陳從磊，黃啟玉，王乾坤

(1.中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；2.中國石油大學(北京)油氣儲運工程系，北京 102249；3.中國石油管道公司，河北廊坊 065000)

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正反輸送管道停輸再啟動數值模擬分析

陳從磊1，黃啟玉2，王乾坤3

(1.中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；2.中國石油大學(北京)油氣儲運工程系，北京 102249；3.中國石油管道公司，河北廊坊 065000)

通過建立管道正常運行、停輸溫降過程和再啟動過程的數值模型，描述了正反輸送管道的停輸再啟動過程。利用該數值模擬計算得出的進站油溫與管道正常運行的實際值相對誤差在2%以內，能夠較準確的模擬管道實際運行中的熱力變化。在此基礎上，以某正反輸送管道為例，計算了管道冬季、春秋季和夏季的最大安全停輸時間、停輸后的沿程溫降和冬季再啟動過程中管道沿程流量恢復情況，為熱油管道的生產管理和安全高效運行提供參考依據。

正反輸送； 停輸再啟動； 數值模擬； 溫降； 模型

隨著油田老化和原油產量逐漸降低，原油管道正在面臨低輸量運行的困擾，國內原油管道尤其是東部地區(qū)的原油管道，大多處于低輸量或超低輸量狀態(tài)[1]。為此，部分熱油管道采用了正反輸送的方式來保證低輸量下的安全運行[2]。由于管道檢修、油量不足、事故工況、計劃停輸、自然災害等原因[3]，熱油管道的停輸是無法避免的。管道停輸后，管內原油溫度逐漸降低，黏度增大，管壁上沉積的蠟層厚度不斷增加，當原油溫度降低到一定值時，管道再啟動將十分困難，嚴重時甚至會發(fā)生凝管事故[4]。為確保熱油管道安全高效運行，必須了解管道在各種條件下停輸后的溫降情況，再啟動過程所需的壓力、溫度，以便確定管道最大安全停輸時間和停輸時需要采取的措施[5]。

一個完整停輸再啟動過程包括停輸前的正常輸送、停輸和再啟動3個過程。本文通過數值模擬的方法，分別建立了管道正常運行、停輸溫降過程和再啟動過程的數值模型，描述了正反輸送熱油管道的停輸再啟動過程，并以某正反輸送管道為例，進行了停輸再啟動計算，為熱油管道的生產管理和安全高效運行提供了參考依據。

1 數值模型及其求解方法

1.1 管道正常運行數值模型

由于埋地管道真實的熱力變化情況比較復雜，在建立管道正常運行數值計算模型時，假設管道周圍土壤為各向同性的均勻介質[6]，且管道在土壤內的熱力影響區(qū)域取為10 m[5]；管內原油溫度只與管道軸向和時間有關，在管道橫截面上均分分布；同時忽略軸向溫降，將其簡化為二維導熱問題[7]。

圖1 埋地熱油管道示意圖

Fig.1 Schematic diagram of buried hot-oil pipeline

(1) 管道正常運行數值模型

根據連續(xù)性方程、動量方程和能量方程，推導出管道正常運行數值模型[8]：

(1)

式中，ρ為原油密度，kg/m3；cp為原油的定壓比熱容，J/(kg·℃)；T為原油溫度，℃；β為原油膨脹系數，℃-1；τ為時間，s；p為油流截面平均壓力，Pa；f為達西摩阻系數；V為油流平均速度，m/s；q為單位時間內單位管壁面積上的散熱量，W/m2；D為管道內直徑，m。

(2) 結蠟層、管壁和防腐層的傳熱方程:

(2)

式中，k=1,2,3，分別表示結蠟層、管壁和防腐層；ρk為第k層的密度，kg/m3；ck為第k層的比熱容，J/(kg·℃)；Tk為第k層的溫度，℃；λk為第k層的導熱系數，W/(m·℃)；r為徑向位置，m；θ為環(huán)向弧度。

(3) 土壤導熱方程

(3)

式中，ρs為土壤的密度，kg/m3；cs為土壤的比熱容，J/(kg·℃)；Ts為土壤的溫度，℃；λs為土壤的導熱系數，W/(m·℃)；x為橫向距離，m；y為深度，m。

(4) 邊界條件

當|y|=H時，Ts=Tn。

式中，αa為地表的放熱系數，W/(m2·℃)；Ta為大氣的溫度，℃;Tn為恒溫層的溫度，℃。

1.2 停輸溫降過程的數值模型

停輸后的溫降是一個伴隨相變、自然對流和移動邊界的三維不穩(wěn)定傳熱問題[6]。管道停輸后的溫降分為兩個階段：第一階段，管道內原油溫度快速冷卻到略高于管道外壁土壤溫度，且越靠近管壁，溫度下降越快；第二階段，管內原油和管外土壤作為一個整體緩慢降溫[9]。

由于含蠟原油停輸后溫降過程非常復雜，因此，在建立停輸溫降過程數值模型時，引入當量導熱系數將液態(tài)原油的自然對流問題當成導熱問題來處理；同時，假設蠟晶析出形成凝油層的增長和管道同心，將停輸溫降問題簡化為一個純導熱問題。停輸溫降過程管內原油的導熱方程為：

(4)

停輸溫降過程中結蠟層、管壁和防腐層的導熱方程和土壤導熱方程同式(2)和式(3)。

1.3 再啟動過程的數值模型

當原油沒表現出觸變性時，再啟動過程的數值模型與正常輸送相同。當原油表現出觸變性時，再啟動過程的數值模型為[6]：

(5)

式中，τw用Houska觸變模型來計算[10]。

1.4 計算區(qū)域離散化及數值計算方法

(1) 計算區(qū)域離散化

為保證計算精度和準確性，在管道熱力影響區(qū)內對土壤、結蠟層、鋼管壁、防腐層和管道分別采取DELAUNAY三角化方法[11]、極坐標網格和有限差分法進行了離散，結果見圖2和圖3。

圖2 結蠟層、管壁和防腐層及其周圍的土壤網格劃分

Fig.2 Mesh generation of waxy layer，pipe-wall,coating and the Soil

圖3 管道的離散圖

Fig.3 Discrete graphs of pipeline

2 數值計算結果及分析

某熱油管道長109 km，直徑529 mm，壁厚7 mm，最大操作壓力3.5 MPa，全線共4座泵站。由于輸量較低，采用正反輸送方式運行。

2.1 模擬工況選取

根據影響停輸安全性的關鍵因素地溫，將運行工況分為3類：春秋季(4～6月和10～12月)、冬季(1～3月)和夏季(7～9月)。

通過對該管道近3年生產報表的整理分析可知：春秋季和夏季采用7正2反(正輸7 d，反輸2 d，下同)，冬季采用4正2反的運行工況。其不同季節(jié)各站在正反輸送過程中的平均出站溫度和輸量見表1。

2.2 模擬結果驗證

為驗證數值模擬計算的準確性以及各站間參數的選取的合理性，利用該數值模型對管道穩(wěn)定運行工況下的生產數據進行了模擬計算。模擬計算結果與實際結果對比見表2。

表1 不同季節(jié)管道運行工況

表2 正常輸送模擬結果與實際值對比

續(xù)表2

模擬計算結果表明，進站油溫模擬值與管道運行實際值最大偏差絕對值不超過1 ℃，相對誤差在2%以內。因此，該數值模型能夠較準確的模擬計算該管道實際運行中的熱力變化情況。

2.3 停輸再啟動計算

2.3.1 最大安全停輸時間計算 管道最大安全停輸時間：當管道停輸一定時間后，順利再啟動管道所需的壓力達到管道最大操作壓力時，即認為管道停輸已達到極限情況，此時停輸時間為管道最大安全停輸時間。

在驗證了模擬程序準確性的基礎上，對正反輸送過程中不同停輸時刻管道最大安全停輸時間進行了數值模擬計算(假設正輸終止時刻和反輸初始時刻是指同一時間點，正輸初始時刻和上一批次反輸終止時刻是指同一時間點)。不同季節(jié)不同停輸時刻管道最大安全停輸時間計算結果見圖4。

圖4 不同季節(jié)最大安全停輸時間

Fig.4 Maximum safe time after shutdown atdifferent seasons

最大安全停輸時間計算結果表明：

(1) 不同季節(jié)不同停輸時刻停輸，管道最大安全停輸時間略有不同，差別在1 h內(冬季0.7 h，春秋季和夏季均0.8 h)。

(2) 同一批次中，從正輸開始到正輸結束，隨著正輸的進行最大安全停輸時間逐漸減小，當減小到一定程度時，最大安全停輸時間將基本穩(wěn)定在的某一固定值。

(3) 正輸第1天的最大安全停輸時間比上一批次反輸最后1天有所增加；反輸第1天最大安全停輸時間比正輸最后1天略有增加。

考慮到在工程實際中，停輸時刻未必剛好發(fā)生在模擬計算得到的時間點。因此，為安全起見，冬季最大安全停輸時間取10.0 h，春秋季最大安全停輸時間取16.5 h，夏季最大安全停輸時間取28.0 h。

在最大安全停輸時間內，分別計算了各個季節(jié)管道停輸后的沿程溫降。停輸過程中，由于受地溫的影響，冬季沿線溫降速率最大，春秋季次之，夏季溫降速率最小，且隨著停輸時間的增加，溫降速率不斷減小。停輸后不同時刻管道沿程溫降情況見圖5。

圖5 管道停輸后沿程溫降曲線

Fig.5 Temperature drop along the pipeline after shutdown

2.3.2 再啟動過程模擬 為確定管道停輸后再啟動的安全性，以冬季為例進行了再啟動過程的模擬。

選取冬季管線停輸達到最大安全停輸時間(10 h)時，采用最大允許操作壓力3.5 MPa，出站溫度為60 ℃，首站(A站)啟動管道，在啟動10 h以內時，末站(D站)進站流量恢復情況見圖6。

圖6 冬季再啟動流量恢復

Fig.6 Flow recovery after restart in winter

再啟動過程的模擬表明，當管道達到停輸極限后，首站(A站)3.5 MPa壓力啟動管道，能夠在10 h內使末站(D站)進站口處的流量恢復正常，管道可以安全順利再啟動。

3 結論

通過建立管道正常輸送熱力-水力模型、停輸溫降模型和再啟動模型，對熱油管道停輸再啟動過程進行了數值模擬分析，利用編制的軟件，對某熱油管道停輸安全性進行了計算，得出以下結論：

(1) 數值模擬計算得出的進站油溫與管道運行實際值最大偏差絕對值低于1 ℃，相對誤差在2%以內，能夠較準確的模擬該管道實際運行中的熱力變化情況。

(2) 冬季最大安全停輸時間為10 h，春秋季最大安全停輸時間為16.5 h，夏季最大安全停輸時間為28.0 h。

(3) 管道停輸后，冬季沿線溫降速率最大，春秋季次之，夏季溫降速率最小，且隨著停輸時間的增加，溫降速率逐漸減小。

(4) 在達到最大安全停輸時間后，首站采用3.5 MPa壓力，出站油溫60 ℃啟動管道，10 h內末站進站流量恢復正常，管道再啟動成功。

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(編輯 王亞新)

Numerical Simulation Analysis of Shutdown and Restart Procedure in Normal and Opposite Direction Transportation Pipeline

Chen Conglei1, Huang Qiyu2, Wang Qiankun3

(1.Petroleum Exploration and Production Research Institute, SINOPEC, Beijing 100083, China；2.DepartmentofOilandGasStorageandTransportation,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China；3.ChinaNationalPetroleumCorporationPipelineCompany，LangfangHebei065000，China)

By setting up numerical models of pipeline normal operation, temperature drop along the pipeline after shutdown and restart procedure, the normal and opposite direction transportation pipeline shutdown and restart procedure were described. The relative errors of the results calculated using the numerical models were less than 2%, so thermal variation along the pipeline can be simulated accurately. Based on the numerical models, maximum safe time after shutdown in different seasons, temperature drop along the pipeline after shutdown and flow recovery after restart in winter were calculated, respectively. The results can provide evidence for production management, safe and highly efficient operation of hot-oil pipeline.

Normal and opposite direction transportation； Shutdown and restart； Numerical simulation； Temperature drop； Model

1006-396X(2015)02-0077-06

2014-12-08

2015-03-17

陳從磊(1985-)，男，碩士，工程師，從事油氣集輸工藝、油氣田地面工程、長輸管道規(guī)劃方面研究；E-mail：chencl.syky@sinopec.com。

TE832

A

10.3969/j.issn.1006-396X.2015.02.016