王洪杰 (深圳海油工程水下技術(shù)有限公司,天津 300457)
我國海上盛產(chǎn)含蠟原油,含蠟原油通常具有高粘易凝的性質(zhì),當(dāng)溫度較低時,會使得原油粘度迅速上升,增大原油在管內(nèi)運輸?shù)哪ψ?,?dāng)原油溫度降低到原油凝點以下時,會導(dǎo)致“凝管”事故的發(fā)生,對海上油氣集輸造成巨大的安全隱患。新投產(chǎn)或停輸?shù)暮5坠艿赖暮4矞囟韧ǔ]^低,原油與管壁溫差較大,為降低停輸再啟動時的能源消耗以及避免海底管道發(fā)生“凝管”事故,通常會在再啟動或投產(chǎn)之前通常會對管道進行預(yù)熱處理,即在正式投產(chǎn)之前,在一定時間內(nèi)向管道內(nèi)輸入特定溫度的預(yù)熱介質(zhì),通過預(yù)熱介質(zhì)加熱管壁以及管道周圍土壤,以此達到提高管道周圍環(huán)境蓄熱量,降低投產(chǎn)后原油在管道內(nèi)溫降的目的[1],通常采用輸送熱水的方式對管道進行一定時間的預(yù)熱處理[1]。文獻[2-5]研究了管道在正向預(yù)熱和反向預(yù)熱過程中溫度場的變化規(guī)律,并探討了預(yù)熱時機的影響因素及其滿足流動安全的溫度控制指標(biāo)。由于海底管道預(yù)熱消耗的資源和能源較多,優(yōu)化預(yù)熱方案能夠產(chǎn)生顯著的節(jié)能減排效益。本文利用海底管道常用商用設(shè)計軟件OLGA,采用數(shù)值模擬方法研究了不同預(yù)熱條件下,海底管道沿線溫度分布特性以及耗時、耗水和耗能變化規(guī)律,從綜合節(jié)能能耗和資源的角度推薦了相對較優(yōu)的預(yù)熱方案。
本文使用PVTsim 軟件設(shè)置模型中的熱流組分,利用OLGA 軟件開展管道預(yù)熱過程動態(tài)模擬。建立的海底管道模型如圖1 所示。海水平均水深30 m,環(huán)境溫度20 ℃,管道總長13.7 km,管道截面為雙層管結(jié)構(gòu),其中內(nèi)管規(guī)格為219.1 mm×14.3 mm,外管規(guī)格為355.6 mm×14.3 mm,保溫層采用聚氨酯泡沫材料,導(dǎo)熱系數(shù)為0.022 W/m·c,平均厚度45 mm。模型管道上游通過軟件中的SOURCE 模塊給定管道所輸流體的物性、輸量與溫度,下游出口設(shè)置為壓力邊界條件,本文設(shè)定出口壓力為1.2 MPa。預(yù)熱模擬采用的液體為經(jīng)處理后的海水,采用電加熱器對海水進行加熱,加熱器額定功率4.67 MW,海水加熱前溫度為20 ℃,平均加熱效率0.9;采用離心泵對海水進行增壓,增壓前(泵的入口)壓力為200 kPaA,平均增壓效率為0.75。
圖1 海底管道預(yù)熱OLGA 模型
在加熱器熱負荷恒定的條件下,熱流介質(zhì)流量越高,入口熱流介質(zhì)溫度越低。本文分別模擬計算了入口流量在60 m3/h、90 m3/h 和120 m3/h 情況下,管道內(nèi)介質(zhì)溫度隨時間的變化情況。在預(yù)熱過程中,在熱流介質(zhì)由管道上游不斷向終點推進的過程中,管內(nèi)溫度隨著熱水頭的到來而迅速上升,熱流介質(zhì)不斷向管壁及周圍環(huán)境散熱,使管壁以及周圍土壤溫度升溫并達到局部飽和狀態(tài),以此達到預(yù)熱目的。模擬所參考原油凝固點為29 ℃,通常情況下,以管道末端溫度高于凝固點溫度3~5 ℃作為預(yù)熱完成的標(biāo)志,本文以管道末端溫度達到32 ℃視為預(yù)熱完成。在預(yù)熱完成時,除末端管道一小部分外,其余管段的溫度場基本已達到穩(wěn)定狀態(tài)。
在加熱器維持100% 滿負荷運行條件下,針對60 m3/h、90 m3/h 和120 m3/h 三個管道流量,模擬了不同流量時管道沿線溫度分布隨時間的變化,結(jié)果如圖2 所示,途中從左至右各曲線分別為熱流介質(zhì)進入管道不同時間后的管道的沿程溫度變化情況。(1)當(dāng)流量為60 m3/h 時,流速僅有0.59 m/s,管道入口溫度可達到80 ℃,管道沿線溫度升幅較大,但較小流量的熱流介質(zhì)對管壁以及周圍環(huán)境的散熱時間較長,熱水頭向前推進的速度較慢,大約7.4 h 管道末端溫度方達到32 ℃的目標(biāo)溫度。(2)當(dāng)流量增加到90 m3/h 時,盡管管道入口溫度下降至60 ℃,使得沿線溫度升高幅度有所減小,但熱水的流速增至0.88 m/s,同時熱水頭向前推進的速度也較快,大約5.2 h 即達到了預(yù)熱目標(biāo)溫度。(3)當(dāng)流量繼續(xù)增加到120 m3/h 時,流速增大到1.17 m/s,入口溫度降為50 ℃,熱水頭向前推進的速度在模擬的三種工況中達到最大,預(yù)熱時間進一步降至4 h 左右。由此可見,不同預(yù)熱流量時,管道沿線的溫度分布規(guī)律相似,在熱流介質(zhì)與管內(nèi)原有介質(zhì)相交處的100~200 m 管段內(nèi),管內(nèi)溫度梯度較大。在入口加熱器功率恒定的條件下,流量越高,入口熱流介質(zhì)溫度越低,管道管道沿線溫升幅度越小,但同時管線預(yù)熱完成時間也越短。
與圖2 相對應(yīng),圖3 給出了在不同預(yù)熱流量下,模擬得到的耗時、耗水和耗能的變化結(jié)果。(1)在時間消耗方面,流量對預(yù)熱時間影響顯著,當(dāng)流量由60 m3/h增大到120 m3/h 時,預(yù)熱時間縮短45.6%,這意味著預(yù)熱效率的大幅提高。(2)在水資源方面,盡管流量增大會導(dǎo)致消耗的水資源量有所增多,但由于達到預(yù)熱完成的時間不同,因此不同流量對應(yīng)的耗水量并無明顯差別,不同預(yù)熱流量下,耗水量最大的流量120 m3/h的預(yù)熱流量僅比流量60 m3/h 的預(yù)熱流量相對多耗水8.2%;同時,海洋平臺的海水資源相對充沛,故其微小的耗水量偏差不是影響預(yù)熱方案優(yōu)劣的關(guān)鍵因素。(3)在能量消耗方面,一方面,熱耗呈現(xiàn)出隨流量的增加而顯著下降的趨勢,流量120 m3/h 的熱耗幾乎只有流量60 m3/h 熱耗的一半;另一方面,泵耗卻呈現(xiàn)出隨流量的增加而呈現(xiàn)有所攀升的趨勢。然而,泵耗平均值僅相當(dāng)于熱耗平均值的1% 左右,因此,預(yù)熱方案的能耗主要由熱耗決定,在本文考察的預(yù)熱參數(shù)范圍內(nèi),高流量的能耗遠低于低流量的能耗。
圖2 不同預(yù)熱流量對沿線溫度分布的影響
從上一小節(jié)的研究結(jié)果可以看出,在加熱器滿負荷運行條件下,較高的預(yù)熱流量有助于節(jié)省時間和降低能耗,本小節(jié)將從適度減小加熱負荷的角度探討進一步降低能耗的可行性。圖4 給出了流量120 m3/h,加熱負荷分別為75%和50%時管道沿線溫度分布隨時間的變化趨勢,同時對比如圖2(c)所示的加熱負荷100%對應(yīng)的結(jié)果,可以看出:(1)隨著加熱負荷的減少,管道入口處的熱流介質(zhì)溫度有較為明顯的下降,因此熱水對管道沿線溫度的提升幅度相應(yīng)減少,但熱水頭向前推進的過程中,管道內(nèi)的溫度變化規(guī)律沒有改變,在熱水頭沿程初始到達的管段內(nèi)出現(xiàn)了較大的溫度梯度。(2) 加熱負荷對管道達到目標(biāo)溫度的時間具有一定影響,加熱負荷越少,管道達到目標(biāo)溫度的時間越長,但總體滯后的時間并不顯著。
圖3 不同預(yù)熱流量對應(yīng)的資源和能源消耗
圖4 不同加熱負荷對沿線溫度分布的影響
與圖3 類似,圖5 給出了在不同加熱負荷時,模擬得到的耗時、耗水和耗能的變化結(jié)果。(1)在時間資源方面,加熱負荷對預(yù)熱時間略有影響,當(dāng)加熱負荷降低50%時,預(yù)熱時間僅延長12.4%,這意味著適當(dāng)調(diào)低加熱負荷不會顯著影響預(yù)熱效率。(2) 在水資源方面,由于加熱負荷減少會延長預(yù)熱時間,導(dǎo)致消耗的水資源量相應(yīng)增加,其增多的比例與預(yù)熱時間延長的比例保持一致,因此,當(dāng)加熱負荷降低50% 時,預(yù)熱耗水量也會增多12.4%,考慮到海上水資源相對豐富,小幅增加耗水量不會制約預(yù)熱方案的優(yōu)化。(3)在能源方面,隨著加熱負荷的降低,熱耗呈現(xiàn)出顯著的下降趨勢,而泵耗卻表現(xiàn)出一定的上升趨勢。以加熱負荷降低50%為例,熱耗降低43.8%,泵耗升高12.8%,但由于泵耗不足熱耗的2%,因此,熱耗的變化規(guī)律完全可以表征總能耗的變化規(guī)律,換言之,適當(dāng)降低加熱負荷能夠進一步有效降低預(yù)熱能耗。
圖5 不同加熱負荷對應(yīng)的資源和能源消耗
根據(jù)前人的研究成果[5],管道周圍環(huán)境溫度低于管內(nèi)熱流介質(zhì)溫度,管道溫度隨里程增加而逐漸降低,在管道末端溫度達到最低。因此,在管道預(yù)熱過程中,末端溫度是管道沿線整個溫度場的“卡脖子”溫度,通常以末端溫度是否高于原油凝固點3~5 ℃判別預(yù)熱是否滿足流動保障要求。圖6 給出了上述不同預(yù)熱方案對應(yīng)的末端溫度隨時間的變化??梢钥闯?,在加熱器滿負荷運行的條件下,流量越大,末端溫度起升的時間越早,起升后溫度變化速率大體相同;當(dāng)改變加熱負荷時,末端溫度開始起升的時間不受加熱器負荷變化的影響,起升后溫度變化速率隨著加熱負荷的降低而減?。涣髁颗c加熱負荷均能顯著地改變末端平衡溫度,流量越大、加熱負荷越小,末端平衡溫度越低。如果末端平衡溫度低于預(yù)熱目標(biāo)溫度,顯然無法達成預(yù)熱目的。由此可見,盡管增大流量和減小加熱負荷可以顯著降低預(yù)熱能耗,但在調(diào)整入口預(yù)熱流量與加熱負荷時,需同時考慮末端溫度是否達到預(yù)熱目標(biāo)溫度。
本文通過數(shù)值模擬的方法,研究了在不同熱流介質(zhì)流量與不同加熱負荷的預(yù)熱條件下,海底管道沿線溫度分布特性以及耗時、耗水和耗能變化規(guī)律,綜合考慮節(jié)能能耗和資源消耗,推薦了在本文案例中相對較優(yōu)的預(yù)熱方案,在入口熱流流量為120 m3/h,加熱負荷為50% 的情況下,可使得管道末端平衡溫度高于預(yù)熱目標(biāo)溫度,同時能耗最小。
由高凝原油海底管道在不同預(yù)熱流量、加熱負荷條件下管道沿線溫度及資源、能源消耗的數(shù)值模擬結(jié)果可知:(1) 預(yù)熱流量是影響預(yù)熱時間與能耗的關(guān)鍵因素,適度提高預(yù)熱流量可顯著節(jié)省預(yù)熱時間和能耗,在節(jié)省預(yù)熱時間的優(yōu)勢下,增加預(yù)熱流量并不會顯著增加水量消耗。(2) 在相同預(yù)熱流量的條件下,加熱負荷的變化對管段末端溫度開始起升的時間并無太大影響,適度降低加熱負荷可以進一步節(jié)省預(yù)熱能耗,并不會顯著延長預(yù)熱時間。(3) 提高預(yù)熱流量與降低加熱負荷均會導(dǎo)致管道預(yù)熱階段可達到的最高溫度降低,以降低能耗為目的調(diào)節(jié)預(yù)熱流量和加熱負荷應(yīng)以管道末端平衡溫度高于預(yù)熱目標(biāo)溫度為邊界。