热油管道停输降温过程研究进展

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1、北京石油化工学院学报第18卷第3期Vol_18NO．3JournalofBeijingInstituteof2010年9月Sep．2010Petro—chemicalTechnology热油管道停输降温过程研究进展*刘刚张园园(1．中国石油大学(华东)，山东青岛266555；2．中石化勘探开发研究院，北京100083)摘要管内含蜡原油在停输后的温降过程是一个伴随相变、自然对流及移动边界的不稳定传热的过程，目前停输降温过程的研究主要采用数值计算的方法。从管内原油传热和管道与外部环境传热等角度，对热油管道温降过程的研究现状进行综述，指出在计

2、算时需要处理好管内原油的自然对流、具有移动边界的析蜡相变传热以及埋地热油管道外土壤求解区域的简化问题。只有充分考虑上述问题，对热油管道的停输降温过程进行研究，才能得出对实践更具有指导意义的结果。关键词热油管道；停输降温；数值计算；进展中图法分类号TE832世界很多国家和地区都生产含蜡原油，含1管内原油的传热问题蜡原油在常温下流动性较差(例如大庆原油的凝点高达33℃)，目前主要采用加热输送工管道停输后，根据管内原油传热方式的变艺[1]。在管道运行过程中，不可避免地会遇到化可将整个降温过程分为3个阶段I6]：停输问题[2]。管道停输后，随着

3、管内油温的降(1)自然对流传热为主的阶段。管道刚开低，含蜡原油中的蜡晶逐渐析出，并相互交联形始停输时，管壁与管中心的油温差别较大，故自成网状结构，使得原油结构强度增大，当该强度然对流比较强烈，热流强度最大，原油温降也最超过泵所能提供的启动压力或管路所能承受的快。同时在自然对流的作用下，温度低的原油压力时，就可能发生凝管事故，造成巨大的经济集中到管道底部，而较热的原油则上升到管道损失。因而，研究热油管道的停输降温过程，对上方，这就使得管道横截面上原油的最高温度确定安全停输时间，提出再启动方案以及制订区不在管道中心，而是中心偏上的位置，即温

4、度停输检修计划具有重要的指导作用。场上浮。目前对热油管道停输降温过程的研究主要(2)自然对流和导热共同控制阶段。随着采用数值计算的方法l3]。一般而言，如果管道油温继续降低，原油粘度逐渐增大，尤其当油温停输时间较长，管内含蜡原油在停输后的温降低于析蜡点温度时，蜡晶不断析出并形成网络过程是一个伴随相变、自然对流及移动边界的结构，使得自然对流强度减弱。管壁处凝油层三维不稳定传热问题，但由于管道轴向温降比逐渐增厚，即纯导热区不断扩大，而对流区逐步径向温降要小得多，因而在数值计算时，常将其缩小，从而成为具有移动相界面的复合传热。简化为二维(径向

5、、周向)不稳定传热问题。停该阶段自然对流强度的减弱使得温度场的上浮输后，管内原油向周围散热，管道与管外环境组越来越不明显，最高油温区逐渐下移至管道中成一个完整的热力系统，管内原油以及各层介心，导致管中心油温几乎不变，再加上析蜡潜热质之间又组成不同的热力子系统[4]。的释放和凝油层热阻的增加，使得管内温降速度很慢。(3)纯导热阶段。该阶段，管内自然对流已收稿日期：2010—03—16全部消失，原油传热方式只剩导热，又由于与外*国家自然科学基金资助项目，项目号：50904077；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目，项目号：09CX040

6、15A。界的温差已减小，故温降速度比第一阶段慢，但12北京石油化工学院学报2010年第18卷由于高温区已停止下移，且凝油层热阻也不再停输降温过程中管内原油温度场的变化，根据变化，因而该阶段温降速度比第二阶段快。测试结果，采用热平衡方法求出自然对流放热前人对管内原油冷却过程研究的核心内容系数，计算了相应的无因次准数努塞尔数、格拉可归结为两方面：原油的自然对流传热和具有晓夫数和普朗特数，并用回归分析法提出了自移动边界的原油析蜡相变传热_4]。然对流放热的准则方程式。与无限空间自然对1．1原油的自然对流传热问题流准则方程相比，在相同工况下，回

7、归所得准则在分析停输降温过程时，也有研究者忽略方程式计算出的自然对流换热系数可降低管内原油的自然对流传热[7]，将含蜡原油看作20～5O，而且计算得到的温降规律也更接是双组元系统(高粘度的液相在一定温度范围近于实测的温降规律。内发生相变的石蜡)，在此基础上，将其中的传1．2具有移动边界的原油析蜡相变传热热过程看作是在有分散热源情况下的导热或连在停输降温的第二阶段，如何处理具有移续热源导热。这两种处理方法的最大区别在动边界的析蜡相变传热是问题的关键[4]。于，是否考虑停输降温过程中的自然对流传热。原油中的蜡指的是含16个碳原子及以上由于原

8、油为高普朗特数Pr数流体，稍有温差就的烷烃混合物。蜡在原油中的溶解度随相对分会发生自然对流，因而，考虑自然对流的处理方子质量的增大而下降。与其他纯物质(例如水)法更接近温降过程的本质。在数值计算中，若不同，