集肤效应电伴热管道再启动三维非稳态传热过程数值模拟

对集肤效应电伴热管道停输再启动过程进行了研究。考虑管道正常运行及停输过程中管内原油粘度、密度、比热容、导热系数随温度的变化情况,同时考虑停输过程中的原油凝固潜热对温降的影响,对集肤效应电伴热管道加热到输送温度的过程进行了数值模拟,数值模拟结果可为确定合理的停输再启动时间、管道安全启动提供理论指导。     

用数值积分方法计算埋地热油管道的轴向温降

研究了埋地热油管道中油品流态变化时所对应的临界温度的求解方法,提出用临界温度来判断埋地热油管道中流态和流型的变化情况.在考虑原油物性和总传热系数随温度变化以及摩擦生热的基础上建立了埋地热油管道正常运行时的轴向温降数学模型,并研究了数学模型的求解方法,提出了求解埋地热油管道正常运行时的轴向温降数学模型的步骤,由于模型中考虑了原油物性和总传热系数随温度的变化,因此,利用此方法的计算结果更接近于实际.     

含蜡原油管道停输降温的数值计算

埋地热含蜡原油管道停输后,当管内原油温度降至析蜡点以下时,原油中的蜡晶将逐渐析出。根据含蜡原油降温过程中黏弹性随温度的变化特点,利用温降过程中储能模量、损耗模量和损耗角的变化与温度的关系提出了划分管道停输温降阶段的方法,即以析蜡点和储能模量与损耗模量相等时(损耗角等于45°)的温度点为临界点,将温降过程划分为三个阶段,并以花格管道为例利用FLUENT软件对原油降温过程进行数学描述和计算求解。另外还选取不同性质的原油对该方法进行验证,得到含蜡原油管道停输温降规律。     

水下热油管道停输过程中原油温降规律的数值模拟

热油管道停输温降规律的研究是确保管线安全启动的首要条件。埋地长输管道沿线地质条件复杂, 常穿越河流、湖泊,导致部分管线水下敷设,由于没有周围土壤的蓄热作用,在停输过程中水下管段的温降往往决定 了整条管线的停输时间。随着海上油气的开采,水下管道安全停输规律的研究显的更为重要。利用FLUENT 软 件,采用“焓-多孔度”技术模拟水下管道停输过程管内原油温降规律并考虑了原油凝固潜热对温降的影响,得出了 不同时刻管内原油凝固区、混合区、液油区的位置。结果表明,管道停输初期管内原油温度整体下降较快,中后期由 于原油凝固释放潜热且凝油层厚度不断增加,热阻增大,大大降低了原油温降速率,模拟结果与实际吻合较好。     

热油管道停输降温过程研究进展

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。     

架空原油管道停输期间温降及原油凝固界面推进

由于架空原油管道没有土壤的蓄热来减缓管内原油的热散失,架空原油管道的温降过程往往成为决定整条管道允许停输时间的关键。根据原油温度划分管内原油为纯液油区、凝油区和纯固油区,并假设凝油区以已凝固原油、固体骨架和液态原油为填充相的多孔介质区域,该区域随着温降过程向管心推移。考虑了凝固潜热和空气横掠管道对流换热对原油温降过程的影响,建立了空气、管道与原油相互耦合的传热模型,并进行了数值模拟,数值结果表明停输前期管内原油的温度整体下降较快;在停输中后期,由于凝固潜热的释放,凝油厚度增加使得热阻增大,大大减缓了原油温度的降低;对流换热系数沿管道周向分布不均,导致管内原油温度周向分布不均和凝固界面中心偏离管道中心。     

海底原油管道停输温降的Fluent模拟

利用Fluent流体分析软件模拟海底管道停输温降过程,分析不同初始油温、不同环境温度下的温降过程,得出了与实际吻合较好的温降曲线。计算结果表明,管道停输0~20h温降速度很快,主要是因为该阶段管内原油的自然对流较强烈。停输20h后的一段时间内温降缓慢,降温在5℃以内,这是因为管内原油接近临界温度,原油黏度增大及蜡晶析出,使得自然对流强度减弱。初始油温和海水温度对停输温降影响非常明显。     

埋地热输原油管道在线修复时站间温降随输量的变化

针对原油长输管线局部大修时出现凝油事故的问题进行了研究。采用分段法计算埋地热输原油管道在线修复时站间的温降随输量的变化,并用C语言编制了计算程序,进行了实例计算;指出提高原油流量是减小站间温降,防止凝油事故的有效方法.     

用有限元法计算埋地热油管道土壤温度场

埋地热油管道土壤温度场计算是研究热油管道停输再启动及间歇输送的重要组成部分。通过分析埋地热油管道的几何特性建立了热油管道土壤温度场数学模型和求解边界条件。并使用ANSYS有限元软件求解该数学模型。其中,在建立数学模型时,把埋地热油管道土壤温度场简化为二维非稳定传热问题,在求解边界条件中充分考虑了地面温度随季节变化以及土壤温度随深度和季节而变化等诸多因素的影响。通过对土壤温度场一个运行周期的计算可求解出在运行周期内某时刻土壤温度场的温度分布,也可以求解出土壤中任意点在整个运行周期中的温度变化情况。方法简便易行、运行稳定可靠。这些问题的求解为研究热油管道间歇输送过程中确定停输时间以及再启动等问题奠定了基础。     

管道停输开挖过程传热数值计算

埋地管道在运行过程中有时会因意外情况而需要停输。在停输过程中,管内油品的温度和土壤温度场的变化很大,会影响管道的安全输送,因此研究停输过程中管内油品的温度和土壤温度场对埋地管道的安全运行有重要的意义。模拟了埋地管道停输时土壤开挖过程中的土壤区、管内油温以及开挖区等三个区域的温度场变化情况,并模拟了开挖区域温度的变化对土壤温度场、管内油温的影响,得出了管内油温和土壤温度场的变化规律,研究结果可为管道的安全生产提供一定的科学依据。     

裸露管线温降规律研究

裸露原油管线停输后,由于管道中油的热容量要比周围土壤的热容量小得多,所以冷却速度要比埋地管道快得多,成为限制允许停输时间的关键。根据裸露热油管道的热力及水力特征,建立了管道停输后的温降数学模型。将模型简化后采用有限差分方法,把热传导偏微分方程转化为线性方程组后,用迭代法求解。编制了停输温降温度场的程序框图,以实际管道为例计算出不同停输时间管道内的温度分布值。将管线停输后管中心、1/2半径及管壁处温度进行比较,制定出可行的管线间歇输送方案。     

保温层失效比例对热油管道安全停输时间的影响

针对热油管道的保温层由于特定原因而出现部分失效,进而导致在维修过程中安全停输时间难以控制的问题,结合有限容积法,建立了热油管道二维、非稳态模型。该模型考虑了凝固潜热的影响,对比分析了热油管在5种情况(即保温层未失效、1/8失效、1/4失效、1/2失效及全部失效)下的温降规律。在此基础上,运用SPSS软件,拟合了停输时间与热油的平均温度的关系曲线,最终确定了上述5种情况下的安全停输时间。研究结果表明,5种情况下管内热油温降规律基本相似,且安全停输时间分别为205、148、118、99和74h;由于凝固潜热弥补了部分散热损失,因此1/4失效和1/2失效情况下的安全停输时间差仅为19h。     

埋地热油管道启输过程土壤温度场三维数值模拟

在考虑气候条件和启输温度变化的情况下,用有限单元法对管道周围土壤温度场进行了三维数值计算,得到了不同时刻的土壤温度场分布情况。同时,对不同温度热水预热时的埋地热油管道启输过程的土壤温度场进行了对比,结果表明,虽然提高预热介质的温度可以达到更好的预热效果,但过多提高预热介质的温度,并不能得到最佳的预热效果。     

含特殊管段的含蜡原油管道热力计算与分析

针对含蜡原油长输管道管内外情况均十分复杂的特点,详细研究了含特殊管段的含蜡原油长输管道,利用有限元法对热油管道处于不同工况下的热力模型进行了求解,并在计算过程中对特殊管段进行了巧妙的处理,最后通过算例详细分析了特殊管段对处于不同工况的原油管道热力特性的影响。结果表明,结蜡层的存在会使处于正常运行管道中的原油散热能力减弱,但却会使停输管道内的原油温降速率增大;而管道沿线浸水段的存在,不仅会使管道正常运行中末端油温偏低,还可能使管道在停输中中间浸水段的油温远远低于末端温度,严重影响对停输管道顺利再启动的判断。     

冷热原油长距离顺序输送动态传热特性数值研究

冷热原油顺序输送对土壤温度场的要求及其严格,这也是确保冷油过后,热油能否安全进站的关键。基于传热学和流体动力学,建立了埋地管道流动与传热控制方程,数值模拟了冷热原油顺序输送过程中管道沿线不同位置轴向油温及土壤温度场的动态变化过程。研究表明,随着出站油温的冷热交替周期运行,管道沿线不同位置 的管内油温及周围一定范围内的土壤温度场呈现周期性变化,并存在一定的时间或空间滞后性,且对于低输量运行的管道来说,超过一定输送距离后,输送温度趋于一致;在热油-冷油交替输送过程中,热油受前端冷油的影响,热油头进站温度最低,这是管道安全运行方案应考虑的主要因素。     

原油物性对裸露管线停输温降规律的影响

结合裸露管线的热力特性,建立管道停输时非稳态传热模型,分别计算了原油物性参数随温度变化和不随温度变化两种条件下的安全停输时间。结果表明,在原油物性参数不随温度变化的条件下所得结果与实际停输情况有很大差别,因此应考虑物性参数随温度的变化。在原油物性参数随温度变化的情况下,改变影响停输温降的因素如停输起始油温、环境温度、保温层厚度,计算了不同条件下的安全停输时间。计算结果表明,停输起始油温以及保温层厚度逐渐增大且增加幅度相同时,安全停输时间增加的幅度基本相同;外界环境温度逐渐升高且增加幅度相同时,安全停输时间的增长幅度越来越大。     

埋地热油管道保温层优化与经济评价

以保温材料的年分摊费用和保温后的年散热损失费用之和为目标优化函数,给出了埋地热油输送管道保温层经济厚度的计算模型。模型考虑了埋设深度对管道周围环境温度、保温层外壁放热系数及总传热系数的影响。借助C#程序语言编制了埋地热油管道保温层厚度优化的计算机求解程序和EXCEL经济评价程序,结合实例进行了计算。结果表明,埋地热油管道保温层厚度对项目的经济效益具有较为明显的影响,因此确定保温层厚度时要兼顾技术层面及经济层面的要求。研究结果可为热油输送管道施工的优化设计提供一定的理论参考。     

同沟并行管道周围土壤温度场的数值模拟

针对同沟敷设并行热油管道与成品油管道的能量传递过程进行研究,采用有限差分法建立管道正常运行时的非稳态传热模型。并利用有限容积法对管道沿线不同截面处并行管道周围土壤温度场进行数值计算。以西部管道,鄯善-四堡段为例,地表环境温度采用周期性边界条件,得到了不同季节沿线不同位置土壤温度场的变化规律。研究表明,随着地表温度的周期性变化,冷成品油管道对热油管道周围土壤温度场的影响程度不同,且对远离冷成品油管道一侧的热油管道周围土壤温度场影响较小,随着管道运行时间的增加,冷成品油对热油管道周围土壤温度场的影响逐渐减弱。模拟结果与实际吻合较好,为合理制定检修计划和间歇输送方案及确定安全停输时间提供一定的理论指导。     

考虑海管各覆盖层蓄热的停输温降与输送方案

海底管道停输温降直接决定着海管置换与掺水输送时机,以及停输后能否顺利再启动。为了研究海管各覆盖层的蓄热对停输温降的延缓作用,通过理论分析各层相对流体的蓄能能力大小,模拟计算钢管和土壤蓄热对不同类型管道停输后温降的影响情况,并以渤海两条实际管道为例优化输送方案。结果表明,钢管蓄热总量约为所输原油蓄热总量的一半,所输水量的1/4,所输天然气的4~16倍（根据系统压力的不同）;钢管和土壤的蓄热散热对流体停输温降均有一定的延缓作用。对于保温管道,钢管的蓄热散热具有主导作用;不保温管道,土壤的蓄热散热影响很大;对于渤海油田常见的输油海管,考虑钢管的蓄热散热能提高管线出口温度3.5~13.5 ℃;对于混输保温管道,当气油比（GOR）大于10时,钢管蓄热对停输温降的延缓作用尤为明显,有利于安全顺利输送;考虑土壤或钢管的蓄热散热对停输温降的影响可以延缓或取消掺水输送。