黃淑寅
[摘要]我國(guó)對(duì)于冷熱油交替輸送技術(shù)的研究,目前已經(jīng)取得了較好的成績(jī)。這項(xiàng)技術(shù)符合我國(guó)國(guó)情,具有很大的研究?jī)r(jià)值。本文主要介紹了冷熱油交替輸送中管道土壤傳熱、管內(nèi)非穩(wěn)態(tài)傳熱流動(dòng)研究的常用幾種方法,以及耦合計(jì)算的數(shù)學(xué)模型、求解步驟和原理,對(duì)國(guó)內(nèi)冷熱油輸送技術(shù)和今后發(fā)展進(jìn)行了展望。
[關(guān)鍵詞]冷熱原油;交替;輸送;技術(shù)
一、交替輸送應(yīng)用的技術(shù)現(xiàn)狀
我國(guó)的原油輸送技術(shù),相比國(guó)外原油順序輸送技術(shù)赴較晚而且相對(duì)落后。上世紀(jì)70年代末,我國(guó)在湛茂線和魯寧線進(jìn)行了原油順序輸送嘗試,但是結(jié)果不理想,沒(méi)有取得成功。伴隨著我國(guó)原油進(jìn)口規(guī)模的不斷擴(kuò)大,技術(shù)人員加大了對(duì)原油交替輸送技術(shù)的研究和技術(shù)實(shí)驗(yàn),并且在一定程度上取得了突破。新大線于2006年進(jìn)行了首次冷熱油交替輸送先導(dǎo)試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)30天,7次不同輸量的循環(huán),輸送取得了初步成功,這為冷熱油交替輸送提供了技術(shù)儲(chǔ)備和安全保障,也是我們所取得的初步經(jīng)驗(yàn)。是國(guó)內(nèi)冷熱油交替輸送的先例,007年,在西部原油管道上,我們相繼對(duì)塔里木油、塔里木一北疆混合油、吐哈油和哈薩克斯坦的進(jìn)口原油采用了冷熱順序輸送方式,以及對(duì)俄羅斯油和大慶原油進(jìn)行冷熱順序輸送,進(jìn)一步積累了成功的經(jīng)驗(yàn)。
二、冷熱油輸送方法分析
(一)冷熱油管道土壤中的傳熱研究方法
冷熱油交替輸送管道在土壤中傳熱是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)過(guò)程。輸送熱油時(shí),熱油向土壤散熱,土壤吸熱蓄熱;輸送冷油時(shí),土壤蓄熱此時(shí)對(duì)冷油加熱,并且隨著交替的批次增加,呈現(xiàn)一定的周期性。研究管道在土壤中的傳熱,可以對(duì)交替耦合的情況進(jìn)一步研究,也能為停輸再啟動(dòng)提供依據(jù)。由于管外土壤為半無(wú)限大區(qū)域,在研究中無(wú)法進(jìn)行直接的計(jì)算,需要通過(guò)一些簡(jiǎn)化、變形后才能計(jì)算。目前計(jì)算管外土壤溫度場(chǎng)的方法主要有源匯法、因次分析法、熱力影響區(qū)域法和雙極保角變換法。
源匯法,是將半無(wú)限大空間內(nèi)穩(wěn)定傳熱的埋地?zé)嵊凸艿揽催B續(xù)作用線熱源,利用源匯法進(jìn)行解析求解。因次分析法是由蘇聯(lián)學(xué)者古賓提出了一種利用無(wú)因次變量來(lái)對(duì)地下輸油管道熱損失進(jìn)行求解的近似算法。雙極坐標(biāo)保角變換法保角變換法又稱半空間模型法,這種方法是通過(guò)雙極坐標(biāo)保角變換,將半無(wú)限大土壤區(qū)城轉(zhuǎn)化為有界矩形或環(huán)形區(qū)域,然后可對(duì)微分方程數(shù)值求解。熱力影響區(qū)法是認(rèn)為管道的熱力影響有一定的范圍,在范圍之外的影響可以忽略不計(jì),將半無(wú)限大的土壤求解區(qū)域簡(jiǎn)化為一個(gè)矩形或扇形的求解區(qū)域。該方法在一些要求精度不高的工程問(wèn)題中得到了廣泛應(yīng)用。
(二)管內(nèi)非穩(wěn)態(tài)水力-熱力研究方法
在管內(nèi)非穩(wěn)態(tài)熱力-水力耦合的研究中,研究者通常以管內(nèi)油流的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程及能量方程為基礎(chǔ),對(duì)油流非穩(wěn)態(tài)傳熱和流動(dòng)進(jìn)行研究。此類問(wèn)題的研究方法主要?dú)w為解析法、特征線法、數(shù)值模擬三類。
前蘇聯(lián)學(xué)者曾根據(jù)長(zhǎng)輸管線內(nèi)流體非穩(wěn)定流動(dòng)的特點(diǎn),對(duì)管內(nèi)原油非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)傳熱進(jìn)行了解析求解。但是盡管做了相當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化,方程組仍然十分復(fù)雜,不適合工程中應(yīng)用。國(guó)內(nèi)研究者曾采用雙特征線對(duì)順序輸送中水力、熱力耦合過(guò)程進(jìn)行了分析計(jì)算。具體的耦合過(guò)程為:首先計(jì)算穩(wěn)態(tài)時(shí)管流的流量、溫度等參數(shù);當(dāng)邊界條件變化而引起水力一熱力瞬變時(shí),當(dāng)前溫度取前一時(shí)步的值,根據(jù)水力瞬變特征線法,計(jì)算管道上各節(jié)點(diǎn)的流量、溫度等參數(shù)值。在一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)里,經(jīng)過(guò)反復(fù)的計(jì)算達(dá)到要求的精度后,進(jìn)行下一時(shí)步的運(yùn)算。數(shù)值模擬法就是將求解域進(jìn)行網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)劃分,通過(guò)數(shù)值方法將一系列的控制方程離散化,求解控制方程組,得到各個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)值,從而得到整體的變化規(guī)律。
三、冷熱油交替輸送耦合計(jì)算
冷熱原油交替輸送系統(tǒng)是一個(gè)菲穩(wěn)態(tài)、多控制因素的系統(tǒng)。由于其輸送距離長(zhǎng),劃分網(wǎng)格數(shù)巨大,從時(shí)間效率和經(jīng)濟(jì)效率考慮,不適合用現(xiàn)行的商業(yè)CFD軟件來(lái)模擬整個(gè)過(guò)粗。研究者們對(duì)于交替輸送的研究,通常是整體統(tǒng)籌計(jì)算,局部詳細(xì)模擬。整體上從水力、熱力控制方程人手,將其離散差分進(jìn)行耦合的數(shù)值計(jì)算。
假設(shè)管內(nèi)油流溫度只隨時(shí)間和管線長(zhǎng)度變化而變化,即同一截面溫度是相同的。假設(shè)管道周圍土壤介質(zhì)為各向同性的均勻介質(zhì)。假設(shè)忽略混油段及冷熱油交界面處的導(dǎo)熱,即認(rèn)為是活塞型驅(qū)油。假設(shè)管外土壤傳熱只在徑向平面。
四、冷熱油交替輸送研究現(xiàn)狀
冷熱油交替輸送,涉及土壤蓄熱、停輸啟動(dòng)、管道預(yù)熱等問(wèn)題,但又比單純的加熱輸送復(fù)雜。它還涉及到冷油的預(yù)熱量和預(yù)熱溫度以及加熱時(shí)機(jī)等問(wèn)題。國(guó)內(nèi)很多學(xué)者進(jìn)行深入研究。
鹿廣輝、楊云鵬等都對(duì)冷熱輸送埋地管道的土壤傳熱進(jìn)行了研究。他們通過(guò)建立土壤模型,利用商業(yè)模擬軟件,對(duì)不同工況進(jìn)行模擬,對(duì)輸送過(guò)程中土壤蓄熱,交替過(guò)程中溫度場(chǎng)的變化以及溫度場(chǎng)漂移的規(guī)律進(jìn)行了總結(jié)。
冷熱油交替過(guò)程中加熱方案的經(jīng)濟(jì)性綜合采用有限差分和有限元法,編制軟件對(duì)輸送過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬。通過(guò)分析兩種不同控制方式的不同的加熱方案,比較能耗得出,對(duì)低凝油尾部分加熱所所需的能耗比對(duì)其整體加熱的要少,應(yīng)考慮第二種控制方式下的最佳加熱方法。在對(duì)冷熱油交替輸送耦合模型的建立上,作者提出了移位網(wǎng)格下的虛擬邊界條件法,解決常規(guī)有限差分法和交錯(cuò)網(wǎng)格的有限差分法對(duì)水力瞬態(tài)變化的不足,并且編制了更加嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆欠€(wěn)態(tài)水力一熱力耦合計(jì)算程序,并在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中得到了驗(yàn)證。對(duì)于交替輸送中的熱力影響因素,作者通過(guò)模擬分析認(rèn)為,輸送距離,年輸送批次,相對(duì)加熱量以及加熱時(shí)機(jī)都會(huì)輸送安全產(chǎn)生影響。輸送距離增加不利于改善原油的流動(dòng)安全,而批次的增加雖然改善了流動(dòng)安全,卻造成了混油量和運(yùn)行管理難度增加。
五、冷熱油順序輸送研究總結(jié)及展望
冷熱油交替輸送事業(yè)復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)水力熱力過(guò)程,但其產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)收益是可觀的。目前的研究,多數(shù)都是基于控制方程,離散及簡(jiǎn)化邊界條件,進(jìn)行數(shù)值計(jì)算并編制交替輸送的程序。這種簡(jiǎn)化的數(shù)值計(jì)算,基本上滿足了工程的需要,三十對(duì)于冷熱原油交替輸送的規(guī)律并沒(méi)有完全表現(xiàn)出來(lái)。例如:(1)交際交替過(guò)程中水力過(guò)程也是非穩(wěn)態(tài)的過(guò)程,輸送的流量、壓力等對(duì)熱力的影響:(2)實(shí)際交替過(guò)程中存在混油段,混油的熱力變化更加復(fù)雜,混油界面的捕捉;(3)管線與周圍土壤傳熱情況,考慮不同環(huán)境因素下的真實(shí)溫度場(chǎng)。(4)冷熱交替的循環(huán),造成管線鋼的熱應(yīng)力變化,所導(dǎo)致的管線安全問(wèn)題。對(duì)于這些方面的研究應(yīng)該是今后研究的著力要突破的方面。
隨著計(jì)算機(jī)的性能提高,數(shù)值計(jì)算不斷發(fā)展,計(jì)算機(jī)模擬占據(jù)巨大的優(yōu)勢(shì)。相比于實(shí)驗(yàn)的巨大投入,計(jì)算機(jī)模擬無(wú)疑使非常好的選擇。但是,由于模型的建立和算法的選擇,使得一些問(wèn)題只存在理論上可算,實(shí)際上耗時(shí)巨大。所以,對(duì)于數(shù)值計(jì)算,網(wǎng)格的劃分,算法的選擇,模型的創(chuàng)新也是值得我們深入研究的,具有現(xiàn)實(shí)意義。