过程仿真方法，包括如下步骤：
[0010] 对预热方式选择以及安全性评价进行设置；
[0011] 输入各站间管道参数、介质和土壤物性；
[0012] 导入计算网格；
[0013] 计算参数初始化并利用有限容积法与有限差分法计算土壤温度场、计算管流和土 壤之间的换热量、热力特征线法求解管流介质相关参数；得到管段后一节点的温度、压力；
[0014] 确定管道沿线各节点运行参数；
[0015] 预热安全性评价并对结果进行输出。
[0016] 较佳地，还包括如下步骤：
[0017] 停输初始化；
[0018] 管内介质区域网格划分；
[0019] 判断相界面位置是否存在自然对流；
[0020] 若是，则计算当量导热系数，并对管内介质温度与土壤温度耦合求解；若否，则直 接对管内介质温度与土壤温度耦合求解；
[0021] 对停输时间进行判断，并输出停输的计算结果。
[0022] 较佳地，还包括如下步骤：
[0023] 再启动安全评价初始化；
[0024] 对管内介质移动网格进行网格划分并进行水力计算；
[0025] 对管道及其周围土壤固定网格进行网格划分并进行热力计算；
[0026] 确定网格之间参数插值；
[0027] 确定各节点运行参数，对再启动时间进行判断，并输出再启动的计算结果。
[0028] 与现有技术相比，本发明实施例的优点在于：
[0029] 本发明提供的一种原油管道预热投产热力过程仿真方法，上述模拟方法适用于大 量数据的处理，适用于复杂地形的长距离输油管道的热力过程仿真过程模拟。埋地热油管 道在预热投产过程中，管道及周围土壤温度场始终处于瞬变状态，期间任何事故或计划停 输都会增大凝管风险。为使管道安全地转入正常生产运行，需要对预热过程中涉及的热力 过程进行精确地描绘。
【专利附图】
【附图说明】
[0030] 图1为本发明实施例一提供的原油管道预热投产热力过程仿真方法的基本流程 示意图；
[0031] 图2. 1为本发明实施例一涉及的预热过程中正常输送工况计算流程图；
[0032] 图2. 2为本发明实施例一涉及的预热过程中停输工况计算流程图；
[0033] 图2. 3为本发明实施例一涉及的预热过程再启动安全评价计算流程图；
[0034] 图2. 4为本发明实施例一涉及的计算类型选择界面；
[0035] 图2. 5为本发明实施例一涉及的基本参数设置界面；
[0036] 图2. 6为本发明实施例一涉及的管流介质参数设置界面；
[0037] 图2. 7为本发明实施例一涉及的站间参数设置界面；
[0038] 图2. 8为本发明实施例一涉及的沿线介质温度分布显示界面；
[0039] 图2. 9为本发明实施例一涉及的管道截面土壤温度场显示界面；
[0040] 图2. 10为本发明实施例一涉及的正向预热结束时管道沿线油温分布；
[0041] 图2. 11为本发明实施例一涉及的反向预热结束时管道沿线油温分布；
[0042] 图2. 12为本发明实施例一涉及的管道周围土壤温度场。
【具体实施方式】
[0043] 下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
[0044] 实施例一
[0045] 参见图1，本发明实施例一提供了一种原油管道预热投产热力过程仿真方法，包括 如下步骤：
[0046] 步骤S100、对预热方式选择以及安全性评价进行设置；
[0047] 步骤S200、输入各站间管道参数、介质和土壤物性；
[0048] 步骤S300、导入计算网格；
[0049] 步骤S400、计算参数初始化并利用有限容积法与有限差分法计算土壤温度场、计 算管流和土壤之间的换热量、热力特征线法求解管流介质相关参数；得到管段后一节点的 温度、压力；即利用有限容积法与有限差分法等方法，可求解得到管流介质相关参数。
[0050] 步骤S500、确定管道沿线各节点运行参数；
[0051] 步骤S600、预热安全性评价并对结果进行输出。
[0052] 较佳地，还包括如下步骤：
[0053] 停输初始化；
[0054] 管内介质区域网格划分；
[0055] 判断相界面位置是否存在自然对流；
[0056] 若是，则计算当量导热系数，并对管内介质温度与土壤温度耦合求解；若否，则直 接对管内介质温度与土壤温度耦合求解；
[0057] 对停输时间进行判断，并输出停输的计算结果。
[0058] 较佳地，还包括如下步骤：
[0059] 再启动安全评价初始化；
[0060] 对管内介质移动网格进行网格划分并进行水力计算；
[0061] 对管道及其周围土壤固定网格进行网格划分并进行热力计算；
[0062] 确定网格之间参数插值；
[0063] 确定各节点运行参数，对再启动时间进行判断，并输出再启动的计算结果。
[0064] 上述仿真方法结合工程实际需求，对管道预热投产过程进行了合理简化，建立了 描述管内介质与管道周围土壤换热的物理模型，采用非结构化四边形网格和极坐标网格对 土壤及管壁区域进行了离散，应用有限容积法得到了离散的控制方程。开发了界面友好的 原油管道预热投产热力计算软件，并应用阿贾德姆原油管道工程投产过程中的实际数据对 所编制软件的准确性和适用性进行了验证。
[0065] 下面对本发明实施例提供的原油管道预热投产热力过程仿真方法（即相关软件 开发）的具体特征做一下说明：
[0066] 原油管道预热投产热力过程仿真方法在对新建埋地热油管道的启输过程或在役 低凝原油管道改输高凝原油的切换过程进行热力仿真和停输再启动分析。该开发出来的软 件亦可作为辅助决策工具用于不同预热方案的比选与分析。软件采用Fortran77语言将上 述流动与传热双f禹合问题的求解过程程序化，并与Microsoft Visual Basic6.0开发的交 互界面集成，采用Windows用户界面的风格，使用简单方便。输入的数据可保存，方便快捷 且便于修改；结果以图形形式输出，直观明了且信息丰富。
[0067] 首先介绍所开发软件的基本功能，并以尼日尔阿贾德姆原油管道工程的实际参 数，介绍软件各模块的功能及其使用方法，最后采用阿贾德姆原油管道工程投产过程中的 实际数据对所编制软件的准确性与适用性进行验证。
[0068] 3· 1软件基本功能：
[0069] 在对国内外多条埋地热油管道投产过程进行文献调研的基础上，紧密结合埋地热 油管道启输投产期间面临的实际问题，综合考虑埋地热油管道预热投产过程中可能出现的 各种工况，开发了《原油管道预热投产热力计算软件》。软件主要具有如下功能：
[0070] (1)管道投产工况模拟
[0071] 根据现有的投产方式，软件固化了新建埋地热油管道正向预热、正反向预热（初 始土壤温度场均为自然状态）以及在役低凝油管道改输高凝油切换过程（初始土壤温度场 为低凝油管道运行稳态温度场）三种不同的热力计算模式。对于三种热力计算模式，均可 以对管道全线（允许热站、泵站不联合布站）原油温度分布、摩阻与管道周围土壤温度场进 行一体化计算。对于管道投产阶段的计划停输或事故停输，可以对管道全线原油的温降、管 道周围土壤温度随停输时间的变化进行计算，并以此进行管道的再启动安全性评价，可以 对给定再启动方式（恒流量再启动、恒压力再启动和根据泵特性曲线再启动）下的管道沿 线流量恢复情况、原油温度、压力变化以及管道周围土壤温度场变化等相关工艺参数进行 预测。
[0072] (2)计算结果输出
[0073]用户可根据实际需要，对软件计算结果进行数据文件的输出。软件支持的输出文 件有：任意时刻管道沿线介质温度分布、管道沿线任意位置管内介质平均温度随时间的变 化、管道沿线任意位置的土壤监测点温度随时间的变化、管道沿线任意截面在任意时刻的 土壤温度分布，以及管道在任意工况下停输后，再启动过程管道沿线压力、流量和温度随时 间的变化。
[0074] (3)计算结果图形化显示
[0075] 为使计算结果展现形式更加直观，软件可对管道正常运行、预热结束时刻的全线 介质温度分布、摩阻进行图形化显示。此外，为掌握土壤蓄热规律并辅助进行安全性评价， 软件对Tecplot 9. 0软件的部分功能进行了再现，可显示任意时刻管道沿线任意截面处的 土壤温度分布。
[0076] 3. 2软件设计与开发：
[0077] 为实现上述软件功能，根据图2. 1至图2. 3所示的正常输送工况、停输工况和再启 动安全评价的计算流程图，开发了模块化的《原油管道预热投产热力计算软件》，主要包含 安装界面、主界面、基本参数输入、工况模拟及计算结果输出与图形化显示五个模块。
[0078] (1)安装界面
[0079] 双击"原油管道预热投产热力计算软件安装程序· exe"文件，选择软件安装位置， 按照提示进行安装即可。
[0080] (2)主界面
[0081] 软件安装完成后，通过双击安装目录下的"原油管道预热投产热力计算软件.exe" 可执行文件，即可进行登录。输入符合授权的用户名和密码后，即可进入软件主界面。软 件的主界面上共有5个标题栏，分别对应软件的不同功能，即"文件（F) "、"计算参数设置 (E)"、"数值模拟（V)"、"显示模式选项（T)"和"帮助⑶"。软件运行过程中，每一个子模 块操作执行完成后，都会回到软件主界面，再通过主界面上的菜单选择执行其他操作。
[0082] (3)基本参数输入
[0083] 单击主界面上的"计算参数设置（E) "，出现下拉菜单，选择"计算类型设置（L) "， 即可跳转到图2. 4所示的计算类型选择界面，根据工艺需要，选择"正向预热"、"正反向预 热"（将反向预热视为正反向预热的特例，其正向预热时间为零）或"在役低凝油管道改输 高凝油"。若需进行管道再启动安全评价，则勾选"进行安全性评价"复选框，并结合实际工 况，选择"恒流量再启动"、"恒压力再启动"或"考虑泵特性曲线再启动"，单击"确定"。此 时，计算类型选择界面将隐藏，同时返回软件主界面。
[0084] 单击主界面上的"计算参数设置（E) "，出现下拉菜单，选择"基本参数设置（B) "， 弹出如图2. 5所示的界面，按照要求输入站数。其中，泵站数、热站数和热泵站数均需要单 独输入，并认为单一输送方式下的末站不属于任何一种类型的站。软件将根据计算类型选 择的结果，有选择地显示或隐藏"反输"、"停输"标签及文本框。软件将会给出计算步长的 建议值，该值亦可根据实际工况进行调整。上述信息输入完毕后，单击"确定"，完成基本参 数设置，界面将跳转回软件主界面。
[0085] 新建埋地热油管道的启输过程或在役低凝油管道改输高凝油的切换过程都将涉 及到两种介质（输送介质、预热介质）在管内的顺序输送问题，因此需要对每一种介质的物 性进行分别输入。单击主界面上的"计算参数设置（E)"，出现下拉菜单，选择"管流介质参 数设置（〇)"，弹出如图2. 6所示的界面。为方便用户，软件将部分常用油品的物性固化在软 件中，调用时单击"选择现有介质"，并从介质列表中进行选择；未进行参数固化的油品可通 过"油品物性拟合"，根据实验数据对油品比热、稠度系数和流变行为指数进行拟合，并固化 到软件中，再次使用时可直接从"选择现有介质"中进行选取。选择完毕后，点击"应用"和 "确定"退出该界面参数设置。完成基本参数设置，界面将跳转回软件主界面。
[0086] 通过点击主界面上"计算参数设置（E) "下拉菜单中的"站间参数设置（D) "，可对 各个站间的土壤物性参数、环境参数和管道参数进行设置（如图2. 7所示）。软件将根据 "基本参数设置"中所输入的泵站数、热站数和热泵站数自动匹配出站间数目。在进行参数 输入时，需首先选中"站间列表"中的某一站间，然后选择该站间起点站的类型，依次输入土 壤物性参数、环境参数和管道参数。若管道为在役低凝油管道改输高凝油，且需要考虑浙青 层和结蜡层时，勾选"考虑浙青层和结蜡层"复选框，输入相应参数。此外，各物理量应换算 至软件界面文本框中所列的单位。单个站间输入完成后，应点击"应用"按钮，然后在站间 列表中选择其他站间进行输入，所有站间输入完毕以后，点击"确定"退出站间参数设置界 面，回到软件主界面。
[0087] ⑷工况模拟
[0088] 计算所需的各项参数输入完毕并确认无误后，点击"数值模拟（V) "下拉菜单中的 "开始计算（C) "，软件将调用计算内核的Fortran程序，对沿线土壤温度场、介质温度和摩 阻进行计算。计算结束后，将显示计算开始时间、结束时间和程序运行时间。
[0089] (5)计算结果输出与图形化显示
[0090] 计算结束后，软件会将某些预设时刻管道沿线的介质温度分布、指定位置管内介 质温度随时间的变化、指定位置管道周围土壤监测点温度随时间的变化及若干指定截面的 土壤温度场自动保存为DAT文件，用户可根据需要使用Origin软件或Tecplot 9. 0软件对 其进行图形化显示及后续处理。此外，本软件还对Tecplot 9. 0软件的部分功能进行了再 现与固化。
[0091] 点击"数值模拟（V) "下拉菜单中的"沿线油温变化曲线（Τ) "即可打开图2. 8所 示的沿线介质温度分布显示界面。可根据所需显示的内容，勾选"正输结束时沿线油温分 布"、"反输结束时沿线油温分布"、"停输结束时沿线油温分布"或"再启动结束时沿线油温 分布"复选框中的一个或多个，单击"显示"即可绘制出相应的沿线介质温度。点击"清除" 可清除绘图区已经绘制的所有图形，点击"退出"可退出沿线介质温度分布显示界面。
[0092] 图2. 9所示为管道截面土壤温度场显示界面，通过点击"数值模拟（V) "下拉菜单 中的"土壤温度场（Α)"即可进入该界面。首先根据所需显示的内容，勾选左侧"网格"、"等 温线"或"匀场"复选框中的一个或多个，单击"显示"可输出指定位置处的管道周围土壤温 度分布，点击"清除"可清除绘图区已经绘制的所有图形，点击"退出"可退出管道截面土壤 温度场显示界面。
[0093] 下面对上述软件做一下验证：
[0094] 本文选取尼日尔阿贾德姆原油管道工程投产过程中的实际数据对所编制软件的 准确性与适用性进行验证。
[0095] 下面对阿贾德姆原油管道投产概况做一下介绍：
[0096] 尼日尔阿贾德姆原油管道设计输量为100X104t/a，设计压力为lOMPa，线路全长 约462. 5km，管径为323. 9mm，管材选用API 5L X52 HFW钢管，采用埋地敷设，管道外防腐采 用高温型3PE (3层聚乙烯），最高出站温度不超过70°C。
[0097] 表3. 1管道及环境参数
[0098]
【权利要求】
1. 一种原油管道预热投产热力过程仿真方法，其特征在于，包括如下步骤： 对预热方式选择以及安全性评价进行设置； 输入各站间管道参数、介质和土壤物性； 导入计算网格； 计算参数初始化并利用有限容积法与有限差分法计算土壤温度场、计算管流和土壤之 间的换热量、热力特征线法求解管流介质相关参数；得到管段后一节点的温度、压力； 确定管道沿线各节点运行参数； 预热安全性评价并对结果进行输出。
2. 如权利要求1所述的原油管道预热投产热力过程仿真方法，其特征在于， 还包括如下步骤： 停输初始化； 管内介质区域网格划分； 判断相界面位置是否存在自然对流； 若是，则计算当量导热系数，并对管内介质温度与土壤温度耦合求解；若否，则直接对 管内介质温度与土壤温度耦合求解； 对停输时间进行判断，并输出停输的计算结果。
3. 如权利要求2所述的原油管道预热投产热力过程仿真方法，其特征在于， 还包括如下步骤： 再启动安全评价初始化； 对管内介质移动网格进行网格划分并进行水力计算； 对管道及其周围土壤固定网格进行网格划分并进行热力计算； 确定网格之间参数插值； 确定各节点运行参数，对再启动时间进行判断，并输出再启动的计算结果。
【文档编号】G06F17/50GK104123425SQ201410386614
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年8月7日 优先权日:2014年8月7日
【发明者】宇波, 张健, 王欣然, 章涛, 张欣雨 申请人:中国石油大学(北京)