[發明專利]原油管道預熱投產熱力過程的計算方法

在審

• 申請號: 201410386941.3
• 申請日: 2014-08-07
• 公開（公告）號: CN104102852A
• 公開（公告）日: 2014-10-15
• 發明（設計）人: 宇波;張健;張欣雨;章濤;王欣然
• 申請（專利權）人: 中國石油大學（北京）
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00;G06F17/50
• 代理公司: 北京超凡志成知識產權代理事務所(普通合伙) 11371
• 代理人: 吳開磊

1.一種原油管道預熱投產熱力過程的計算方法，其特征在于，包括如下步驟：

對原油管道預熱投產過程進行合理簡化，建立正常輸送工況下的描述管內介質與管道周圍土壤換熱的物理模型；根據所述物理模型推導出控制方程，并確定計算區域和邊界條件；

建立停輸工況下的數學模型以及再啟動安全評價的數學模型；

采用不同的網格系統分別對所述正常輸送工況下的物理模型、所述停輸工況下的數學模型以及所述再啟動安全評價的數學模型進行離散，應用有限容積法和有限差分法得到離散的控制方程；

對所述離散的控制方程進行迭代求解并輸出結果。

2.如權利要求1所述的原油管道預熱投產熱力過程的計算方法，其特征在于，

所述管內介質包括預熱介質、輸送介質。

3.如權利要求2所述的原油管道預熱投產熱力過程的計算方法，其特征在于，

所述對原油管道預熱投產過程進行合理簡化，建立正常輸送工況下的描述管內介質與管道周圍土壤換熱的物理模型；根據所述物理模型推導出控制方程，并確定計算區域和邊界條件，具體包括如下步驟：

為簡化計算過程，作如下基本假設：

(1)正常輸送工況中認為管內同一截面上介質溫度、壓力、流速和密度是均勻的，認為這些變量只是時間和管道軸向位置的函數；(2)將管道周圍土壤視為均勻介質，認為其物理性質各向相同；(3)由于土壤沿管道軸向的溫度梯度遠小于沿管道徑向的溫度梯度，忽略相鄰土壤截面之間的導熱，將問題簡化為二維非穩態導熱；(4)不考慮預熱介質與輸送介質在交界面的摻混，認為是“活塞型”驅替；(5)認為管道豎直中心線左右寬10m、深10m的矩形區域為土壤熱力影響區；

基于以上假設與簡化，建立如下數學模型：

所述管內介質的連續性方程、動量方程和能量方程依次為：

∂∂τ(ρA)+∂∂z(ρVA)=0;]]>

∂V∂τ+V∂V∂z=-gsinα-1ρ∂p∂z-fDV22;]]>

∂∂τ[(ρA)(u+V22+gs)]+∂∂z[(ρVA)(h+V22+gs)]=-πDq;]]>

由以上三個方程得到管流介質與管壁的換熱方程：

CpdTdτ-Tρβdpdτ-fV32D=-4qρD;]]>即公式2.5；

其中，τ為時間，s；z為距管道起點的距離，m；ρ為管內介質在截面處的平均密度，kg/m³；V為管流介質的平均速率，m/s；A為管道的截面積，m²；g為重力加速度，m/s²；α為管道軸向與水平方向的夾角；p為介質在截面處的平均壓力，Pa；f為達西摩阻系數；D為管道有效流通截面的直徑，m；u為管內介質比內能，J/kg；s為相鄰單元間的高程差，m；h為管內單位質量介質的比焓，J/kg；q為管內介質與單位面積的管壁在單位時間內的熱交換量，W/m²；C_P為管內介質的定壓比熱容，J/(kg·℃)；T為管內介質溫度，℃；β為管內介質的膨脹系數，℃^-1；

確定管壁和防腐層的導熱方程：

ρiCi∂Ti∂τ=1r∂∂r(λir∂Ti∂r)+1r2∂∂θ(λi∂Ti∂θ);]]>即公式2.6；

其中，預熱新建管道時，i＝1,2，分別代表管壁和防腐層；預熱在役管道(低凝原油改輸高凝原油)時，i＝1,2,3，分別代表結蠟層、管壁和防腐層；兩種情況中，ρ_i為第i層的密度，kg/m³；C_i為第i層的比熱容，J/(kg·℃)；T_i為第i層的溫度，℃；λ_i為第i層的導熱系數，W/(m·℃)；r為徑向位置，m；θ為環向弧度；

確定管道周圍土壤的導熱方程：

ρsCs∂Ts∂τ=∂∂x(λs∂Ts∂x)+∂∂y(λs∂Ts∂y);]]>

其中，ρ_s為土壤的密度，kg/m³；C_s為土壤的比熱容，J/(kg·℃)；T_s為土壤的溫度，℃；λ_s為土壤的導熱系數，W/(m·℃)；x為距離管道中心豎直截面的橫向距離，m；y為距離地表的縱向深度，m；

考慮計算區域的對稱性，僅取管道的右半部分(10m×10m的矩形熱力影響區)進行研究，則邊界條件為：

當y＝0時，λsdTsdy=αa(Ta-Ts);]]>

當x＝0，且-(h₀-R)≤y≤0或y≤-(h₀+R)時，

當y＝-H時，T_s＝T_n；

當x＝L時，λsdTsdx=0;]]>

其中，h₀為管道中心埋深，m；R為包含防腐層后的管道半徑，m；α_a為地表與大氣的換熱系數，W/(m²·℃)；T_a為氣溫，℃；T_n為土壤恒溫層的溫度，℃；H為管道熱力影響區的縱向深度，m；L為管道熱力影響區的橫向寬度的一半，m。