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低输量条件下埋地热油管道温降规律研究
来源:地大热能 2019-03-12
  允许的最低热油管道的的输油温度和停输时间,管道的停输过程以及再启动过程都会影响到低于最低输量运行的管道的生产运行。因此,研究低输量条件下埋地热油管道温降规律,对于节能降耗和管道的安全运行具有重要意义。
  1 引言埋地低输量热油管道,准确计算因维抢修而造成的允许停输时间,有利于为安全生产提供依据。允许的最低热油管道的的输油温度和停输时间,管道的停输过程以及再启动过程都会影响到低于最低输量运行的管道的生产运行。因此,研究低输量条件下埋地热油管道温降规律,对于节能降耗和管道的安全运行具有重要意义。
  如油库原油外输管道,在冬季低温运行时停输,过长的停输时间会因此而不能够恢复正常生产。因此,分析研究油库冬季环境运行参数是有必要的。
  埋地热油管道受土壤自然温度场以及管内油温的作用,正常运行时,准周期温度场存在于管外土壤中。另外,季节对管内油温与管道的保温状况以及管外土壤温度场的蓄热量产生影响。管外土壤温度和管内油温,停输后的管道,输油温度随着停输时间的延长,从管内会向管外散热,管外的土壤温度会向周围环境散热,从而造成油温下降。
  正常运行的油管道内的油温下降规律符合苏霍夫公式,呈指数规律下降。管道停输后,温降幅度,随着管内油温与管外土壤温差大而增加大。沿途加热站下游的管道,温降幅度在停输后,随管内油温与管外土壤温差逐渐减小而减小。
  2 有限元法求解地下管道温度场由沿线管内油流的流场,温度场的数学模型,管外土壤温度场数学模型构成埋地热油管道降温输送过程的数学模型。
  温度场中的有限元法对复杂区域和复杂边界问题的求解带来极大的适应性和灵活性,主要是因为它可以具有任意布置的节点和网络,并利用现代数值计算方法来求解导热微分方程。采用网络剖分技术,在局部网格的每一个单元中,进行地下输油管道温度场整体区域变分求解计算,然后合成整体的线性代数方程组,进行求解。此方法可以求得每个单元的温度,从而求得整个求解区域的温度分布,将研究对象由总体转为局部单元,从宏观转为微观。
  2.1 单元类型的选择计算结果的关键,是选择最可能接近模拟实际物理性能的,将整个求解区域划分为具有相关节点的等价系统的最适当的单元类型。地下输油管道区域是圆形区域,它的稳态温度场属于二维稳态导热问题,管道与土壤交接区域时,会因为选择有限差分法中的正方形单元,无法适应管道外层边界形状而产生误差。而用于地下管道温度场计算的理想单元,并可很好的适应管道外层边界的形状,是有限元法中的三角形单元。因此通常将三角形单元类型用于网格划分。
  2.2 地下管道温度场导热数学模型的确立首先建立数学模型,然后,根据物理模型,进行分析简化,去掉问题中的次要因素,再通过有限元法计算一个无内热源的外部土壤区域的二维导热问题。
  如果某物体长期处于不依赖时间的的导热问题的这种稳定的边界条件下,其温度分布就成稳定的了。热油管道土壤温度场不仅受运行方案的影响,而且还受大气温度变化的影响。以一年为一个周期,在运行方案不变的情况下,每年的同一日,热油管道土壤温度场呈周期性变化。而热油管道土壤温度场的数学模型,在每一个运行周期中,都可简化为无内热源的二维问题,随时间变化为非稳态非周期性温度场。
  非稳态导热过程一般分为三个阶段:第一阶段,即初始阶段,主要指物体内各处温度分布受初始温度分布的影响较大,随时间的变化率不同,是非稳态导热规律控制区的混合温度分布阶段。第二阶段,即正常状况阶段,物体内温度分布不再受初始温度分布的影响而主要取决于物性、形状及边界条件等,主要是指物体内温度各处加热或冷却率为一个常数,温度具有一定的规律,分布全部是非稳态导热规律控制区。第三个阶段,即新稳态阶段,为物体内温度分布达到新的稳态分布阶段。另外,由管外土壤温度场数学模型,沿线管内油流的流场,温度场的数学模型构成了埋地热油管道降温输送过程的数学模型。
  管外土壤温度场属于二维准周期温度场,设埋地热油管道的内半径为Rn,管中心埋深为Ht,管道的热影响半径为Rt,降温输送及停输启动过程的数学模型如下:
  其数学模型如下:
  确立了地下管道温度场的导热微分方程,然后,对方程根据边界条件进行求解。
  任何传热问题的边界条件可归结为三类。一类边界条件是边界法向热流温度已知;二类边界条件是对流换热系数和流体温度已知;三类边界条件是边界温度已知;三类边界条件适应于埋地热油管道。
  3 结论与认识(1)安全停输18个小时的条件是:11月份与12月份,进站温度不低于35℃的条件下,出站温度为42℃,在地温为-4.2℃。
 ?。?)安全停输47个小时的条件是:8月份,进站温度不低于35℃的条件下,出站温度为48℃,在地温为12℃。
 ?。?)安全停输22个小时的条件是:3月份,进站温度不低于35℃的条件下,出站温度为44℃,在地温为-2.7℃。
 

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