热油管道的停输再启动在线视频

同学们好

本节课我们学习热油管道的停输再启动

在热油管道的运行中

一般情况下是不希望它停输的

也就是希望它正常运行

但是在某些情况下

需要进行停输

那么哪些情况下需要进行停输呢

第一是计划检修

每隔一定的时间就要对管道和设备进行检修

此时就需要停输

还有事故抢修

比如发生漏油和凝管等事故时

就需要临时的抢修

此时也需要停输

还有就是当来油不足的时候

无法按照任务输量进行输送

此时一种工艺就是间歇输送

停输后温度的降低

使原油的流动性恶化

因此造成了管道再启动

可能会存在一定的问题

管道再启动分为两种情况

一种成功的再启动了

但是即使是管道成功的再启动

由于原油流动性

此时在低温区已经比较恶化了

因此流动的阻力比较高

再启动时的压力比较大

另外一种情况就是

再启动所需压力超过泵的扬程或者管道的强度

此时就标志着管道没有办法正常的再启动

也就是所谓的再启动失败

发生这种情况往往是由于停输时间过长

导致的温降幅度过大

所造成的

再启动失败会造成管道事故

此时就需要切割管道分段顶挤

会造成重大的经济损失

因此研究热油管道的停输再启动规律

并在管道的运行管理中进行预防是非常重要的

首先就是管道停输以后的温降规律

想要知道管道停输以后的温降规律

首先得清楚热油管道停输后管内的传热过程

及其特点

如图所示

管壁在停输以后仍然是导热

防腐绝缘层和保温层仍然是导热

因为它们仍然是固体

管外的传热方式与未停输时也相同

现在传热方式唯一的不同的就是

管内油品的区域

由于停输了

原油停止了轴向的流动

它在径向会有一定的流动传热

径向的传热分为三个阶段

首先阶段一是自然对流

管内的热原油

就是红色的区域与管壁

如果有结蜡层的话

就是与结蜡层进行自然对流

那很显然在最外圈也就是与管壁最近的那一层油

温度最先降低

降低到一定程度的时候

自然对流的影响可以忽略

此时就会出现这一薄层的黑色的

原油 这个黑色的

表示的意思是温度降的比较低了

此时黑色的这一圈

它的传热方式就变为导热

随着温度继续降低

自然对流区逐渐缩小

导热区逐渐扩大

这是第二阶段

也就是自然对流和导热共同控制的阶段

这一阶段的特征是什么呢

由于油温降至析蜡点以下

管内逐渐结蜡释放结晶潜热

这是一个相变的潜热 从而延缓了管内原油的温降

同时析出的蜡晶增大了原油的黏度

因为蜡晶是个网状的结构

前面展示过它的显微结构

那么这样的一个网状结构就削弱了

原油的自然对流

使得原油更加向着固态的方向发展

最终经过第二阶段以后继续降温

到第三阶段就整个管道的截面都是一个导热

这就是热油管道停输以后

管内原油的传热方式的三个阶段

自然对流区与导热区是如何划分的呢

它们的边界是如何确定的

这个关系到停输温降计算的准确性

以及再启动判断的准确性

原油温度不需要降低到凝点

即可进入到第三阶段

也就是导热

那么我们一般引入滞流点这样一个概念

也就是温度降到一定程度的时候

自然对流可忽略时的原油温度

就是滞流点温度低于滞流点的区域

都是进入导热的区域

通过这样的一个判断就能确定

自然对流与导热的界面

那么含蜡原油管道停输温降与纯物质液体的

温降它是有区别的

比如说水

它只在冰点温度

也就是水的凝点放出相变潜热

并且相变潜热

是集中在固液相界面处释放的

而原油释相变潜热的时候

它是在整个原油的区域

也就是原油的整体

均释放相变潜热

也就是析蜡潜热

因此在固液界面上不存在温度的跳跃

难以通过测温的方式确定清晰的相界面

由于含蜡原油的这样的一个特点

给准确预测温降带来困难

尤其是无法准确测得固液的相界面

往往只能通过计算来进行预测

对于架空及水中的稠油管道

它的停输温降有什么样的规律呢

停输后的散热量

来自管内的存油和钢管的放热

它的温降比埋地管道快得多

保温层热阻占管道散热总热阻比例很大

可忽略总传热系数的变化

近似按集总热容系统计算

第一是忽略断面上的温度梯度及轴向温降

第二认为管道总传热系数为常数

第三是忽略油品物性随温度的变化

第四是假设环境温度不随时间变化

第五是不计保温层的热容量

这个是对架空及水中稠油管道的

停输温降的一个处理方式

当然这种处理方式是一个比较近似的

一个处理方式

那么在任意的小的一个dτ时间段内

我们可以列架空及水中稠油管道的这样的一个

热平衡方程

这个是油的部分

这个是气的部分

就是管外空气的部分

积分并整理后可得停输

任意时间后的油温

如该式所示

那么对于停输时间不长时

与实测的值符合的较好

那停输时间较长时

由这个式子所计算的油温就偏低了

我们把它画成图

这个点就是实测的数据

这条线就是计算的数据可以看到

随着停输时间的延长

计算值与实测值之间的偏差会越来越大

这是由于它采用了刚才的5点假设所导致的

架空及水中含蜡原油管道停输以后的温降

有什么样的规律呢

它分为三个阶段

温降的初始阶段

温度迅速下降

第二阶段

由于放出析蜡潜热

而且析蜡潜热

在温降中的这个比例占得很大

因此可能会出现这样的一个平台期

也就是由于大量的析蜡潜热的释放

补偿了管内原油的温降

从而可能出现这样的一个温度

近乎不变的这样的一个平台

过了第二阶段之后

温度继续缓慢的降低

这个呢

中间出现的这一段平台期就是与稠油管道的区别

稠油管道由于里面往往是不含蜡的

没有这个结蜡潜热

所以就没有这样的一个平台期

那么对于埋地热油管道

它的停输温降规律又是怎么样的

与架空管道相比

土壤的蓄热比存油大上百倍

因此油温下降主要取决于土壤的冷却情况

此时虽然也有析蜡潜热

但是不足以使温降如架空及水中那样减缓

也就是说此时的析蜡潜热相对于土壤蓄热来说

它的比例是比较小的

所以整个温降分为两个阶段

第一个阶段是快速降温阶段

第二个阶段就进入了比较缓慢的降温阶段

而没有前面所示的这样的一个温度的平台期

对于第一阶段的温降

可以采用下式进行近似计算

可以算出它的第一阶段的停输时间

这个是根据苏霍夫公式

或者是列宾宗温降公式算出的

停输温降

其中的b是由这个式子进行计算

对于第二阶段的温降

由于它的规律比较复杂

没有这样的一个解析表达式

埋地含蜡原油管道的温降规律

都受哪些因素影响呢

首先我们列出了管径从小到大

对于不同的起始油温下

末端的油温

都是在管径比较大的时候

末端油温比较高

因此我们可以看到大口径管道它的停输温降

比较慢

地温的影响

从这个表中的数据可以看到

地温越低

原油温降越快

油温的影响

出站的温降是大于进站温降的

这也很好理解

因为出站的油温很高

往往是远高于进站油温的

因此出站的原油与环境的温差很大

它的温降很快

由于我国所产原油大多为易凝高黏原油

在低温下的流动性比较差

容易造成管道事故

因此对其进行停输再启动研究

意义重大

输油管道停输后的再启动过程

分为两种情况

第一是正常停输时间范围内的再启动

可以直接泵送热原油

压力波的传播需要一定的时间

停输时原油冷却收缩

黏度上升

表现出触变性

冷油被顶出前

继续降温

管道的流量恢复到正常运行水平需要一定时间

如果停输时间较长

大部分原油都会发生胶凝

此时就需要用热油

低黏油品

热水

尽快把存油顶挤出去

流量恢复过程取决于再启动压力

管道长度

停输时间

顶挤液性质

管内存油的流变性等

为了在工程中准确控制再启动过程的工艺参数

就需要对它进行准确的水力计算

工程上管道的停输再启动水力计算

要解决两个方面的问题

第一是使全管原油产生流动

所需的最小的经济压力

第二是全管原油产生流动后

能否在允许时间内规定压力下恢复正常运行

也就是说管道的成功再启动

不仅要看全管原油是否产生流动

还要看使全管原油产生流动

所需的压力是不是太大了

超过管道的强度或者是泵所提供的扬程

还要再看

在允许的时间内

规定的压力下

能否恢复正常的运行

这些条件都满足了

才能判断为再启动成功

如果停输时间较短

此时只要泵提供的压头

可以克服站间高差

管道就可以恢复流动

与水等一般液体管道的启动过程无异

如果管中心原油为液态时

此时再启动

往往是在某一径向位置 及其内部

也就是某径向位置以内

原油先产生流动

凝油层逐渐被油流剪切下来

因此这个径向位置是逐渐扩大的

直至整个管道截面都产生流动

那准确确定凝油层的厚度很关键

也很困难

需要考虑原油的触变性

整个过程从物理上来看

是一个非稳态的过程

但是在我们解决这个问题的时候

需要把它近似为一系列的稳态的过程

也就是所谓的准稳态的一个处理的思想

那整个加压顶挤的过程

可以用这个图来简单的说明

从管道的入口进行加压顶挤

由于在管道入口附近的压力比较大

因此胶凝原油内部的结构首先被破坏

所以这就是所谓的残余结构段

可以认为在这一段内

原油内的胶凝结构已经被破坏了

那么下一段它所承受的压力比较低

其中有一部分结构裂降

同时又有部分结构得到恢复

实现一个动态的平衡

那么最后面这一段压力还没有传到

因此这是初始的屈服段

就是还没有产生流动的这一段

如果施加的压力过小

则凝油结构不能完全破坏

就需要提高压力

如果施加压力达到管道最高允许压力

并持续一段时间

仍不能使全管凝油产生流动

则再启动失败

此时就只能开孔放油或者是分段加压顶挤

这个是不得已而为之的情况

就是不小心停输时间过长了

实在没有办法了

才采用的这样的一个办法

因此是正常情况下是不允许冷至胶凝的

也就是在工程实践中要规定

允许的最大停输时间

胶凝原油管道的再启动过程中

压力波速比液态原油慢得多

与原油的温降幅度有关

随着距离的延长

压力波速明显衰减

再启动过程中的管道摩阻计算

应计入原油触变性的影响

因此仅仅根据管道的长度

管径以及屈服应力来估算再启动压力

会与实际产生较大的偏差

但是用这个式子算出来的结果是偏保守的

从管道的再启动

过程的分析以及水力计算的介绍

我们可以看到原油管道的停输和再启动过程是

一个复杂的水力热力过程

设计非常复杂的管内油品与管外介质的

非稳态传热和相变

非牛顿流体的流动传热耦合

因此无法获得解析解

并且沿线的埋深土壤物性等参数

实际上是变化的

具有不确定性

如果用集总热容法来处理如此复杂的

非稳态问题

往往与工程实际偏差较大

不能满足要求

而数值计算能克服这些缺点

并且目前也能较好的解决此类工程问题

由于它

精度较高

能够反映真实的非稳态流动与传热过程

因此下面简单介绍一下

热油管道停输再启动的数值模拟

首先对于停输温降的数值计算

整个管道管内的油流区域

管壁

防腐层保温层以及管外的土壤区域

可以画这样的一个网格

用离散化的方法来进行计算

那么它的控制方程就是这样的一个导热的方程

此时里面的λe指的是当量导热系数

也就是把管内的自然对流这样的一个作用

等效成导热

那么当量导热系数根据自然对流系数以及温差

来进行计算得到

这样处理的好处就是把管内复杂的温降过程

统一为简单的导热问题进行计算

经过较多的工程应用证明

当量的处理方式是能够满足工程上的精度需求的

对于结蜡层

钢管壁

防腐层

保温层等等的非稳态导热

可以直接用极坐标系下的固体区域的导热方程

来进行计算

对于土壤部分的非稳态导热的数值计算

同土壤温度场的部分

在前面已经介绍过了

对于停输以后的再启动的数值计算

在管道的沿线可以每隔一定的距离

布置一个节点

把整个的管道离散成这样的一系列的节点

采用瞬变管流方程和Houska触变模型

来进行计算

确定沿线的流量压力

这是本章的思考题

本节就讲到这里

同学们再见