王 琪，馬貴陽，付 麗

（1．廣東石油化工學院，廣東茂名525000；2.遼寧石油化工大學，遼寧撫順113001）

埋地管道原油停輸時間的計算*

王 琪1，馬貴陽2，付 麗2

（1．廣東石油化工學院，廣東茂名525000；2.遼寧石油化工大學，遼寧撫順113001）

在建立埋地輸油管道周圍土壤溫度場的物理模型時，大多認為溫度分布是關于管道中心對稱的，因此只考慮對稱的一側，且都為二維計算，簡體化了很多方面，這樣的考慮是不精確的。結合橫向，縱向建立了三維運算模型，使土壤溫度場的模擬更接近現(xiàn)實，模擬的結果更加精確。

埋地管道；土壤溫度場；停輸；數(shù)值計算

石油作為一個國家的血液，多采用管道輸送，而為了降低粘度，減少摩阻損失和防止凝管，加熱輸送是國內埋地長輸管道的主要輸送方式，且長輸管道大多采用埋地敷設。但由于受自然環(huán)境、人為因素破壞及輸送工藝變化等的影響，不可避免的發(fā)生停輸事故。在停輸過程中，當管內油品溫度降低到一定值后，可能造成凝管事故，給管道再啟動帶來極大困難。因此，準確計算出管道的停輸降溫及允許停輸時間，對指導油田的輸油生產、管道安全運行和節(jié)能降耗具有重要意義[1-6]。研究輸油管道非穩(wěn)態(tài)熱力過程的關鍵是分析管道周圍土壤溫度場分布。

1 原油停輸時間的計算

1.1 計算步驟

由于管內油品的溫降是由管內油品和周圍土壤溫度場相互影響的，所以研究停輸時油品的溫降必須知道停輸時土壤溫度場的情況，所以首先我先通過用有限元的方法編輯三維溫度場的模擬程序，計算出輸油穩(wěn)定時土壤溫度場的情況，然后再在這個基礎上再編輯程序模擬出管內油溫的變化，找出溫降最大的斷面和停輸時間。

1.2 數(shù)學模型及計算結果分析

本文根據(jù)三維非線性熱傳導方程,利用傳熱模型，采用有限單元法，受大氣溫度季節(jié)性變化影響的原油管道土壤溫度場進行了數(shù)值計算。導熱方程：

2 土壤溫度場計算及停輸時間確定

某熱油管道管徑Φ=529 mm，埋地深度H=1.53 m，土壤的導熱系數(shù)λ1=1.512 W/（m2·℃），土壤的導溫系數(shù)a=0.002 5 m2/h，土壤表面對大氣的放熱系數(shù)αk=17.5 W/(m2·℃)，管內油品與管外壁土壤間的當量換熱系數(shù)αh=117 W/(m2·℃)，初始油溫Tw=52℃，土壤初始溫度T0=10℃，計算下邊界溫度為8℃，地面空氣溫度Tk=-20℃，平均流量為325 m/h，油品凝點為27℃。

圖1 埋深1.38 m軸向溫降圖Fig.1 The axial temperature dropmapatburieddepth1.38 m

計算輸送熱油一定時間后的土壤溫度場分布斷面，溫降最大及停輸?shù)拇_定。取地面以下5 m×5 m區(qū)域進行計算。計算中采用三節(jié)點三角形單元進行單元劃分。

圖1為埋深1.38 m，10，40，80，150，180，245，2 50 h的土壤軸向溫降圖。

圖2-6分別管道輸油40，100，150，200，250 h后土壤溫度場的分布曲線。

圖2 輸油40 h后土壤溫度場徑向分布（45 km）Fig.2 Oil transportationforty hours later，the distributionof soil temperature field（45 km）

圖3 輸油100 h后土壤溫度場徑向分布（45 km）Fig.3 Oil transportationone hundredhours later，the distributionof soil temperature field（45 km）

圖4 輸油150 h后土壤溫度場徑向分布（45 km）Fig.4 Oil transportationone hundredandfifty hours later，the distributionof soil temperature

圖5 輸油200 h后土壤溫度場徑向分布（45 km）Fig.5 Oil transportationtwo hundredhours later，the distributionof soil temperature

圖6 輸油250 h后土壤溫度場徑向分布（45 km）Fig.6 Oil transportationtwo hundredandfifty hours later，the distributionof soil temperature field（45 km）

從圖2-圖6中可以看到，土壤溫度場中等溫線大致呈橢圓形并接近圓形。管路周圍的等溫線上密下疏。這主要因為給定的熱油輸送過程為52，而地面溫度只有-20℃管路往上散失的熱流密度大。由于鋼管的導熱能力強，管外壁在啟輸很短時間便達到穩(wěn)定狀態(tài)，隨時間變化溫度值幾乎無變化。隨著輸送時間的增加，土壤溫度場受熱油管道的影響半徑明顯增大，靠近輸油管的土壤溫度漸漸升高，而靠近地面土壤中的溫度漸漸降低，在輸油120 h后，由于輸油管對土壤的加熱作用影響的擴大，25 h后，土壤中的10℃溫度線漸漸趨于穩(wěn)定，也就是說這以后土壤溫度場趨于穩(wěn)定?？梢栽诖嘶A上計算停輸問題。

通過圖可看出進站處溫度最低，所以要以進站溫度為準，表1為進站處1－10 h的油品進站溫度。

通過圖表可以看出4.5 h的時候油品溫度大于凝點，5 h時已經降至27℃以下了，所以允許停輸時間為4.5 h。與客觀事實相符，所以這個方法可行，可以用這種方法來計算停輸時間。

表1 停輸溫降表Table 1 The temperature droplistof shutdowm

3 結束語

由上述說明可以看出，此三維數(shù)值模擬與客觀事實相符，比二維考慮更貼近事實，所以對現(xiàn)實更具有指導意義，可以用于指導生產。

[1]蔣洪，朱聰，雷利.土壤導熱系數(shù)法測定魏荊輸油管道總傳熱系數(shù)[J].油氣儲運，2006，25（6）：48-51.

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[3]張國忠.埋地熱油管道停輸降溫過程的研究[J].油氣儲運2004，23（12）33-37.

[4]張靜，吳明.用有限元法計算埋地熱油管道土壤溫度場[J].遼寧石油化工大學學報，2004，24（2）：38-40.

[5]吳國忠，龐麗萍，盧麗冰，等.埋地輸油管道熱力計算求解結果分析[J].油氣地面工程，2001，20（2）：1-2.

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Calculation of Shutdown Time for Buried Crude Oil Pipeline

WANGQi1，MA Gui-yang2，F(xiàn)U Li2
（1.Guangdong University of Petrochemical Technology，Guangdong maoming 525000，China；2.Liaoning ShihuaUniversity，Liaoning Fushun113001，China）

When establishing the physical model of soil temperature field around buried oil pipeline，it is mostly considered that temperature distribution is symmetrical on the pipe center，so many factors is usually simplified and computing model is two-dimensional，which will result in errors during establishing the physical model.In this paper，a three-dimensional computing model was established，so the simulation of the soil temperature field was closerto reality，andthe simulationresultwas more precise.

Undergroundpipeline；Soil temperature；Shutdown；Numerical calculation

TE832

A

1671-0460（2010）04-0433-03

2010-02-09

王 琪（1982-），女，遼寧撫順人，助教，廣東石油化工學院，從事油氣儲運工程方面的研究。wangqi1982.good@163.com。