原油管道预热投产热力过程的计算方法
【专利摘要】本发明公开了一种原油管道预热投产热力过程的计算方法，对原油管道预热投产过程进行合理简化，建立正常输送工况下的描述管内介质与管道周围土壤换热的物理模型；根据所述物理模型推导出控制方程，并确定计算区域和边界条件；建立停输工况下的数学模型以及再启动安全评价的数学模型；采用不同的网格系统分别对所述正常输送工况下的物理模型、所述停输工况下的数学模型以及所述再启动安全评价的数学模型进行离散，应用有限容积法和有限差分法得到离散的控制方程；对所述离散的控制方程进行迭代求解并输出结果。
【专利说明】原油管道预热投产热力过程的计算方法
【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的 计算方法。
【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。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。
[0003] 随着近年来我国原油对外依存度进一步提高，油源多样化将成为一种趋势，这就 要求多种油品在同一条管道内输送。由于不同区块所产原油的品质可能相差较大，不同品 质的原油掺混后输送可能对炼厂设备及产品产生不良影响。因此，这就要求长输管道具有 多种油品顺序输送的能力，从而实现不同品质的原油分储分输。即对流动性较好的原油采 用常温输送，而对部分高凝高粘原油实行加热输送。这就需要在从常温输送切换到加热输 送或从加热输送流动性较好的油品切换到加热输送流动性较差的油品前，提高前一种油品 的出站温度，从而对管道沿线土壤进行预热，防止后一种油品进管后温降速率较大而增大 凝管风险。这种类型的差温输送也可以视为广义上的热油管道预热投产问题。
[0004] 原油管道预热投产工艺方案的关键在于运行参数的选取，特别是工艺参数的选取 和预热方式的确定。通常认为投油后只需满足管道终点油温比原油凝点高3°c?5°C即可， 并往往以总能耗最小化的原则设计预热方案，这并不科学也不符合工程实际。安全生产是 重中之重，保证新建管道的安全投产或差温输送管道的顺利切换才是应该关注的首要问 题。由于投产过程中事故或计划停输及抢修几乎难以避免，保证管道在最恶劣工况下停输 后再启动成功才应作为管道预热投产方案设计的核心原则。同时，现有的大多数停输再启 动研究都以管道稳定或准稳定运行作为停输的初始条件，而在预热投产过程中管道周围的 土壤温度场始终处于非稳态变化中，因此这种初始边界条件下的停输及再启动问题也亟待 解决。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种原油管道预热投产热力过程的计算方法，以解决上述 问题。
[0006] 为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
[0007] -种原油管道预热投产热力过程的计算方法，包括如下步骤：
[0008] 对原油管道预热投产过程进行合理简化，建立正常输送工况下的描述管内介质与 管道周围土壤换热的物理模型；根据所述物理模型推导出控制方程，并确定计算区域和边 界条件；
[0009] 建立停输工况下的数学模型以及再启动安全评价的数学模型；
[0010] 采用不同的网格系统分别对所述正常输送工况下的物理模型、停输工况下的数学 模型以及再启动安全评价的数学模型进行离散，应用有限容积法和有限差分法得到离散的 控制方程；
[0011] 对所述离散的控制方程进行迭代求解并输出结果。
[0012] 较佳地,所述管内介质包括预热介质、输送介质。
[0013] 较佳地，所述对原油管道预热投产过程进行合理简化，建立正常输送工况下的描 述管内介质与管道周围土壤换热的物理模型；根据所述物理模型推导出控制方程，并确定 计算区域和边界条件，具体包括如下步骤：
[0014] 为简化计算过程，作如下基本假设：
[0015] (1)正常输送工况中认为管内同一截面上介质温度、压力、流速和密度是均匀的， 认为这些变量只是时间和管道轴向位置的函数；（2)将管道周围土壤视为均匀介质，认为 其物理性质各向相同；（3)由于土壤沿管道轴向的温度梯度远小于沿管道径向的温度梯 度，忽略相邻土壤截面之间的导热，将问题简化为二维非稳态导热；(4)不考虑预热介质与 输送介质（即水与原油、低凝原油与高凝原油等）在交界面的掺混，认为是"活塞型"驱替； (5)认为管道坚直中心线左右宽10m、深10m的矩形区域为土壤热力影响区；
[0016] 基于以上假设与简化，建立如下数学模型：
[0017] 所述管内介质的连续性方程、动量方程和能量方程依次为：
【权利要求】
1. 一种原油管道预热投产热力过程的计算方法，其特征在于，包括如下步骤： 对原油管道预热投产过程进行合理简化，建立正常输送工况下的描述管内介质与管道 周围土壤换热的物理模型；根据所述物理模型推导出控制方程，并确定计算区域和边界条 件； 建立停输工况下的数学模型以及再启动安全评价的数学模型； 采用不同的网格系统分别对所述正常输送工况下的物理模型、所述停输工况下的数学 模型以及所述再启动安全评价的数学模型进行离散，应用有限容积法和有限差分法得到离 散的控制方程； 对所述离散的控制方程进行迭代求解并输出结果。
2. 如权利要求1所述的原油管道预热投产热力过程的计算方法，其特征在于， 所述管内介质包括预热介质、输送介质。
3. 如权利要求2所述的原油管道预热投产热力过程的计算方法，其特征在于， 所述对原油管道预热投产过程进行合理简化，建立正常输送工况下的描述管内介质与 管道周围土壤换热的物理模型；根据所述物理模型推导出控制方程，并确定计算区域和边 界条件，具体包括如下步骤： 为简化计算过程，作如下基本假设： (1)正常输送工况中认为管内同一截面上介质温度、压力、流速和密度是均匀的，认为 这些变量只是时间和管道轴向位置的函数；(2)将管道周围土壤视为均匀介质，认为其物 理性质各向相同；（3)由于土壤沿管道轴向的温度梯度远小于沿管道径向的温度梯度，忽 略相邻土壤截面之间的导热，将问题简化为二维非稳态导热；(4)不考虑预热介质与输送 介质在交界面的掺混，认为是"活塞型"驱替；（5)认为管道坚直中心线左右宽10m、深10m 的矩形区域为土壤热力影响区； 基于以上假设与简化，建立如下数学模型： 所述管内介质的连续性方程、动量方程和能量方程依次为：
其中，τ为时间，s;z为距管道起点的距离,m;P为管内介质在截面处的平均密度,kg/ m3 ;V为管流介质的平均速率，m/s ;A为管道的截面积，m2 ;g为重力加速度，m/s2 ; α为管道 轴向与水平方向的夹角；P为介质在截面处的平均压力，Pa ;f为达西摩阻系数；D为管道有 效流通截面的直径，m ;u为管内介质比内能，J/kg ;s为相邻单元间的高程差，m ;h为管内单 位质量介质的比焓，J/kg ;q为管内介质与单位面积的管壁在单位时间内的热交换量，W/m2 ; CP为管内介质的定压比热容，J/(kg*°C) ;T为管内介质温度，°C;@为管内介质的膨胀系 数，。C-1; 确定管壁和防腐层的导热方程：
其中，预热新建管道时，i = 1，2,分别代表管壁和防腐层；预热在役管道（低凝原油改 输高凝原油）时，i = 1，2, 3,分别代表结蜡层、管壁和防腐层；两种情况中，p i为第i层的 密度，kg/m3 ;(；为第i层的比热容，X/(kg · °C ) ;1\为第i层的温度，°C ; λ i为第i层的 导热系数，W/(m · °C ) ;r为径向位置，m ; Θ为环向弧度； 确定管道周围土壤的导热方程：
其中，P s为土壤的密度，kg/m3 ;CS为土壤的比热容，X/(kg ) ;TS为土壤的温度，°C; 入s为土壤的导热系数，WAm · °C ) ;x为距离管道中心坚直截面的横向距离，m ;y为距离地 表的纵向深度，m ; 考虑计算区域的对称性，仅取管道的右半部分（10mX 10m的矩形热力影响区）进行研 究，则边界条件为：
其中，b为管道中心埋深，m ;R为包含防腐层后的管道半径，m ; a a为地表与大气的换 热系数，WAm2 · °C ) ;Ta为气温，°C ;Tn为土壤恒温层的温度，°C ;H为管道热力影响区的 纵向深度，m ;L为管道热力影响区的横向宽度的一半，m。
4.如权利要求3所述的原油管道预热投产热力过程的计算方法，其特征在于， 所述建立停输工况下的数学模型，具体包括如下步骤： 预先进行如下假设：（1)定义当量导热系数，将管内介质停输后的自然对流转化为导 热问题处理；（2)若管道停输时，管内介质中含有含蜡原油，且在整个温降过程中有蜡晶析 出，并形成凝油层，认为该凝油层以与管道同心的方式增长；（3)相变潜热对温降过程的影 响采用比热容随温度变化的形式加以表征；(4)引入滞流点，以区分管道内部的自然对流 区域和导热区域； 通过上述假设，停输工况可以简化为单纯的导热问题处理： 管流介质的导热方程为：
7 即在停输工况中，若管内介质中存在自然对流，导热系数λ应采公式2. 12计算出的当 量导热系数；若管内介质处于滞流状态，导热系数λ则可采用实际值：
所述管壁、防腐层导热方程及土壤导热方程仍沿用公式2. 5和公式2. 6。
5. 如权利要求4所述的原油管道预热投产热力过程的计算方法，其特征在于， 所述建立再启动安全评价的数学模型，具体包括如下步骤： 当管内介质为纯物质液体或停输时间较短时，再启动过程的水力和热力控制方程与正 常输送相同； 当管流介质中存在含蜡原油，且停输时间较长，使得部分或全部原油表现出触变性时， 则需采用式2. 13替换原有动量方程：
上式中，τ w采用式2. 14和式2. 15所示的触变模型进行计算，所述触变模型可通过结 构参数的变化来反映物料在某一状态下的结构强弱： y
其中，τ为剪切应力，Pa; Ty(l为结构充分裂解时的屈服应力，Pa; τη为结构完全建立 时的屈服应力，Pa ;Κ为稠度系数，Pa · s ; Λ Κ为触变性稠度系数，Pa · s ;夂为剪切率，?Γ1 ; η为流动特性指数；λ为结构参数；a、b、m为结构常数。
6. 如权利要求5所述的原油管道预热投产热力过程的计算方法，其特征在于， 采用不同的网格系统分别对所述正常输送工况下的物理模型、停输工况下的数学模型 以及再启动安全评价的数学模型进行离散，应用有限容积法和有限差分法得到离散的控制 方程，具体包括如下步骤： 对管道周围土壤热力影响区域采用非结构化四边形网格进行离散； 对钢管壁、防腐层采用极坐标网格离散； 在所述管内介质在停输工况模型和所述再启动安全评价模型的传热计算中，采用极坐 标网格进行离散； 在正常输送工况下，只计算介质的平均温度，采用均分网格进行离散。
【文档编号】G06F17/50GK104102852SQ201410386941
【公开日】2014年10月15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, 张欣雨, 章涛, 王欣然 申请人:中国石油大学(北京)