海底熱油管道溫度場(chǎng)模擬

西南石油大學(xué)本科論文海底熱油管道溫度場(chǎng)模擬摘要海上油氣田開(kāi)采的油氣大部分將通過(guò)管道運(yùn)輸至陸上進(jìn)行再處理。海上原油管輸過(guò)程中，需要加熱來(lái)降低原油的粘度?？刂坪线m的輸油溫度、管道穩(wěn)定安全運(yùn)行等需要準(zhǔn)確確定海底輸油管道在不同季節(jié)、不同地域等條件下的溫度場(chǎng)分布情況。此外，管輸作業(yè)中，不可避免的遭遇自然災(zāi)害、管道維修等緊急情況，原油被迫停輸；在停輸階段，管內(nèi)原油溫度降低，粘度上升，當(dāng)油溫降至某溫度時(shí)，會(huì)給管道的再啟動(dòng)帶來(lái)極大困難，甚至于造成凝管事故，為避免此類情況發(fā)生，需要準(zhǔn)確預(yù)測(cè)停輸溫降規(guī)律和安全停輸時(shí)間。本文對(duì)海底輸油管道的穩(wěn)態(tài)及非穩(wěn)態(tài)傳熱問(wèn)題了進(jìn)行了數(shù)值模擬。主要進(jìn)行了以下幾方面的工作：1、分析了輸油管道在運(yùn)行過(guò)程中的傳熱特點(diǎn)，將海底輸油管道的熱作用區(qū)域簡(jiǎn)化為矩形區(qū)域，并建立了海底輸油管道的物理模型和數(shù)學(xué)模型。2、對(duì)海底輸油管道穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)周圍砂土溫度場(chǎng)進(jìn)行了模擬計(jì)算，計(jì)算出了管內(nèi)原油的沿程溫降，繪制了原油沿程溫降曲線圖。3、建立了海底輸油管道停輸階段的物理數(shù)學(xué)模型，并對(duì)微分方程進(jìn)行了數(shù)值求解，模擬計(jì)算了各工況條件下的安全停輸時(shí)間，繪制了停輸時(shí)原油溫降曲線。本文對(duì)海底輸油管道傳熱問(wèn)題求解的嘗試，所建立的海底輸油管道的物理模型和數(shù)學(xué)模型，所應(yīng)用的數(shù)值計(jì)算方法，為進(jìn)一步研究海底輸油管道的傳熱機(jī)理提供了理論參考；求解結(jié)果為海底輸油管道的穩(wěn)定安全運(yùn)行提供了技術(shù)支持。關(guān)鍵詞：海底輸油管道；安全停輸時(shí)間；溫度場(chǎng)；數(shù)值模擬AbstractExploitationofmarineoilandgasresourcesisthemajororientationofChina'senergydevelopment.Pipelineswilltransportmostoftheoilandgasfromoffshoreoilfieldstomainland.Inthetransportationprocessofcrudeoil,heatingupisneededtoreducetheviscidityofthecrudeoil.Thetemperaturefield,underdifferentsurroundingsandterrains,isneededtoaccuratelyknowforloweringtheoiltemperature.Otherwise,naturedisasterandpipelinemaintainsareinevitable,whichcompelthecrudeoiltoshutdown.Inaddition,theunavoidablenaturaldisastersandemergenciessuchaspipelinemaintenancewillforcetheShuttingdownofcrudeoil;Duringtheshutdown,thetemperatureofcrudeoildepressesandtheviscidityrises,whenitdropstoacertaintemperature,therestartingofpipelinewillbeverydifficult,evencausetocoagulatepipe;inordertoavoidsuchincidents,thetemperaturedroplawandshutdowntimeisneededtoaccuratelypredict.Inthispaper,thenumericalsolutionisusedtosolvethesteadyandnonsteadyheattransferofsubmarineoilpipeline,andthecorrespondingprogramcodesareinstituted.Themainworkisasthefollowing:1.Analysisoftheoilpipelinetotheheattransfercharacteristics,thethermaleffectareaissimplifiedtorectangleregion,basedonwhichthephysicalandmathematicmodelsareestablished.2.Thestabletemperaturefieldofthesandaroundthesubmarineoilpipelineissimulatedandcalculated,thetemperaturedropalongthepipelineofcrudeoiliscalculatedandthetemperaturedropgraphofcrudeoilisdrawn.3.Thephysicalandmathematicmodelsareestablishedforpipelineshutdownphase,thedifferentialequationissolvedbynumericalmethod.Theshutdowntimeunderdifferentconditionissimulatedoutandthetemperaturedropgraphofcrudeoilisdrawnforpipelineshutdown.Theattemptofsolvingtheproblemofheattransferaboutsubmarineoilpipelines,thephysicalmodelandmathematicalmodelgiveninthispaper,theapplicationofnumericalmethods,allthesewillprovideatheoreticalreference.Keywords:submarineoilpipeline;safeshutdowntime;temperaturefield;numericalSimulation目錄1前言 11.1論文的目的意義 11.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 21.2.1穩(wěn)態(tài)傳熱的研究現(xiàn)狀 21.2.2穩(wěn)定輸送時(shí)沿程溫度場(chǎng)模擬 31.2.3停輸時(shí)溫度場(chǎng)變化研究現(xiàn)狀 41.3論文的研究?jī)?nèi)容 51.4論文的研究途徑及對(duì)相關(guān)軟件的介紹 51.5本章小結(jié) 62熱油管道的特性 72.1土壤溫度場(chǎng) 72.2熱油管道的流動(dòng)特性 92.3海底熱油管道的傳熱過(guò)程 102.3.1、熱傳遞的基本方式 102.3.2傳熱微分方程 112.3.3海底石油管道的傳熱基本過(guò)程 122.4影響海底熱油管道的散熱因素 122.5海底熱油管道停輸降溫 132.6海底熱油管道參數(shù)的確定 132.6.1原油的物性參數(shù) 132.6.2海底恒溫層的選取 152.7本章小結(jié) 173海底熱油管道的物理模型和數(shù)學(xué)模型 183.1海底熱油管道穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程的物理模型和數(shù)學(xué)模型 183.1.1物理模型 183.1.2數(shù)學(xué)模型的建立 193.2海底熱油管道穩(wěn)定輸送時(shí)沿程溫降物理模型和數(shù)學(xué)模型 213.2.1物理模型的建立 213.2.2數(shù)學(xué)模型的建立 213.2.3數(shù)學(xué)模型及物理模型在COMSOLMultiphysics的簡(jiǎn)化及實(shí)現(xiàn) 223.3海底熱油管道停輸時(shí)的物理模型和數(shù)學(xué)模型 243.3.1物理模型建立 243.3.2數(shù)學(xué)模型的建立 243.2.3數(shù)學(xué)模型及物理模型在COMSOLMultiphysics的簡(jiǎn)化及實(shí)現(xiàn) 263.4本章小結(jié) 264海底熱油管道的數(shù)值模擬 274.1海底熱油管道穩(wěn)態(tài)傳熱的模擬 274.1.1熱油管道截面上熱流密度和管道埋深的關(guān)系 274.1.2熱油管道截面上熱流密度和保溫層厚度的關(guān)系 294.1.3熱油管道截面上熱流密度和管道直徑的關(guān)系 314.1.4熱油管道熱流密度和海水溫度的關(guān)系 344.1.5熱油管道熱流密度和熱油溫度的關(guān)系 354.1.6小結(jié) 374.2海底熱油管道穩(wěn)定輸送時(shí)沿程溫降計(jì)算模擬 374.2.1對(duì)不同管徑的20km的熱油管道的沿程溫降模擬 374.2.2小結(jié) 404.3海底輸油管道停輸傳熱模擬計(jì)算 404.3.1安全停輸時(shí)間和保溫層的關(guān)系 404.3.2安全停輸和輸油管道直徑的關(guān)系 454.3.3安全停輸時(shí)間與海水溫度的關(guān)系 484.3.4安全停輸時(shí)間和熱油溫度的關(guān)系 504.3.5小結(jié) 534.4本章小結(jié) 535結(jié)論 545.1結(jié)論 541前言1.1論文的目的意義我國(guó)是一個(gè)海洋大國(guó)，有著長(zhǎng)達(dá)18000公里的海岸線，已經(jīng)探明的海洋石油地質(zhì)儲(chǔ)量為12億噸，海洋天然氣的地質(zhì)儲(chǔ)量為170億立方米。開(kāi)發(fā)海洋，開(kāi)采海洋油氣資源是我國(guó)能源開(kāi)展的一個(gè)重要方向。我國(guó)海上油氣田的開(kāi)發(fā)成績(jī)顯著：在南海除阿科氣田外，有13個(gè)油氣田陸續(xù)開(kāi)采；在東海繼平湖油氣田投產(chǎn)以來(lái)，又在上海東南450km的西湖凹陷春曉三井發(fā)現(xiàn)大油氣田，春曉油氣田已經(jīng)著手進(jìn)行開(kāi)采；蓬萊1-93是目前發(fā)現(xiàn)的僅次于大慶的我國(guó)第二個(gè)大油田，儲(chǔ)量超過(guò)6億噸。目前我國(guó)海上油氣年產(chǎn)已逾3000萬(wàn)噸。海上油氣田開(kāi)采生產(chǎn)出的石油天然氣除少數(shù)在海上直接裝船外運(yùn)外，多數(shù)將通過(guò)海底管道運(yùn)輸至陸上加工處理。海底管道作為一種輸送流體介質(zhì)的工具，具有輸送連續(xù)、效率高、輸送量大、成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)。隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，海上油氣資源的開(kāi)發(fā)力度將會(huì)加大，海底管道的鋪設(shè)量將會(huì)大大增加，我國(guó)的海底油氣管道正處于已建管道的維護(hù)和新建管道建設(shè)的重要發(fā)展期。[1]原油在用管道輸送過(guò)程中，需要加熱來(lái)降低原油的粘度，以降低輸油成本。對(duì)于各類輸油管道，控制合適的輸油溫度是一項(xiàng)有效的節(jié)能降耗措施，但由于外界環(huán)境迥異，若不能準(zhǔn)確地確定管道在不同地域條件、不同季節(jié)的溫度場(chǎng)變化情況，只能依賴經(jīng)驗(yàn)確定輸油溫度，這將導(dǎo)致輸油溫度偏高。另外，加熱輸送的原油管道在運(yùn)行過(guò)程中，不可避免地會(huì)遭遇自然災(zāi)害、油田停電和管線維修等意外，造成停輸，這時(shí)油管內(nèi)原油的粘度隨油溫下降而升高，當(dāng)油溫降到一定值后，會(huì)給管道的再啟動(dòng)帶來(lái)極大的困難，甚至造成凝管事故。為避免凝管事故發(fā)生，需要準(zhǔn)確預(yù)測(cè)埋地管道在受外界非穩(wěn)態(tài)環(huán)境影響時(shí)，在不同停輸階段管內(nèi)原油的降溫情況，準(zhǔn)確計(jì)算出管道的停輸溫降規(guī)律及允許停輸時(shí)間。[2]海底輸油管道以其埋設(shè)環(huán)境的特殊性——鋪設(shè)于海底，其安全穩(wěn)定運(yùn)行引得更多的關(guān)注。良好的環(huán)境是人類生存的根本。石油等傾瀉于海的報(bào)道屢見(jiàn)不鮮，造成的污染直接影響到人居環(huán)境，其后果非經(jīng)濟(jì)損失可以計(jì)量，亦有可能隨時(shí)間而延續(xù)。因此，對(duì)海底輸油管道的安全運(yùn)行進(jìn)行研究，不僅是有益于管道的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，亦有助于對(duì)海洋環(huán)境的的保護(hù)。我國(guó)已建成的海底管道，總長(zhǎng)約2000多公里。對(duì)海底輸油管道的穩(wěn)定輸送、停輸及啟動(dòng)進(jìn)行安全運(yùn)行研究，不僅有利于降低輸油成本、減少能耗、保護(hù)海洋環(huán)境，而且可為海上油氣田生產(chǎn)管理提供科學(xué)的依據(jù)，對(duì)于指導(dǎo)油田的輸油生產(chǎn)、管道安全運(yùn)行和節(jié)能降耗也具有重要意義，有利于實(shí)現(xiàn)石油生產(chǎn)及運(yùn)輸工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。[2]1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1穩(wěn)態(tài)傳熱的研究現(xiàn)狀管道周圍的土壤溫度場(chǎng)直接影響到管道的傳熱過(guò)程，對(duì)管道傳熱及土壤溫度場(chǎng)的研究，國(guó)內(nèi)外的許多學(xué)者都作了大量的研究，不斷取得了進(jìn)展。RosalindA.Archer和MichaelJ.O.Sullivan.在求解長(zhǎng)輸管道周圍土壤溫度場(chǎng)問(wèn)題時(shí)，使用效圓筒法進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理。等效圓筒法就是認(rèn)為管道處于半無(wú)限大土壤空間內(nèi)，將土壤轉(zhuǎn)化為圍繞管道的當(dāng)量環(huán)狀層。因此，等效圓筒模型是對(duì)稱分布的有界區(qū)域。但由于在非穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)當(dāng)量的土壤環(huán)狀層的厚度難以確定，致使等效圓筒法多應(yīng)用于穩(wěn)態(tài)傳熱問(wèn)題的解決。約費(fèi)解決了關(guān)于計(jì)算半有限大土壤中的圓柱體等溫?zé)嵩吹乃沧儨囟葓?chǎng)問(wèn)題及管道沿程熱損失問(wèn)題，并給出了非穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程的土壤溫度場(chǎng)的解析解。在求解解析解的過(guò)程中，他作了頗多假設(shè)及對(duì)邊界問(wèn)題進(jìn)行了簡(jiǎn)化，但是獲得的解析解仍然非常復(fù)雜，不適合工程上輸油管道的傳熱計(jì)算。李長(zhǎng)俊在考慮了由于熱油管道對(duì)周圍土壤的熱力作用，引起大地溫度場(chǎng)重新分布，導(dǎo)致土壤導(dǎo)熱系數(shù)變化的熱力工況后，建立了埋地?zé)嵊洼斔凸艿赖臒崃τ?jì)算模型。利用保角變換及拉普拉斯變換等方法，針對(duì)輸送工況改變后，管道內(nèi)輸送介質(zhì)和管道周圍土壤的不穩(wěn)定傳熱進(jìn)行了分析求解，得出了土壤溫度場(chǎng)計(jì)算公式。吳明、楊惠達(dá)等考慮了熱油管道停輸后油品和管道周圍土壤熱力工況變化，對(duì)土壤溫度場(chǎng)傳熱的定解問(wèn)題進(jìn)行了分析研究，并運(yùn)用數(shù)學(xué)分析方法(保角變換、拉普拉斯變換)對(duì)其進(jìn)行求解，得出了土壤溫度場(chǎng)的解析式。介質(zhì)在穩(wěn)定傳熱的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出了埋地管道周圍土壤溫度場(chǎng)的計(jì)算公式。該公式由于沒(méi)有考慮外界環(huán)境溫度變化及管徑大小對(duì)傳熱過(guò)程的影響，因此得出計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況有一些差距。張國(guó)忠等人利用探針?lè)ǚ椒▽?duì)熱油管道周圍溫度場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，并對(duì)熱油管道正常運(yùn)行、停輸和再啟動(dòng)全過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬方法研究，建立了熱油管道正常運(yùn)行、停輸和再啟動(dòng)全過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，編制、完善了軟件。由于探針只能探測(cè)2米左右的地下土壤，并且測(cè)試的實(shí)驗(yàn)周期短，因此該方法未能詳盡反映實(shí)際管道的傳熱過(guò)程。McGilvaryW.Randy和CarlsonRobertF.在寒冷地區(qū)周圍土壤凍結(jié)的情形下對(duì)埋地管道進(jìn)行了傳熱分析和實(shí)驗(yàn)研究，但是并沒(méi)有對(duì)土壤溫度場(chǎng)的年際變化情況進(jìn)行追蹤測(cè)試，因此該分析并不完善。[3]樊洪明、江億等對(duì)直埋管道保溫層及其管道周圍土壤的溫度場(chǎng)進(jìn)行了分析，使用保形映射、分離變量和邊界離散法對(duì)地下直埋管道的溫度場(chǎng)進(jìn)行分析，得到了級(jí)數(shù)形式的解。提出的確定級(jí)數(shù)項(xiàng)系數(shù)的邊界離散法適于解決某些可分離變量的非正交問(wèn)題，在工程計(jì)算中，使用邊界離散法得到的結(jié)果較為精確可靠。程艷、沈勝?gòu)?qiáng)等用邊界元法對(duì)埋地?zé)崃艿赖膫鳠釂?wèn)題進(jìn)行了處理，把偏微方程化為積分方程，降低了求解問(wèn)題的維數(shù)。但是該方法不適用于處理非線形的傳熱問(wèn)題。[4]李長(zhǎng)俊、曾自強(qiáng)等根據(jù)半無(wú)限大空間土壤不穩(wěn)定傳熱模型，推導(dǎo)出了土壤溫度場(chǎng)隨管內(nèi)介質(zhì)和氣候條件變化的解析解，并同時(shí)考慮管內(nèi)介質(zhì)和土壤之間的傳熱，進(jìn)一步討論了熱油管道在停輸、啟輸和正常輸送過(guò)程中的土壤溫度場(chǎng)的計(jì)算問(wèn)題。張靜、吳明用有限元法對(duì)埋地?zé)嵊凸艿赖臏囟葓?chǎng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。建立了埋地管道的傳熱數(shù)學(xué)模型，并使用ANSYS計(jì)算軟件進(jìn)行了求解計(jì)算，在求解邊界條件中考慮了季節(jié)變化。姜篤志在分析熱油管道周圍土壤溫度場(chǎng)時(shí)，利用雙極坐標(biāo)保角變換的方法將半無(wú)限大土壤溫度場(chǎng)轉(zhuǎn)化為有限場(chǎng)，提出了熱油管道非穩(wěn)定熱力過(guò)程的計(jì)算方法。以反輸試驗(yàn)數(shù)據(jù)為例對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，認(rèn)為該方法可以應(yīng)用到熱油管道的停輸、啟動(dòng)、反輸?shù)确欠€(wěn)定熱力過(guò)程的模擬計(jì)算。崔慧等通過(guò)對(duì)因輸量、加熱溫度等因素引起的埋地?zé)嵊凸艿婪欠€(wěn)態(tài)運(yùn)行過(guò)程的研究，提出了以管外壁與土壤交界處的熱流量作為耦合參數(shù)的數(shù)學(xué)模型，并給出了熱流量的簡(jiǎn)單有效的處理方法，并對(duì)土壤溫度場(chǎng)及管道內(nèi)原油的沿程溫降情況利用有限單元法進(jìn)行了求解[5]。BoerS.和HulsbergenC.H.對(duì)海底埋地管線進(jìn)行了傳熱計(jì)算，并利用二維Navier-Stokes方法對(duì)流動(dòng)過(guò)程建立了計(jì)算模型，對(duì)于傳熱過(guò)程則采取一維穩(wěn)態(tài)模型。實(shí)踐表明，此類簡(jiǎn)化滿足工程需要。Rawat,P.C.等通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得海底土壤的導(dǎo)熱系數(shù)，為海底管道傳熱計(jì)算提供了相關(guān)的計(jì)算參數(shù)。[5]1.2.2穩(wěn)定輸送時(shí)沿程溫度場(chǎng)模擬輸油管道穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)沿程溫降是管道設(shè)計(jì)及運(yùn)行的重要參數(shù)之一，是管道傳熱計(jì)算的重要組成部分。對(duì)管道沿程溫降的計(jì)算，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的試驗(yàn)及理論研究工作。蘇霍夫得出在不考慮油流摩擦生熱時(shí)的蘇霍夫公式，可以說(shuō)明油品沿管線沿程溫度分布情況，但是它沒(méi)有考慮管道的實(shí)際熱工變化情況，沒(méi)有充分考慮到非穩(wěn)態(tài)環(huán)境對(duì)原油沿程溫降的影響。李南生、李洪升、丁德文等從二維相變熱傳導(dǎo)方程出發(fā)，應(yīng)用保角變換將研究區(qū)域規(guī)整化，在熱力等效原理基礎(chǔ)上導(dǎo)出凍結(jié)期輸油管道擬穩(wěn)態(tài)溫度公式，并給出了保溫隔熱層厚度、管線散熱損失、管道軸向溫降、管道上部最大凍深、凍結(jié)速率及系統(tǒng)熱阻的計(jì)算公式。梁光川針對(duì)埋地?zé)嵊凸艿赖囊话阈问剑远S非穩(wěn)定傳熱方程來(lái)描述輸油管道的傳熱方程，建立了溫度場(chǎng)計(jì)算模型，在邊界條件中充分考慮了地面溫度變化以及管徑等參數(shù)對(duì)管路溫降的影響，采用有限差分理論對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行了模擬計(jì)算，得出了熱油管道的有關(guān)熱工參數(shù)。侯連榮、李津等考慮了摩擦生熱對(duì)油流軸向溫降的影響，根據(jù)分段計(jì)算方法獲得了長(zhǎng)距離加熱輸送管道的水力和熱力計(jì)算方法，并編制了計(jì)算機(jī)程序。王海琴?gòu)哪芰科胶怅P(guān)系式出發(fā)，推導(dǎo)出了含蠟原油熱輸管道沿程溫度分布的計(jì)算公式，通過(guò)與蘇霍夫公式進(jìn)行對(duì)比，其計(jì)算的溫降損失減小，從而可延長(zhǎng)熱站間的距離，降低原油的出站溫度,通過(guò)數(shù)值計(jì)算得出保溫層對(duì)沿程溫降的影響,給出了原油管道最佳保溫層厚度的計(jì)算方法。王凱、吳明在對(duì)含蠟原油熱油管道輸送工藝計(jì)算中，根據(jù)比熱容隨溫度變化的趨勢(shì),得出3個(gè)不同溫度區(qū)域內(nèi)的比熱容表達(dá)式，分別將其代入能量平衡方程中，并推導(dǎo)出不同含蠟原油的軸向溫降公式。楊惠達(dá)等根據(jù)熱油管道停輸后油品和管道周圍土壤的熱力變化工況，提出了傳熱定解問(wèn)題，應(yīng)用保角變換進(jìn)行了數(shù)學(xué)求解，得出了管道中油品軸向溫度隨時(shí)間和距離變化的解析解，并編制了相應(yīng)的計(jì)算軟件。輸油管道內(nèi)介質(zhì)沿程溫降不僅與管道進(jìn)口介質(zhì)溫度、流量、等變化有關(guān)，還隨環(huán)境溫度的周期性變化而變化。管道的溫降精確計(jì)算至今尚未完善，盡管國(guó)內(nèi)外已經(jīng)推出了一些商品化的計(jì)算軟件，但未考慮土壤溫度周期性變化、時(shí)間延遲及變物性等影響。[6]1.2.3停輸時(shí)溫度場(chǎng)變化研究現(xiàn)狀停輸溫降的傳熱計(jì)算是管道傳熱計(jì)算的主要內(nèi)容之一，停輸時(shí)間的長(zhǎng)短是關(guān)系到管道能否安全再啟動(dòng)的決定性因素。因此，對(duì)原油停輸過(guò)程的傳熱計(jì)算具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。張國(guó)忠通過(guò)對(duì)熱油管道周期運(yùn)行溫度的計(jì)算，討論了熱油管道輸油歷史對(duì)周期運(yùn)行溫度的影響。指出事故允許停輸時(shí)間的確定應(yīng)考慮停輸前15天內(nèi)管道輸油參數(shù)變化的影響。邢曉凱建立了熱油管道停輸降溫過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，并模擬計(jì)算了長(zhǎng)距離埋地?zé)嵊凸艿赖慕禍剡^(guò)程，分析了土壤導(dǎo)熱系數(shù)的變化對(duì)停輸過(guò)程軸向溫度分布的影響。埋地?zé)岷炘凸艿劳］斶^(guò)程中,當(dāng)管內(nèi)原油溫度降到析蠟點(diǎn)以下時(shí)結(jié)晶放熱,考慮到這些特點(diǎn)，許康等使用焓法方程對(duì)析蠟點(diǎn)以下伴隨有析蠟?zāi)z凝現(xiàn)象的原油降溫過(guò)程進(jìn)行了數(shù)學(xué)描述,并給出了使用有限元法對(duì)焓法方程進(jìn)行數(shù)值求解的方法。楊惠達(dá)等根據(jù)熱油管道停輸后油品和管道周圍土壤的熱力變化工況，提出了傳熱定解問(wèn)題并使用拉普拉斯反變換進(jìn)行了數(shù)學(xué)求解，得出了管道中油品軸向溫度隨時(shí)間和距離的變化關(guān)系的解析解，并用數(shù)值計(jì)算的方法求出了不同情況下管道的允許停輸時(shí)間。[6]李長(zhǎng)俊等對(duì)熱油管道停輸后管內(nèi)油品物性、管道及周圍介質(zhì)之間的相互關(guān)系及其不穩(wěn)定傳熱問(wèn)題，提出了熱力計(jì)算的數(shù)學(xué)模型，采用保角變換和盒式積分法對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行處理，構(gòu)造出問(wèn)題的差分方程。劉曉燕等確定了慶哈輸油管道停輸后的最危險(xiǎn)截面，并建立了管道停輸時(shí)的非穩(wěn)態(tài)傳熱物理模型和數(shù)學(xué)模型，得出了管道停輸后管內(nèi)原油溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律及慶哈輸油管道的允許停輸時(shí)間。李偉、張勁軍全面分析了埋地含蠟原油管道停輸后管內(nèi)原油的溫降規(guī)律，對(duì)埋地含蠟原油管道與輸水管道、稠油管道以及架空管道的停輸溫降規(guī)律進(jìn)行了比較。在分析影響埋地含蠟原油管道停輸溫降的各種因素時(shí),指出停輸初始階段的自然對(duì)流傳熱和伴隨有蠟晶潛熱釋放的移動(dòng)界面?zhèn)鳠釂?wèn)題是埋地含蠟原油管道停輸溫降研究的兩個(gè)關(guān)鍵。趙曉東、張立新等在給出停輸過(guò)程的熱力模型及啟動(dòng)過(guò)程的熱力、水力模型的基礎(chǔ)上，對(duì)鐵秦管道夏季各站間停輸溫降過(guò)程進(jìn)行了模擬，并模擬分析了葫蘆島——綏中段在四種工況下的再啟動(dòng)過(guò)程，探討了鐵秦輸油管道降溫輸送的可行性。盧濤等對(duì)架空管道內(nèi)的原油停輸溫降情況進(jìn)行了詳細(xì)的分析，他重點(diǎn)考慮了凝固潛熱和空氣橫掠管道對(duì)流換熱對(duì)原油溫降過(guò)程的影響,建立了空氣、管道與原油相互耦合的傳熱模型,并進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。張國(guó)忠、高探貴等對(duì)東黃復(fù)線停輸再啟動(dòng)進(jìn)行了理論研究及工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，建立數(shù)學(xué)模型，使用有限元法計(jì)算了東黃復(fù)線不同季節(jié)、不同輸油溫度、不同輸油工況條件下的停輸降溫過(guò)程及再啟動(dòng)過(guò)程。蔣新國(guó)、劉愛(ài)虢、丁啟敏對(duì)含蠟原油停輸過(guò)程建立了數(shù)學(xué)模型，指出在夏季短時(shí)間的停輸過(guò)程中，氣溫突降在短時(shí)間內(nèi)對(duì)停輸?shù)墓軆?nèi)油溫?zé)o任何影響。安家榮，史秀敏，張國(guó)忠等在建立了管道停輸與再啟動(dòng)過(guò)程數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值方法和混合語(yǔ)言編程技術(shù)，開(kāi)發(fā)了熱油管道停輸與再啟動(dòng)過(guò)程模擬計(jì)算軟件,解決了熱油管道停輸與再啟動(dòng)過(guò)程預(yù)測(cè)的技術(shù)難題。吳明、崔華等根據(jù)熱油管道的流動(dòng)特征，建立了熱油管道停輸數(shù)學(xué)模型，并用追趕法求解了差分方程組，計(jì)算出了安全停輸時(shí)間。[7]1.3論文的研究?jī)?nèi)容1、分析了輸油管道在運(yùn)行過(guò)程中的傳熱特點(diǎn)，將海底輸油管道的熱作用區(qū)域簡(jiǎn)化為矩形區(qū)域，并建立了海底輸油管道的物理模型和數(shù)學(xué)模型。2、對(duì)海底輸油管道穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)周圍砂土溫度場(chǎng)進(jìn)行了模擬計(jì)算，計(jì)算出了管內(nèi)原油的沿程溫降，繪制了原油沿程溫降曲線圖。3、建立了海底輸油管道停輸階段的物理數(shù)學(xué)模型，并對(duì)微分方程進(jìn)行了數(shù)值求解，模擬計(jì)算了各工況條件下的安全停輸時(shí)間，繪制了停輸時(shí)原油溫降曲線。1.4論文的研究途徑及對(duì)相關(guān)軟件的介紹論文中的數(shù)據(jù)來(lái)源于通過(guò)COMSOLReactionEngineeringLab3.5a對(duì)簡(jiǎn)化后的工程情況的模擬。COMSOLMultiphysics是一款大型的高級(jí)數(shù)值仿真軟件。廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)研究以及工程計(jì)算，被當(dāng)今世界科學(xué)家稱為“第一款真正的任意多物理場(chǎng)直接耦合分析軟件”。模擬科學(xué)和工程領(lǐng)域的各種物理過(guò)程，COMSOLMultiphysics以高效的計(jì)算性能和杰出的多場(chǎng)雙向直接耦合分析能力實(shí)現(xiàn)了高度精確的數(shù)值仿真。COMSOLMultiphysics是以有限元法為基礎(chǔ)，通過(guò)求解偏微分方程（單場(chǎng)）或偏微分方程組（多場(chǎng)）來(lái)實(shí)現(xiàn)真實(shí)物理現(xiàn)象的仿真，被當(dāng)今世界科學(xué)家稱為“第一款真正的任意多物理場(chǎng)直接耦合分析軟件”。用數(shù)學(xué)方法求解真實(shí)世界的物理現(xiàn)象，COMSOLMultiphysics以高效的計(jì)算性能和杰出的多場(chǎng)雙向直接耦合分析能力實(shí)現(xiàn)了高度精確的數(shù)值仿真。目前已經(jīng)在聲學(xué)、生物科學(xué)、化學(xué)反應(yīng)、彌散、電磁學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)、燃料電池、地球科學(xué)、熱傳導(dǎo)、微系統(tǒng)、微波工程、光學(xué)、光子學(xué)、多孔介質(zhì)、量子力學(xué)、射頻、半導(dǎo)體、結(jié)構(gòu)力學(xué)、傳動(dòng)現(xiàn)象、波的傳播等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。大量預(yù)定義的物理應(yīng)用模式，范圍涵蓋從流體流動(dòng)、熱傳導(dǎo)、到結(jié)構(gòu)力學(xué)、電磁分析等多種物理場(chǎng)，用戶可以快速的建立模型。COMSOL中定義模型非常靈活，材料屬性、源項(xiàng)、以及邊界條件等可以是常數(shù)、任意變量的函數(shù)、邏輯表達(dá)式、或者直接是一個(gè)代表實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的插值函數(shù)等。預(yù)定義的多物理場(chǎng)應(yīng)用模式，能夠解決許多常見(jiàn)的物理問(wèn)題。同時(shí)，用戶也可以自主選擇需要的物理場(chǎng)并定義他們之間的相互關(guān)系。當(dāng)然，用戶也可以輸入自己的偏微分方程（PDEs），并指定它與其它方程或物理之間的關(guān)系。1.5本章小結(jié)本章介紹了論文的研究意義和背景；對(duì)論文所設(shè)計(jì)的不同板塊的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了簡(jiǎn)單說(shuō)明；并介紹了實(shí)現(xiàn)數(shù)值模擬所需要用的軟件。2熱油管道的特性2.1土壤溫度場(chǎng)2.1.1土壤自然溫度場(chǎng)按照統(tǒng)計(jì)規(guī)律，大氣溫度以年為周期呈周期性變化，土壤溫度受大氣溫度影響，從而土壤溫度也呈周期性變化。在忽略同一深度地層處的水平溫度變化，并認(rèn)為熱物性均勻的基礎(chǔ)上，可以把土壤近似認(rèn)為是均質(zhì)的半無(wú)限大物體，溫度變化只發(fā)生在深度方向上，土壤溫度場(chǎng)呈一維分布。據(jù)資料顯示，大氣溫度日變化對(duì)距地表0.4m以內(nèi)的土壤溫度有較大的影響，而對(duì)0.4m以下的土壤溫度影響不大，更深處土壤只受到旬、月氣溫波動(dòng)的影響。另外，土壤自然溫度變化比大氣溫度變化有一個(gè)滯后時(shí)間，距離地面越深的地方，滯后時(shí)間越長(zhǎng)，溫度波幅也是隨土壤的深度而變小，并在一定深度的地方周年溫度變化幅度很小。大氣對(duì)土壤的傳熱微分方程如下[8]（2.1）一年內(nèi)日平均溫度近似做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)（2.2）將地表作為第三類邊界條件來(lái)求解，式可得出周期性大地自然溫度隨深度和時(shí)間變化的理論關(guān)系式:（2.3）其中——從地面算起的深度，m——從一年內(nèi)日平均溫度最高算起的時(shí)間，s——一年計(jì)算時(shí)間，s——年平均氣溫，℃——一年內(nèi)日平均最高溫度，℃——土壤的導(dǎo)溫系數(shù)，——土壤導(dǎo)熱系數(shù)，——海水對(duì)地表的放熱系數(shù)，2.1.2有熱油管道的土壤溫度場(chǎng)當(dāng)存在埋地管道時(shí)，埋地管道示意圖如圖2—1。由于管道在輸送原油的過(guò)程中向外界散發(fā)熱量，大地溫度場(chǎng)分布無(wú)論在水平方向還是在深度方向都將發(fā)生變化。由于存在埋地管道時(shí)，管道在運(yùn)行的過(guò)程中向外界散發(fā)熱量，這樣土壤溫度場(chǎng)受外界大氣和管道的雙重影響。原來(lái)的溫度場(chǎng)要重新分布，即由一維變?yōu)槎S。在正常運(yùn)行的熱油管道周圍的土壤中，存在著一個(gè)以管道為中心的熱力影響區(qū)域。因熱油管道的散熱，該區(qū)域內(nèi)的溫度高于同深度的自然地溫，即形成一個(gè)圍繞管道的蓄熱層。在管道停輸時(shí)，該蓄熱層可大大延緩管內(nèi)原油的溫降。該影響區(qū)域的范圍與管內(nèi)油溫、管徑、土壤物性和季節(jié)等因素有關(guān)。對(duì)某埋深為1.7m的護(hù)426mm非保溫管道，實(shí)測(cè)得到的全年最大影響熱力區(qū)域范圍是水平方向5m，深度方向5.5m。由于受到大氣溫度年周期性變化和管內(nèi)油溫的共同影響，該熱力影響區(qū)域內(nèi)溫度呈準(zhǔn)周期規(guī)律變化。在熱力影響區(qū)域內(nèi)，表層土壤溫度受大氣溫度的日變化影響較大，變化規(guī)律與自然溫度場(chǎng)基本一致。管道熱力影響區(qū)可按現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量數(shù)據(jù)或理論計(jì)算中的試算來(lái)確定?？衫锰结槣y(cè)量管道周圍土壤溫度場(chǎng)分布規(guī)律，也可在試驗(yàn)室對(duì)正常運(yùn)行管道周圍的土壤溫度場(chǎng)進(jìn)行熱電模擬。[4]圖2.1埋地?zé)嵊凸艿澜孛鎴D2.2熱油管道的流動(dòng)特性由于熱油管道的沿線溫降，管道沿線的單位管長(zhǎng)摩阻損失將越來(lái)越大，而原油的流變性是決定管道沿程摩阻或啟動(dòng)壓力的主要因素之一。原油的流變性與原油的組成、熱處理?xiàng)l件和管內(nèi)剪切降溫過(guò)程等因素有關(guān)。原油沿管道剪切降溫過(guò)程中，在不同的溫度區(qū)會(huì)表現(xiàn)出不同的流變性。當(dāng)油溫高于反常點(diǎn)時(shí)，表現(xiàn)出牛頓流體特性。當(dāng)油溫低于反常點(diǎn)，原油會(huì)表現(xiàn)出非牛頓流體特性，原油表觀粘度不僅與油溫有關(guān)，而且還與剪速有關(guān)。含蠟原油流變特點(diǎn)是當(dāng)管內(nèi)油流高于析蠟點(diǎn)時(shí)，蠟全部溶解于原油中，原油屬于牛頓流體，粘度只隨溫度而變化。隨著油溫的降低，當(dāng)油溫降到析蠟點(diǎn)以下時(shí)，液態(tài)原油中的蠟晶按分子量的大小而次第析出，開(kāi)始形成連續(xù)相是液態(tài)烴、分散相是蠟晶的二相體系。在油溫高于反常點(diǎn)時(shí)，析出的蠟晶不多，該二相體系的粘度只隨溫度而變化，仍具有牛頓流體的特性，但粘度與溫度的關(guān)系與溫度高于析蠟點(diǎn)時(shí)不同。當(dāng)溫度降到反常點(diǎn)以下時(shí)，隨著析出蠟晶的增多，原油的粘度已不再是溫度的單一函數(shù)，還隨剪切速率而變化，即原油轉(zhuǎn)變?yōu)榉桥ｎD流體，具有剪切稀釋性及觸變性，表觀粘度隨剪速的增大而下降，原油為假塑性流體。當(dāng)溫度進(jìn)一步降低到失流點(diǎn)以下時(shí)，表現(xiàn)出明顯的觸變性和剪切稀釋性，原油為屈服假塑性流體。含蠟熱油管道停輸后，管內(nèi)原油在靜態(tài)下降溫，粘度增大;對(duì)于非牛頓溫度范圍的油品，流動(dòng)時(shí)被破壞的結(jié)構(gòu)會(huì)重新恢復(fù)，而使流變性變差，進(jìn)而使得再啟動(dòng)壓力上升。稠油含膠質(zhì)、瀝青較多而含蠟量較少，其粘度高，凝點(diǎn)低，在運(yùn)行軸向溫降和停輸溫降中不致發(fā)生相變、凝結(jié)，但稠油的粘度大，在常溫下高達(dá)上千甚至萬(wàn)毫帕，在較高溫度下就轉(zhuǎn)變?yōu)榉桥ｎD流體。因此，需要將稠油提升很高的溫度才能順利輸送。稠油的凝點(diǎn)往往低于環(huán)境溫度，一般不會(huì)冷卻至凝點(diǎn)。熱油在管道中流動(dòng)時(shí)存在牛頓流型及非牛頓流型。對(duì)于大直徑熱油管道，一個(gè)加熱站內(nèi)較常見(jiàn)的變化情況是:從加熱站出口處的牛頓紊流——非牛頓紊流——非牛頓層流。對(duì)于高粘度熱稠油管道，則常是牛頓紊流牛頓層流非牛頓層流。[9]2.3海底熱油管道的傳熱過(guò)程2.3.1、熱傳遞的基本方式熱傳遞是一種復(fù)雜的現(xiàn)象，在不同的條件下具有不同的機(jī)理。工程中所遇到的熱傳遞現(xiàn)象常常是幾種基本方式的不同主次的組合。一般認(rèn)為這些基本方式有三種，即熱傳遞、熱對(duì)流及熱輻射。熱傳導(dǎo)簡(jiǎn)稱導(dǎo)熱。兩個(gè)相互接觸的物體或同一物體的各部分之間，由于溫度不同而引起的熱傳遞現(xiàn)象，稱為導(dǎo)熱。物體內(nèi)各部分溫度不同，此時(shí)物體內(nèi)沒(méi)有明顯的物質(zhì)轉(zhuǎn)移，而僅依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)進(jìn)行熱量傳遞。導(dǎo)熱現(xiàn)象不僅在固體和靜止的流體中存在，在流動(dòng)的流體中也同樣存在。1822年，傅里葉在其著作中引出了熱傳導(dǎo)計(jì)算的基本公式：式中：——垂直于導(dǎo)熱方向的截面積，；——平壁厚度，；——平壁兩側(cè)壁溫之差，℃；——導(dǎo)熱系數(shù)，.導(dǎo)熱系數(shù)反映物質(zhì)的導(dǎo)熱能力。單位面積所傳遞的熱量，稱為熱流密度。有上式可見(jiàn)熱對(duì)流是液體或氣體由于宏觀相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從某一區(qū)域遷移到溫度不同的另一區(qū)域時(shí)的熱傳遞過(guò)程。對(duì)流換熱過(guò)程中，熱流量的計(jì)算采用牛頓冷卻公式：或用熱流密度表示為式中：——垂直于導(dǎo)熱方向的截面積，；——對(duì)流換熱系數(shù)，；——壁面溫度與流體溫度之差，2.3.2傳熱微分方程由傅里葉導(dǎo)熱定律可知，要獲得導(dǎo)熱體內(nèi)各處的熱流密度，必須已知物體內(nèi)各點(diǎn)的溫度分布。實(shí)際上，這也是求解導(dǎo)熱問(wèn)題的根本任務(wù)。對(duì)于多維溫度場(chǎng)，必須以能量守恒及傅里葉定律為基礎(chǔ)，在導(dǎo)熱體中取微元體，分析其能量平衡，得出描述導(dǎo)熱現(xiàn)象基本規(guī)律的導(dǎo)熱微分方程，然后結(jié)合給定的具體條件——定解條件。求出導(dǎo)熱體內(nèi)的溫度分布。導(dǎo)熱微分方程式以數(shù)學(xué)的形式，描述無(wú)數(shù)具有不同特點(diǎn)的導(dǎo)熱現(xiàn)象中導(dǎo)熱體內(nèi)溫度分布的方程式。對(duì)于特定的導(dǎo)熱現(xiàn)象，在求解時(shí)必須給出反映該現(xiàn)象特點(diǎn)的單值性條件，使之能單值地確定其解。單值條件包括：1、幾何條件：給定導(dǎo)熱體的幾何形狀、尺寸及相對(duì)位置。2、物理?xiàng)l件：給定導(dǎo)熱體的物理特征，例如諸如物理參數(shù)的大小，內(nèi)熱源的分布狀況等。3、初始條件：給定導(dǎo)熱開(kāi)始，即時(shí)，導(dǎo)熱體內(nèi)的溫度分布狀態(tài)：,對(duì)于穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，不需要給定此條件。4、邊界條件：給定導(dǎo)熱體各邊界上的熱狀態(tài)，常用的有如下三種。（1）給定任一瞬時(shí)物體各邊界上的溫度分布，稱為第一類邊界條件，寫(xiě)作式中下標(biāo)“”表示邊界。（2）給定任一瞬時(shí)邊界上任一點(diǎn)的熱流密度，稱為第二類邊界條件，寫(xiě)作作為第二類邊界條件的特例，當(dāng)邊界絕熱時(shí)，則有即此類條件也稱為絕熱邊界條件。（3）給定物體表面與周圍流體之間的熱交換狀態(tài)，稱為第三類邊界條件，又稱對(duì)流邊界條件。根據(jù)能量平衡，物體邊界與周圍流體之間的對(duì)流換熱量，應(yīng)等于單位時(shí)間內(nèi)以導(dǎo)熱形式傳到邊界上的熱流密度，即式中：為物體邊界的外法線方向，表示周圍介質(zhì)的平均溫度，為導(dǎo)熱體的導(dǎo)熱系數(shù)。[10]2.3.3海底石油管道的傳熱基本過(guò)程熱油管道大多都采用埋地敷設(shè)，對(duì)于埋地原油管道，傳熱過(guò)程由3部分組成，即管內(nèi)液油以對(duì)流方式將熱量傳給凝油內(nèi)側(cè)，經(jīng)過(guò)凝油、管壁、保溫層等將熱量傳給周圍土壤，再經(jīng)地面與海水換熱。[11]2.4影響海底熱油管道的散熱因素影響熱油管道散熱的因素很多，將其分為內(nèi)部因素和外界環(huán)境因素。其內(nèi)部因素包括:油品的熱物理性質(zhì)、管道的輸油量、加熱溫度、管徑的大小、保溫條件、凝油層、管子、絕緣層、保溫層、保護(hù)層等的厚度、熱物理特性等。外界環(huán)境因素對(duì)埋地管段來(lái)說(shuō)包括:埋地管段土壤的物性，覆土的厚度、大氣溫度、風(fēng)速等。對(duì)架空管來(lái)說(shuō)，大氣溫度、風(fēng)速等是影響散熱的外界環(huán)境因素。對(duì)水中管來(lái)說(shuō)，水溫、水的流動(dòng)速度是影響散熱的主要外界環(huán)境因素。對(duì)架空管和水中管而言，由于大氣和水的溫度受管道散熱的影響很小，所以架空管和水中管的管道在外界環(huán)境介質(zhì)中的傳熱問(wèn)題較簡(jiǎn)單。而對(duì)于埋地的熱油管道，其管道在外界環(huán)境介質(zhì)中的傳熱為熱量在半無(wú)限大土壤介質(zhì)中的傳遞過(guò)程。由于土壤的熱物性參數(shù)隨土壤的種類、孔隙度、濕度和溫度的不同而異，且大氣溫度的變化會(huì)引起土壤溫度場(chǎng)的改變，地表與大氣間也存在著輻射及對(duì)流等形式的熱交換，所以埋地管道的傳熱較復(fù)雜。熱油管道的散熱情況由各種因素綜合決定，其中任何一種因素的改變都會(huì)影響散熱情況。如當(dāng)熱油管道的油流溫度提高時(shí)，管道與外界的溫差增大，在新的溫差情況下其散熱損失將增大，當(dāng)熱油管道的油流溫度降低時(shí)，管道與外界的溫差減小，使管路散熱損失減少。提高或減少輸量，情況和油溫變化時(shí)一樣，沿線油溫相應(yīng)的升高或降低。外界環(huán)境溫度的升高或降低，沿線油溫也相應(yīng)的升高或降低。對(duì)架空管和水中管，由于沒(méi)有土壤的阻尼作用，建立新的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的時(shí)間較短，而對(duì)埋地?zé)嵊凸埽诮⑿碌姆€(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的過(guò)程中，管路周圍土壤的蓄熱量將發(fā)生變化，各點(diǎn)的土壤溫度都要相應(yīng)變化。但由于土壤熱容量大，達(dá)到新的穩(wěn)定溫度場(chǎng)需要一定時(shí)間，對(duì)熱油管道的影響也需要一定的時(shí)間，因此埋地?zé)嵊凸艿赖娜我鈺r(shí)刻的熱油溫度不僅要受當(dāng)時(shí)各種因素變化的影響，還要受到其運(yùn)行歷史的影響。在分析埋地?zé)嵊凸艿罆r(shí)，由于有土壤的阻尼作用，要考慮土壤溫度場(chǎng)變化的影響，因此必須首先著眼于管道周圍土壤溫度場(chǎng)的變化。熱油管道周圍的土壤溫度場(chǎng)是由大氣影響的自然溫度場(chǎng)和由熱油散熱產(chǎn)生的附加溫度的疊加而成的。[10]2.5海底熱油管道停輸降溫由于海底埋地管道周圍土壤中有較大的蓄積熱量，故溫降情況主要決定于周圍土壤的冷卻情況。剛停輸時(shí)，管內(nèi)油溫下降較快，隨著停輸時(shí)間的延長(zhǎng)，管內(nèi)存油和管外土壤溫度都將逐漸降低。對(duì)停輸時(shí)間較長(zhǎng)的埋地?zé)嵊凸艿溃］敽蠊軆?nèi)原油的傳熱可分為自然對(duì)流傳熱階段、自然對(duì)流與熱傳導(dǎo)共同控制階段和純導(dǎo)熱階段。含蠟原油與稠油管道停輸溫降過(guò)程的主要區(qū)別是:含蠟原油在停輸過(guò)程中由于蠟晶的不斷析出，結(jié)蠟層厚度隨時(shí)間而變化，因而含蠟原油在停輸過(guò)程中的散熱實(shí)際上是伴隨有相變、移動(dòng)邊界情況的對(duì)流換熱.含蠟原油溫降過(guò)程中放出析蠟潛熱，而含蠟量很少的稠油在溫降過(guò)程中結(jié)晶放熱強(qiáng)度要弱得多。稠油由于粘度高、含蠟量少，故凝點(diǎn)一般要遠(yuǎn)低于含蠟原油。在稠油的自然對(duì)流過(guò)程中稠油粘度遠(yuǎn)高于含蠟原油，因此自然對(duì)流傳熱的強(qiáng)度低于含蠟原油。[12]2.6海底熱油管道參數(shù)的確定2.6.1原油的物性參數(shù)1、原油的密度原油的密度多采用相對(duì)密度來(lái)表示，相對(duì)密度為一定體積某物質(zhì)的質(zhì)量與4℃時(shí)同體積水的質(zhì)量之比，原油相對(duì)密度與溫度近似為線性關(guān)系，其溫度系數(shù)與20℃的相對(duì)密度相關(guān)。原油相對(duì)密度表示為：（2.4）其中：式中：——原油的相對(duì)密度；——原油20℃時(shí)的相對(duì)密度；——原油的溫度，℃；——溫度系數(shù)。2、原油的粘度關(guān)于原油的粘溫特性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究和測(cè)定工作，由于原油的粘度在很大的程度上取決于其化學(xué)組成，所以粘溫關(guān)系的理論公式的實(shí)用意義是有限的。以往大都是在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的基礎(chǔ)上，總結(jié)其經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。在牛頓流型的溫度范圍內(nèi)，國(guó)內(nèi)外推薦了多種粘溫關(guān)系經(jīng)驗(yàn)公式，常用的有美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)推薦的方程：（2.5）式中：——原油的導(dǎo)熱系數(shù)，;——原油溫度，℃——15℃時(shí)原油的密度。粘溫指數(shù)關(guān)系式：（2.6）式中，——溫度為℃，℃下原油的粘度，u——原油的粘溫指數(shù)，1/℃不同的油品有不同的u值，一般規(guī)律是低粘度油的u值小，約在0.01～0.03之間；高粘度油的u值大，約在0.06～0.1之間。3、原油的導(dǎo)熱系數(shù)在管輸條件下，原油的導(dǎo)熱系數(shù)一般在0.1～0.16W/(m·K)之間。數(shù)值計(jì)算可以按下面的公式計(jì)算：（2.7）式中：——原油的導(dǎo)熱系數(shù)，;——原油溫度，℃——15℃時(shí)原油的相對(duì)密度。4、原油的比熱容原油比熱容在輸送溫度范圍內(nèi)隨溫度的升高而緩慢上升，可按下式確定：（2.8）式中：——原油比熱容，——15℃時(shí)原油的溫度，——油品溫度，℃。[4]2.6.2海底恒溫層的選取海底溫度場(chǎng)的分布是海底輸油管道設(shè)計(jì)及運(yùn)行管理的重要海洋環(huán)境參數(shù)之一。但是由于海洋環(huán)境的特殊性，目前尚未有關(guān)于海底溫度場(chǎng)分布及年際變化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。劉文通、徐德倫、宋珊等于1991年8月至1992年5月在渤海8#平臺(tái)(水深27m)和A(B)平臺(tái)(水深17m)兩點(diǎn)進(jìn)行了泥溫和水溫觀測(cè)，測(cè)點(diǎn)地理位置如圖2-1所示。其觀測(cè)分春、夏、秋、冬四個(gè)季節(jié)進(jìn)行，每季節(jié)觀測(cè)7～11天，每天觀測(cè)3次，分別時(shí)08:00，14:00，20:00。水溫觀測(cè)層次為5、15、25m[A(B)平臺(tái)測(cè)點(diǎn)無(wú)25m層]，兩點(diǎn)泥溫觀測(cè)均為0、0.5、1.0、2.0m，共4層。圖2.2恒溫層測(cè)點(diǎn)地理位置示意圖海底泥溫除間接接受太陽(yáng)輻射影響外，還受到來(lái)自地球內(nèi)部地?zé)岬挠绊懀@種影響極?。捍蟮?zé)崃鲗?duì)地球表面溫度的直接影響小于0.02℃，因此，地球?qū)５啄鄿氐挠绊懣梢院雎圆挥?。泥溫變化主要取決于近底層海水溫度變化，而海水溫度的周期性變化又依賴太陽(yáng)輻射(周期熱源)的變化。因地球表面溫度具有日變化、年變化及多年變化周期，故海水溫度和泥溫也具有相應(yīng)周期變化。經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)表面，在上述泥溫的幾種周期變化中，以年周期的溫度變化最顯著。因此在文獻(xiàn)[6]中作者只是考慮了泥溫的年周期變化。在研究泥溫變化時(shí)，不考慮初始條件，并將海底視為平面，把地球深度視為半無(wú)限，將泥溫變化看作諧變化的熱傳導(dǎo)問(wèn)題，其方程為：（2.9）式中，k——熱擴(kuò)散率；——年泥表溫度變幅求解得到上述方程的解，（2.10）取年溫度變幅≤0.1℃的深度作為恒溫層深度，則渤海海底恒溫層深度為：8#平臺(tái)處8m，A(B)平臺(tái)處10m；文獻(xiàn)[7]給出的恒溫層泥溫為：8#平臺(tái)處11.0℃，A(B)平臺(tái)處11.7℃，本文中的計(jì)算采取8#平臺(tái)數(shù)據(jù)。[13]2.7本章小結(jié)本章對(duì)熱油管道的出=傳熱特性進(jìn)行了介紹。分別介紹了熱油管道傳熱過(guò)程、影響熱油管道傳熱的因素、土壤溫度場(chǎng)，并且對(duì)論文中各種所需參數(shù)進(jìn)行了確定。3海底熱油管道的物理模型和數(shù)學(xué)模型本章對(duì)穩(wěn)態(tài)時(shí)熱油管道截面處在不同條件下的溫度場(chǎng)分布和熱流密度大小，穩(wěn)態(tài)時(shí)的沿程溫降情況及非穩(wěn)態(tài)時(shí)的安全停輸時(shí)間大小進(jìn)行了數(shù)值模擬。3.1海底熱油管道穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程的物理模型和數(shù)學(xué)模型3.1.1物理模型圖3-1是埋設(shè)在海底淤泥質(zhì)砂土中的管道橫斷面示意圖。圖中海底表面海水溫度為，海底海水對(duì)流換熱系數(shù)為h，海底淤泥質(zhì)砂土導(dǎo)熱系數(shù)為λ，埋深為HH的輸油管道直徑為d，外包有厚度為δ的保溫材料，保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)為管內(nèi)油品溫度為，油品對(duì)管內(nèi)壁的對(duì)流換熱系數(shù)為。圖3.1海底埋設(shè)管道物理模型海底淤泥質(zhì)砂土層本身存在著溫度場(chǎng)，距海底一定深度H處，海水及輸油管道散熱對(duì)該處影響很小，隨時(shí)間變化的溫差趨微，可以認(rèn)為該處溫度是恒定不變的，設(shè)其為；距輸油管道水平方向一定距離L處，在水平方向上，管道散熱對(duì)其溫度變化可以忽略不計(jì)，可認(rèn)為是絕熱邊界(即無(wú)熱量交換)；原油在管道軸向上隨著流動(dòng)的延伸不斷向外散熱溫度逐漸降低，在管道徑向認(rèn)為原油溫度相同；海底地面與海水對(duì)流換熱，由于海水底層流速較大，從而對(duì)流換熱系數(shù)也較大。得到海底埋設(shè)管道的物理模型為：長(zhǎng)度為W、寬度為2L、深度為H的長(zhǎng)方體中，一圓柱體向外散熱。根據(jù)實(shí)際測(cè)試可知，由于大地本身存在溫度場(chǎng)，所以距地面一定深度H處，管道散熱對(duì)此處幾乎沒(méi)有影響，而且此深度處溫度終年變化小于1℃，可認(rèn)為是恒溫層，溫度為Th；距輸油管道水平徑向一定距離L處（即圖3-1所示x方向上）管道散熱量對(duì)此處影響非常小，可認(rèn)為是絕熱的（即無(wú)熱量交換），；忽略軸向散熱,得地下埋設(shè)管道的物理模型為：邊長(zhǎng)為2L、深度為H的矩形區(qū)域有一圓域散熱。又由上述分析可知，管道周圍溫度場(chǎng)分布是關(guān)于管道中心對(duì)稱的，所以研究其傳熱問(wèn)題時(shí)，只考慮對(duì)稱的一側(cè)即可。由上述分析得到下面的簡(jiǎn)化物理模型，如圖2-3所示。坐標(biāo)系如圖建立。圖3.2埋設(shè)管道的簡(jiǎn)化物理模型3.1.2數(shù)學(xué)模型的建立因模型關(guān)于y軸對(duì)稱，固其溫度場(chǎng)分布也是關(guān)于y軸對(duì)稱的，這樣在邊界x=0,y∈{（R，R+δ+H1）∩（-R，-R-δ-H2）}處的邊界條件是：；又因?yàn)榫嚯x管道水平x方向一定距離處，受管道溫度場(chǎng)影響非常小，則在邊界x=L,y∈{（R+δ+H1），（-R-δ-H2）}處的邊界條件是：；海底面、管道內(nèi)部屬第三類邊界條件；海底淤泥質(zhì)砂土深H處是恒溫層溫度為。忽略管道沿軸線方向的散熱，只研究管道的一個(gè)橫截面，則此問(wèn)題成為二維導(dǎo)熱問(wèn)題，則可建立如下數(shù)學(xué)模型。求解區(qū)域的微分方程：（3.1）海底面與海水的邊界條件（3.2）外界海水溫度（3.3）輸油管道內(nèi)熱油溫度（3.4）管內(nèi)原油與管壁對(duì)流換熱邊界（3.5）海底淤泥質(zhì)沙土與保溫層的邊界（3.6）計(jì)算區(qū)域的管道中心邊界（左邊界）（3.7）計(jì)算區(qū)域的絕熱邊界（右邊界）（3.8）恒溫層溫度（3.9）式中：——海水溫度，單位為℃；——管內(nèi)油溫，單位為℃；——管壁溫度，單位為℃；——海底恒溫層溫度，單位為℃；——海底淤泥質(zhì)沙土導(dǎo)熱系數(shù)，單位為；——保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)，單位為；——海水與海底面的對(duì)流換熱系數(shù)，單位為；——原油與管壁的對(duì)流換熱系數(shù)，單位為。[14]3.1.3數(shù)學(xué)模型及物理模型在COMSOLMultiphysics的簡(jiǎn)化及實(shí)現(xiàn)按照簡(jiǎn)化物理模型所做的假設(shè)，在軟件中建立模型如下圖圖3.3管道截面處的模型3.2海底熱油管道穩(wěn)定輸送時(shí)沿程溫降物理模型和數(shù)學(xué)模型3.2.1物理模型的建立物理模型和3.1.1中所述相同3.2.2數(shù)學(xué)模型的建立當(dāng)管道內(nèi)原油穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，若環(huán)境條件變化相對(duì)較小時(shí)，可以認(rèn)為管內(nèi)原油與管外換熱處于穩(wěn)定狀態(tài)。管內(nèi)原油的軸向溫差較小，管內(nèi)原油的軸向傳熱可以忽略；在管道徑向上，管道的熱物性參數(shù)和保溫材料的熱物性參數(shù)已定，原油的散熱只與管道油溫和海水溫度有關(guān)。設(shè)海地管道埋深處溫度為，dl微元段上的油溫為T，管道內(nèi)的質(zhì)量流量為G，總傳熱系數(shù)為K，流經(jīng)dl段油流產(chǎn)生的溫降為dT。忽略摩擦熱，在穩(wěn)定工況下，dl微元管段上的能量平衡式為：（3.10）式中：D為管道直徑。若總傳熱系數(shù)為常數(shù)，油流流經(jīng)長(zhǎng)為L(zhǎng)的管段后溫度降為TL，油品出站油溫為RT，則管路沿線的溫度分布可用下式表示：（3.11）為了保證總傳熱系數(shù)的準(zhǔn)確性，總傳熱系數(shù)的計(jì)算主要通過(guò)兩種方式進(jìn)行，一是利用現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，另外一種方式是通過(guò)數(shù)值模擬管道在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的散熱量，通過(guò)反推管道傳熱量與管內(nèi)油溫、管道埋設(shè)處地溫和總傳熱系數(shù)的關(guān)系，得到總傳熱系數(shù)的計(jì)算公式。下面簡(jiǎn)要介紹兩種計(jì)算方法?？倐鳠嵯禂?shù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式（3.12）式中：d1管道直徑；d2管道保溫層直徑；h管道埋深?？倐鳠嵯禂?shù)數(shù)值計(jì)算擬和公式：（3.13）式中：Q是管道散熱量；L管道長(zhǎng)度；其余參數(shù)同上。[13,14]3.2.3數(shù)學(xué)模型及物理模型在COMSOLMultiphysics的簡(jiǎn)化及實(shí)現(xiàn)1.數(shù)學(xué)模型及物理模型的簡(jiǎn)化由于軟件的缺陷和作者本人水平的有限，若用三維立體模型去模擬，計(jì)算機(jī)無(wú)法計(jì)算，故作者對(duì)其進(jìn)行了簡(jiǎn)化。圖3.4埋地管道截面圖假設(shè)條件及簡(jiǎn)化模式：如上圖中（只畫(huà)出了管道沒(méi)畫(huà)出保溫層），由前述假設(shè)可知在管內(nèi)Ｄ－Ｄ截面是絕熱截面，而在管外是對(duì)稱體得分界面，故可將三維的管道散熱簡(jiǎn)化為下圖形式。（同樣如上忽略管壁導(dǎo)熱熱阻）圖3.5埋地管道簡(jiǎn)化物理模型（２）由于保溫層厚度為毫米級(jí)，而土壤層厚度是米級(jí)，二者相差甚大，如若不繼續(xù)進(jìn)行簡(jiǎn)化，網(wǎng)格無(wú)法劃分，得不到結(jié)果。故繼續(xù)進(jìn)行簡(jiǎn)化。其簡(jiǎn)化假設(shè)來(lái)自對(duì)穩(wěn)定輸送熱油管道截面溫度的模擬，通過(guò)模擬我們知道保溫層外壁的溫度隨管內(nèi)熱油的溫度的變化相差不大，維持在２９０Ｋ左右。以此為條件進(jìn)行簡(jiǎn)化成如下圖圖3.6埋地管道最終簡(jiǎn)化模型這樣一來(lái)就可以利用軟件進(jìn)行計(jì)算了。（３）計(jì)算中遇到的問(wèn)題是，如若直接建立２０ｋｍ的管道的話，計(jì)算機(jī)還是無(wú)法計(jì)算，就只能以１０００米為步長(zhǎng)來(lái)計(jì)算。2數(shù)學(xué)及物理模型在軟件中的實(shí)現(xiàn)圖3.7沿程溫降模型在軟件中的實(shí)現(xiàn)3.3海底熱油管道停輸時(shí)的物理模型和數(shù)學(xué)模型3.3.1物理模型建立海底輸油管道停輸傳熱過(guò)程屬非穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程。在管道正常運(yùn)行時(shí)，管道截面上原油溫度相對(duì)穩(wěn)定，其值隨輸送時(shí)間變化幅度很小，可以認(rèn)為管道周圍溫度場(chǎng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。在停輸時(shí)，管道內(nèi)原油停止流動(dòng)(即v＝0)，原油溫度隨著外界環(huán)境溫度(土壤溫度)的變化不斷降低，至原油凝固點(diǎn)時(shí)，原油開(kāi)始凝固。通過(guò)上述分析，輸油管道停輸時(shí)原油物理模型如圖3－6所示。圖3.8原油停輸物理模型管道內(nèi)半徑為r，外面包有厚度為δ的保溫層，介質(zhì)入口處溫度為tm，管道內(nèi)流動(dòng)介質(zhì)溫度t。對(duì)管道內(nèi)某微元段傳熱情況進(jìn)行分析，該段流體介質(zhì)和這段前、后介質(zhì)的溫差很小，將軸向溫度梯度忽略后，問(wèn)題簡(jiǎn)化為管道橫截面上的二維非穩(wěn)態(tài)傳熱問(wèn)題，原油的散熱方式主要是和管道內(nèi)壁的對(duì)流換熱。3.3.2數(shù)學(xué)模型的建立對(duì)于管道內(nèi)熱油對(duì)外界的散熱，在當(dāng)水平方向超過(guò)一定距離L后，管道的散熱對(duì)土壤溫度場(chǎng)的影響弱到可以忽略不計(jì)的程度，可以看作第二類邊界條件；管道距地面一定深度H后，管道對(duì)土壤溫度場(chǎng)的影響可以忽略，可以看作第一類邊界條件。且管道周圍溫度場(chǎng)分布是關(guān)于管道中心對(duì)稱的，所以研究傳熱問(wèn)題時(shí)，只考慮對(duì)稱的一側(cè)即可。通過(guò)上面的分析，對(duì)應(yīng)的導(dǎo)熱微分方程及邊界條件為：原油的傳熱方程（3.14）邊界條件（3.15）初始條件（3.16）保溫層傳熱方程：（3.17）邊界條件（3.18）初始條件（3.19）海底淤泥質(zhì)沙土的傳熱方程（3.20）邊界條件（3.21）初始條件（3.22）式中：分別是原油溫度、保溫層的溫度、海底土壤的溫度；分別時(shí)原油的初始溫度場(chǎng)溫度、保溫層的初始溫度場(chǎng)、海底土壤的初始溫度場(chǎng)溫度；h是原油與管道內(nèi)壁面的對(duì)流換熱系數(shù)；分別為海底土壤、保溫材料、原油的導(dǎo)熱系數(shù)；r是管道徑向長(zhǎng)度變量；是管道的半徑、保溫層半徑。是原油、保溫材料和海底土壤比熱容；是原油、海底砂土和保溫材料的密度；海水溫度；τ是時(shí)間變量。[15,16]3.2.3數(shù)學(xué)模型及物理模型在COMSOLMultiphysics的簡(jiǎn)化及實(shí)現(xiàn)1、簡(jiǎn)化假設(shè)忽略管壁熱阻截取一段管段進(jìn)行模擬，認(rèn)為這一管段兩端絕熱。認(rèn)為內(nèi)熱油之間無(wú)自然對(duì)流換熱，并保守的取熱油溫度最低點(diǎn)作為特征點(diǎn)，即從開(kāi)始至這點(diǎn)溫度剛好等于設(shè)定的最低安全溫度時(shí)的時(shí)間，就是最大安全停輸時(shí)間。若要模擬一段長(zhǎng)距離的管段的最大安全停輸時(shí)間，取末端溫度最低的一段來(lái)模擬。2、數(shù)學(xué)模型及物理模型在軟件中的實(shí)現(xiàn)最后可以簡(jiǎn)化成如下圖所示的幾何模型：圖3.9軟件中實(shí)現(xiàn)的幾何模型并利用軟件自帶公式，賦予其邊界調(diào)價(jià)，劃分網(wǎng)格求解后，就可得到模擬結(jié)果。3.4本章小結(jié)本章對(duì)本論文所論述的三部分的物理模型和數(shù)學(xué)模型的建所需要的物理公式、幾何模型及在軟件中實(shí)現(xiàn)所需要的假設(shè)和簡(jiǎn)化，進(jìn)行了系統(tǒng)的介紹。為下面的論文結(jié)果的介紹做了鋪墊。4海底熱油管道的數(shù)值模擬4.1海底熱油管道穩(wěn)態(tài)傳熱的模擬4.1.1熱油管道截面上熱流密度和管道埋深的關(guān)系1、工程概況海水溫度4℃；管道埋深為1m，管道全長(zhǎng)20km，管道直徑273×7mm；管內(nèi)原油溫度60℃，管內(nèi)原油流速1m/s，原油導(dǎo)熱系數(shù)0.14W/(m·K)，原油密度949，原油比熱容2100J/(kg·K)；海底淤泥質(zhì)砂土導(dǎo)熱系數(shù)7W/(m·K)，淤泥質(zhì)砂土密度2000，淤泥質(zhì)砂土比熱容2500J/(kg·K)；保溫層厚度分別為25mm、30mm、50mm，保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)0.035W/(m·K)，保溫材料密度50，保溫材料比熱容1380J/(kg·K)。2、模型建立以埋深為1m的情況為代表做模型建立的說(shuō)明（1）（2）（3）（4）（5）圖4.1穩(wěn)態(tài)時(shí)某界面處模型建立圖模型建立步驟：建立如圖（1）的幾何模型對(duì)求解域的物理量按條件賦值對(duì)邊界條件賦值初始化網(wǎng)格，然后加密網(wǎng)格，得到圖（2）和圖（3）的網(wǎng)格劃分，其中圖（3）是對(duì)圖（2）中管道所在處地放大。對(duì)求解域進(jìn)行求解，得圖（4）和圖（5）的溫度分布，圖5是對(duì)圖4管道處得溫度分布的放大。重復(fù)上述步驟得到不同埋深的模型3、模擬結(jié)果不同埋深溫度分布圖（管道周圍的放大圖）埋深0.6m埋深0.8m埋深1m埋深1.2m埋深1.4m圖4.2不同埋深情況下截面的溫度場(chǎng)分布圖表4—1不同埋深時(shí)熱流密度表埋深/m0.60.811.21.4熱流密度/37.8237.5237.2637.0136.8熱流密度隨管道埋深的變化關(guān)系圖如下圖圖4.3熱流密度和埋深的關(guān)系4、結(jié)果分析從圖和表中可以看出，管道截面處得熱流密度，隨埋深的增加而減小。表明埋深越大熱油管道散失的熱量越小。經(jīng)分析，其原因?yàn)楹５子倌噘|(zhì)溫度隨深度的增加而增大，若管道埋深越大則管道周圍的土壤溫度就越大，管道內(nèi)外溫差就小，而其熱阻基本是不變的，由傅里葉公式可以得出其熱流密度就會(huì)相應(yīng)的減小。但單憑此條件并不能說(shuō)明工程上管道埋深越大越好，要綜合考慮海底施工的難度和各種經(jīng)濟(jì)問(wèn)題才能最終確定管道的埋深大小。4.1.2熱油管道截面上熱流密度和保溫層厚度的關(guān)系1、工程概況海水溫度4℃；管道埋深為1m，管道全長(zhǎng)20km，管道直徑273×7mm；管內(nèi)原油溫度60℃，管內(nèi)原油流速1m/s，原油導(dǎo)熱系數(shù)0.14W/(m·K)，原油密度949，原油比熱容2100J/(kg·K)；海底淤泥質(zhì)砂土導(dǎo)熱系數(shù)7W/(m·K)，淤泥質(zhì)砂土密度2000，淤泥質(zhì)砂土比熱容2500J/(kg·K)；保溫層厚度分別為25mm、30mm、50mm，保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)0.035W/(m·K)，保溫材料密度50，保溫材料比熱容1380J/(kg·K)。2、模型建立所建模型與圖4.1相似，只是變量是保溫層的厚度。3、模擬結(jié)果無(wú)保溫層保溫層厚度20mm保溫層厚度為25mm保溫層厚度為50mm圖4.4保溫層厚度不同時(shí)截面處的溫度場(chǎng)分布圖表4—2不同保溫層厚度熱流密度表保溫層厚度/mm0253050熱流密度/697.1865.0853.2337.26圖4.5熱流密度和保溫層厚度關(guān)系圖（無(wú)保溫層的情況并未畫(huà)在圖標(biāo)中）4、結(jié)果分析在圖中可以很清楚的看出熱流密度隨保溫層厚度的增加而減小，并且保溫層厚度對(duì)熱流密度的影響是很大的。原因是保溫層的導(dǎo)熱系數(shù)相當(dāng)小，其熱阻很大并且隨厚度增加迅速增大。故而熱流密度隨保溫層厚度增加而減小的趨勢(shì)很可觀。工程上對(duì)于確定保溫層材料和厚度要綜合考慮。保溫性能只是一個(gè)方面，更要考慮到經(jīng)濟(jì)方面。4.1.3熱油管道截面上熱流密度和管道直徑的關(guān)系1、工程概況海水溫度4℃；管道埋深1.5m，管道全長(zhǎng)20km，管道直徑273×7mm、323×7mm、356×7mm、406×7mm、457×7mm、508×7mm；管內(nèi)原油溫度60℃，管內(nèi)原油流速1m/s，原油導(dǎo)熱系數(shù)0.14W/(m·K)，原油密度949，原油比熱容2100J/(kg·K)；海底淤泥質(zhì)砂土導(dǎo)熱系數(shù)7W/(m·K)，淤泥質(zhì)砂土密度2000，淤泥質(zhì)砂土比熱容2500J/(kg·K)；保溫層厚度50mm，保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)0.035W/(m·K)，保溫材料密度50，保溫材料比熱容1380J/(kg·K)。2、模型建立同4.1.1中所述模型建立方法，本次變量是管徑。3、模擬結(jié)果管徑273mm管徑323mm管徑356mm管徑406mm管徑457mm管徑508mm圖4.6不同管徑時(shí)截面處溫度場(chǎng)分布圖表4-3不同直徑時(shí)熱流密度表管徑/mm273323356406457508熱流密度/37.1242.1645.8451.3256.7262.22熱流密度/45.1242.7842.341.840.8840.33圖4.7熱流密度和管徑關(guān)系圖（單位為w/m）圖4.8熱流密度和管徑關(guān)系圖（單位為）4、結(jié)果分析從圖4.7中我們可以看到單位長(zhǎng)度管段的散熱量隨管道管徑的增加而增加，但在圖4.8中可以看出，事實(shí)上管道截面處各點(diǎn)的熱流密度是隨管徑的增大而減小的。對(duì)于單位長(zhǎng)度的管段影響其散熱量的有兩個(gè)因素，一是截面處某點(diǎn)的熱流密度（單位為），二是截面處得管道周長(zhǎng)大小。某點(diǎn)處熱流密度隨管道直徑增加而減小，而周長(zhǎng)則隨之增大。在二者的綜合作用下得到圖4.7所示結(jié)果，從圖中可以明顯看出管段截面周長(zhǎng)是本問(wèn)題的主導(dǎo)因素。工程上對(duì)于熱油管道管徑的確定主要考慮其設(shè)計(jì)輸量、壓力損失及經(jīng)濟(jì)因素，而其對(duì)于散熱量的影響也主要從其對(duì)保溫層用量角度出發(fā)。4.1.4熱油管道熱流密度和海水溫度的關(guān)系1、工程概況海水溫度分別為4℃、11℃、17℃；管道埋深為1m，管道全長(zhǎng)20km，管道直徑273×7mm；管內(nèi)原油溫度60℃，管內(nèi)原油流速1m/s，原油導(dǎo)熱系數(shù)0.14W/(m·K)，原油密度949，原油比熱容2100J/(kg·K)；海底淤泥質(zhì)砂導(dǎo)熱系數(shù)7W/(m·K)，淤泥質(zhì)砂土密度2000，淤泥質(zhì)砂土比熱容2500J/(kg·K)；保溫層厚度分別為50mm，保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)0.035W/(m·K)，保溫材料密度50，保溫材料比熱容1380J/(kg·K)。2模型建立同4.1.1中所述模型建立方法，本次變量是海水溫度。3、模擬結(jié)果海水溫度4℃海水溫度11℃海水溫度17℃圖4.9不同海水溫度時(shí)某截面的溫度場(chǎng)分布圖表4—4不同海水溫度截面處熱流密海水溫度/41117熱流密度/37.2633.0829.48圖4.10熱流密度和海水溫度關(guān)系圖4、結(jié)果分析隨著季節(jié)的變化，海水溫度是在做著周期性的變化的熱油管熱流密度和熱油溫度的關(guān)系，夏季海水溫度高管段的散熱量就小，若有加熱站的話，其出口溫度就可以相應(yīng)的調(diào)低，這無(wú)疑會(huì)節(jié)省很多能量產(chǎn)生很大的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。所以這個(gè)模擬對(duì)熱油管道的運(yùn)營(yíng)提供了數(shù)據(jù)支持。4.1.5熱油管道熱流密度和熱油溫度的關(guān)系1、工程概況海水溫度為4℃；管道埋深為1m，管道全長(zhǎng)20km，管道直徑273×7mm；管內(nèi)原油溫度分別為50℃、60℃、70℃、80℃，管內(nèi)原油流速1m/s，原油導(dǎo)熱系數(shù)0.14W/(m·K)，原油密度949，原油比熱容2100J/(kg·K)；海底淤泥質(zhì)砂土導(dǎo)熱系數(shù)7W/(m·K)，淤泥質(zhì)砂土密度2000，淤泥質(zhì)砂土比熱容2500J/(kg·K)；保溫層厚度分別為50mm，保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)0.035W/(m·K)，保溫材料密度50，保溫材料比熱容1380J/(kg·K)。2、模型建立同4.1.1中所述模型建立方法，本次變量是油溫。3、模擬結(jié)果熱油溫度50℃熱油溫度60℃熱油溫度70℃熱油溫度80℃圖4.11不同熱油溫度時(shí)截面的溫度場(chǎng)分布圖表4—5不同熱油溫度時(shí)截面處熱流密度表油溫/℃50607080熱流密度/30.5237.264450.78圖4.12熱流密度和原油溫度的關(guān)系4、結(jié)果分析管內(nèi)熱油的溫度對(duì)管道散熱量的影響也是顯而易見(jiàn)的，熱油溫度越高其與外界的溫差就越大，相應(yīng)的散熱量就越大。通過(guò)圖4—12我們可以很直觀的看到熱油溫度對(duì)散熱量的影響是很大的。單從這方面出發(fā)當(dāng)然希望熱油溫度越低越好，但和其他問(wèn)題一樣還有很多其他因素影響著工程中對(duì)輸油溫度的確定。4.1.6小結(jié)本節(jié)在分析前人工作的基礎(chǔ)上，建立了海底輸油管道在穩(wěn)定輸送原油時(shí)傳熱問(wèn)題的物理模型和數(shù)學(xué)模型，對(duì)求解域進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，然后利用軟件進(jìn)行了對(duì)求解域的求解，得到了穩(wěn)態(tài)傳熱問(wèn)題的數(shù)值解。針對(duì)管道運(yùn)行時(shí)的各種工況(保溫層厚度不同、海水溫度不同等)進(jìn)行了計(jì)算分析，繪制了各工況條件下管道向外散熱的熱流密度曲線，為輸油管道的安全運(yùn)行提供了理論基礎(chǔ)。4.2海底熱油管道穩(wěn)定輸送時(shí)沿程溫降計(jì)算模擬4.2.1對(duì)不同管徑的20km的熱油管道的沿程溫降模擬1、工程概況海水溫度為4℃；管道埋深為1m，管道全長(zhǎng)20km，管道直徑273×7mm；管內(nèi)原油溫度為60℃，管內(nèi)原油流速分別為1m/s和0.1m/s，原油導(dǎo)熱系數(shù)0.14W/(m·K)，原油密度949，原油比熱容2100J/(kg·K)；海底淤泥質(zhì)砂土導(dǎo)熱系數(shù)7W/(m·K)，淤泥質(zhì)砂土密度2000，淤泥質(zhì)砂土比熱容2500J/(kg·K)；保溫層厚度分別為50mm，保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)0.035W/(m·K)，保溫材料密度50，保溫材料比熱容1380J/(kg·K)。2、模型建立（1）（2）（3）圖4.13沿程溫度場(chǎng)分布模型建立圖模型建立步驟：（1）建立如圖（1）的幾何模型（2）對(duì)求解域的物理量按條件賦值，對(duì)邊界條件賦值。（3）初始化網(wǎng)格，得到圖（2）的網(wǎng)格劃分。（4）對(duì)求解域進(jìn)行求解，得圖（4）所示的某段管段的溫度分布圖。3、模擬結(jié)果由于所見(jiàn)模型太長(zhǎng)，看整體圖無(wú)法顯示其溫度變化趨勢(shì)，故截取開(kāi)頭、中間、末端三部分來(lái)表示開(kāi)頭中間末尾圖4.14管道不同位置處得溫度場(chǎng)（由于，不同流速下其溫度場(chǎng)變化趨勢(shì)相同，溫度場(chǎng)分布圖無(wú)法顯示其差別故不再贅視其溫度場(chǎng)分布圖）表4—6不同流速的熱油沿程溫度分布情況流速m/s10.50.1距離/Km溫度/℃溫度/℃溫度/℃0606060159.6359.1756.83259.2558.3453.66358.5357.550.51458.2856.6747.35557.955.8744.18657.5455.0441.03757.1754.2237.87856.7853.434.77956.4252.591056.0651.781155.750.961255.3550.14135549.311454.9948.491554.6247.681654.2846.871753.9346.061853.5845.261953.2444.452052.943.65圖4.15不同流速下管道的沿程溫降圖4.2.2小結(jié)本節(jié)對(duì)不同流速下的管道進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了一段20km管道在不同流速下的沿程溫度分布，并繪制了沿程溫度隨距離變化的曲線。通過(guò)這個(gè)曲線我們可以發(fā)現(xiàn)，流速對(duì)沿程溫降的曲線影響很大，所以該曲線對(duì)于管徑的確定、加熱站的位置的確定及管段的運(yùn)營(yíng)都有一定的指導(dǎo)意義。4.3海底輸油管道停輸傳熱模擬計(jì)算4.3.1安全停輸時(shí)間和保溫層的關(guān)系1、計(jì)算條件條件：海水溫度4℃；管道埋深為1m，管道全長(zhǎng)20km，管道直徑273×7mm；管內(nèi)原油溫度60℃，管內(nèi)原油流速1m/s，原油導(dǎo)熱系數(shù)0.14W/(m·K)，原油密度949，原油比熱容2100J/(kg·K)；海底淤泥質(zhì)砂土導(dǎo)熱系數(shù)7W/(m·K)，淤泥質(zhì)砂土密度2000，淤泥質(zhì)砂土比熱容2500J/(kg·K)；保溫層厚度分別為25mm、30mm、50mm，保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)0.035W/(m·K)，保溫材料密度50，保溫材料比熱容1380J/(kg·K)。停輸時(shí)管內(nèi)原油溫度為60℃，計(jì)算的原油終了溫度是40℃(認(rèn)為該溫度為管道安全停輸?shù)脑妥畹蜏囟?，比選定原油的凝點(diǎn)稍高。2、模型建立幾何模型點(diǎn)模式線模式邊界模式求解域模式網(wǎng)格劃分情況某時(shí)刻的溫度場(chǎng)分布圖4.16熱油停輸?shù)臏囟葓?chǎng)模擬模型的建立圖（1）建立如圖所示的幾何模型，上圖中也給出了其在不同模式下的情況。（2）對(duì)求解域的物理量按條件賦值對(duì)邊界條件賦值（3）初始化網(wǎng)格，然后加密網(wǎng)格，得到上圖所示網(wǎng)格劃分圖（4）對(duì)求解域進(jìn)行求解，得到上圖中某時(shí)刻的溫度分布。重復(fù)上述步驟得到不同保溫層厚度下的模型3、模擬結(jié)果由于各個(gè)時(shí)間的溫度場(chǎng)分布不同，取具有代表性的初始溫度場(chǎng)，第10小時(shí)的溫度場(chǎng)和第20小時(shí)的溫度場(chǎng)圖象來(lái)說(shuō)明。保溫層厚度為25mm：0h10h20h保溫層為30mm0h10h20h保溫層為50mm時(shí)0h10h20h圖4.17不同保溫層厚度情況下在不同時(shí)間的溫度場(chǎng)分布表4—7不同保溫層厚度時(shí)溫度隨時(shí)間變化表保溫層厚度25mm30mm50mm時(shí)間/h溫度/K溫度/K溫度/K0333.15333.15333.150.5328.08329.883321325.27327.41330.521.5323.6325.64329.242322.11324.41328.12.5320.88323.18327.243319.95322.24326.43.5319.094321.34325.634318.23320.59325.074.5317.5319.94324.525316.86319.3323.975.5316.22318.65323.426315.58318.09322.876.5315.02317.58322.437314.5317.08322.047.5313.99316.57321.648313.47316.12321.248.5313.01315.7320.859312.58315.29320.459.5312.15314.87320.1210311.72314.49319.8110.5311.31314.13319.511310.92313.77319.1911.5313.42318.8812313.07318.5712.5318.313318.0413.5317.7814317.5214.5317.2615317.0115.5316.7716316.5516.5316.3217316.117.5315.8718315.6518.5315.4319315.2219.5315.0220314.8120.5314.6121314.4121.5314