第１１卷第６期 重庆科技学院学报（自然科学版） ２００９年ｌ２月 埋地混输管道温降计算分析 史宝成 黄宏惠 付在国 （长江大学石油，荆州４３４０２３） 摘 要：油气集输管线的沿程温降主要与压降、总传热系数有关，而油气两相流在沿程的流动过程中不稳定，流态多 变，导致压降的计算方法存在较大差别。在考虑了平均含气率与焦耳一汤姆逊效应对温降的影响后，建立了集输管线 的３种油气两相流温降数学模型，采用了贝克流型划分法对油气两相流进行计算。结果表明，用液体持液率日 代替质 量含气率 计算多相流的混合比热 能够提高油气两相流温降计算的精度。 关键词：多相流：埋地管线：温降；焦耳一汤姆逊效应 中图分类号：ＴＥ９７２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７３—１９８０（２００９）０６一ｏ０４５一ｏ３ 混输工艺中的水力和热力计算对输送压力、输 送温度、泵及管路的选择和优化具有重要意义，同 （ｇｏ－ｇｚ）（ Ｌ＿—一） （２） 时．还可以为节约材料、能量提供有力的理论依据。 因此。对多相流埋地管道的热力和水力计算进行深 人地研究．以掌握管线运行规律特别是在不稳定状 态下的运行规律，降低管道沿程热量损耗，提高自动 化控制水平，为实际生产管理提供科学依据，对于指 导油田的输油生产、管道安全运行和节能降耗有着 广泛的实用价值和深远的现实意义。 聃擘 ㈤ （４） １ 温降基本方程式 对于长输管道．正常运行时可以满足管道截面 积不变和一维稳定流动条件。在微元管道中，相变 热比较小，可以忽略不计。长输管道的运行速度比 较小，加速损失与其他项相比很小，也可以忽略不 计。则简化模型为： ≥（Ｔｏ＋ｂ）＋（ Ｉ『Ｔｏ－ｂ）ｅｘｐ（一ａｘＬ）＋ Ｅ Ｄｉ￣ 地 ×［１－ｅｘｐ（一ａｘＬ）】 ＯＬ （１） ＝０． ，．， ＝ ＋蕊— ÷（㈤５ ）－９８ｘ１０ …Ｅ２＝Ｉ ５ ＋式中： ～长为 的混输管道终点温度，℃； 长为 的混输管道起点温度，ｏＣ； ｄＰ／ｄ￡，一长为 的混输管道压降梯度。 Ｄｉ～焦耳一汤姆逊系数，￣Ｃ／ＭＰａ； 本文采用Ｂｅｇｇｓ—Ｂｒｉｌｌ相关式进行计算： 收稿日期：２００９—０９—０４ 资金项目：国家自然科学基金项目（５０４７９０４３） 作者简介：史宝成（１９８０－），男，长江大学石油工程学院讲师，主要从事流体力学与多相流教学研究。 ４５· 史宝成，黄宏惠，付在国：埋地混输管道温降计算分析 液率，以反映管道倾角对温降的影响。对于起伏的整条 管路，应该分段计算。如果以倾角为卢时的持液率 ） 代替质量含气率 计算比热，即ｃｐ＝［１— （／３）］＞＜ｃ ＋ ）ｘｃ ｐｌ，则又可得到一种计算温降的公式。 多相流集输管线沿程温降主要受油管向周围地 层环境散热及沿程压降等冈素影响，而沿程压降又因 流动形态的不同而不同。在考虑了上述因素后．得到３ 种计算混输管线沿程温降的数学模型。这些模型从集 输管线稳态的能量平衡微分方程出发，考虑了平均含 气率对传热的影响和焦耳一汤姆逊效应。得出了沿程 温降的解析表达式。在压降的计算上，采用了贝克给出 的对应各种不同类型的压降计算经验关联式。由于压 降与流型有关，所以温降曲线也随流型发生变化。在本 次研究中，分别采用３种方法计算温降。 方法１：不考虑天然气的焦耳一汤姆逊效应和液 体的摩擦生热，即苏霍夫公式： Ｔｏ＋（ 一Ｔｏ）ｅｘｐ（一ａｘＬ） 方法２：以气液质量分率为基础，既考虑天然气 的焦耳一汤姆逊效应，又考虑液体的摩擦生热； 方法３：将持液率代替质量含气率来计算油气水 的混合比热： ｃｐ＝［１－Ｈｉ（卢）］ｘｃｐｇ＋ ｌ（卢）×。Ｐｌ ２程序说明与计算实例 ２．１ 程序设计步骤 （１）输入基础数据； 广 输入原始数据 估算流体温度Ｔ．计算含气率 ４计算物性参数 ＪＬ——一 计算传热系数 ￡—一 Ｉ判断流型 泡状流ｌ Ｉ层状流ｌ ｌ塞状流Ｉ ｆ蠢搂盆｛ ｌ霰搂釜ｉ ｌ乳状流 计算压降ｄ ￡ ｊｌｌ一 计算温度 查 图１ 计算程序流程图 ４６· （２）根据已知条件（基础数据）计算含气率、混合 物的流动参数和物性参数： （３）计算管内对流热阻，管外土壤热阻，管道保 温层热阻： （４）计算总传热系数Ｋ； （５）计算沿程压降梯度ｄｐ／ｄｘ： （６）计算温度ｔ； （７）利用相关公式计算所得的ｔ，重复步骤（２）至 （６）的计算过程，直到两次的温差值满足要求。 程序流程如图１所示。 ２－２计算实例 某油气起伏混输管道，其高程起伏数据和节点 参数如表１和图２所示，起点压力为０．６ＭＰａ．输送状 况下的气相体积流量为０．０３４ｍ ／ｓ，液相体积流量为 ０．Ｏ１２ｍ ／ｓ。各项物性参数：液相密度为８１０ｋｇ／ｍ，：粘 度为０．Ｏ０５Ｐａ·Ｓ；气相密度为６．２ｋｇ／ｍ ，粘度为０．０００ Ｏ１２Ｐａ·Ｓ；表面张力系数为０．０２５Ｎ／ｓ；气体定压比热 容为２ ２０６Ｊ／ｋｇ．℃；液体定压比热容为２ Ｏ００Ｊ／ｋｇ·ｏＣ： 管路起始温度为３５℃：环境温度为３℃；总的传热系 数为２．３Ｗ／ｍ ·℃；终点实测温度为２５．２℃。 ｌ５ １０ ５ ：０ ／＼…一．． 宣 ５ 怄１０ ｌ５ ２０ ２５ ３０ 图２管道管长与高程的关系 表１ 管路与节点参数 通过编程计算出了３种不同方法的各节点温度 和最终温度。计算结果如图３、图４所示。 史宝成，黄宏惠，付在国：埋地混输管道温降计算分析 驺 如 大。用持液率代替质量含气来率计算油气水混合物 的比热可减小误差。 ３结 论 ＼ 通过对上述编程过程及运行结果分析可知：如 果不考虑天然气的焦耳一汤姆逊效应和液体的摩擦 赠 生热。计算的终点温度偏高．误差较大；用液体持液 ０ ５ｏｏ １ ００Ｏ １ ５ｏｏ ２ ０００ ２ ５００ ３ ０００ 率代替质量含气率计算多相流的混合比热，将得到 与现场数据比较吻合的温降公式。 本文与参考文献中运行结果有一定差异，经过 分析，大致存在于求解ｄｐ／ｄｔｎ，￣，本文采用Ｂｅｇｇｓ—Ｂｒｉｌｌ 相关式进行计算，而参考文献中是采用修正过的贝 节点位置／ｍ 图３混输管线各节点温度图 克流型图编辑计算，因而存在差异。 皇 ＼ 趟 参考文献 ［１】阿卡帕金．原油和油品管道热力与水力计算［Ｍ］．罗塘湖 译．北京：石油工业出版社，１９８６． ［２】杨世铭，陶文铨．传热学（第三版）［Ｍ】．北京：高等教育出版 节点位置／ｍ 社．１９９８． 图４混输管线各节点压降 【３］吴国忠，张九龙，王英杰．埋地管道［Ｍ】．哈尔滨：哈尔滨工业 大学出版社．２００３． ２．３结果分析 分别采用上述３种方法计算终点温度。 ［４】章熙民，任泽濡，梅飞鸣．传热学［Ｍ］．北京：中国建筑工业出 版社．１９９３． 相对误差＝皇塑 ｘ 。。％ ［５】王树立．油气集输管线温降计算方法［Ｊ］．油气田地面工程， ｌ９９９，１８（２），２２－２５． 表２ ３种计算温度方法的计算结果对比 ［６］Ｔｒａｌｌｅｒｏ Ｊ Ｌ．Ａ Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ｏｉｌ—ｗａｔｅｒ Ｆｌｏｗ Ｐａ￣ｅｒｎｓ ｉｎ Ｈｏｒｉｚｏｎ— ｔａｌ Ｐｉｐｅｓ［Ｇ］．ＳＰＥ ３６６０９，１９９６． 【７］Ａｌｖｅｓ Ｉ Ｎ，Ａｌｈａｎａｔｌ Ｆ Ｊ Ｓ，Ｏｖａｄｉａ Ｓｈｏｈａｍ．Ａ Ｕｎｉｉｆｅｄ Ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ Ｐｒｅｄｉｃｔｉｎｇ Ｆｌｏｗｉｎｇ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｄｉｓｔｉｂｕｔｉｒｏｎ ｉｎ Ｗｅｌｌｂｏｒｅｓ ａｎｄ Ｐｉｐｅｌｉｎｅｓ［Ｇ】．ＳＰＥ ２０４３２，１９９２． 由表２可看出，不考虑天然气的焦耳一汤姆逊效 应和液体的摩擦生热，计算终点温度偏高，误差偏 【８】Ｂｏｙｕｎ Ｇｕｏ．Ａ Ｓｉｍｐｌｅ Ｍｏｄｅｌ ｏｒｆ Ｐｒｅｄｉｃｔｉｎｇ Ｈｅａｔ Ｌｏｓｓ ａｎｄ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｐｒｏｆｉｌｅｓ ｎ ｉＩｎｓｕｌａｔｅｄ Ｐｉｐｅｌｎｅｓｉ［Ｇ］．ＳＰＥ，２００６． Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｄｒｏｐ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｂｕｒｉｅｄ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ－ｐｈａｓｅ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｐｉｐｅｓ ＳＨＩＢａｏ——ｃｈｅｎｇ ＨＵＡＮＧ Ｈｏｎｇ－ｈｕｉ ＦＵＺａｉ－ｇｕｏ （Ｙａｎｇｔｚｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉｎｇｚｈｏｕ ４３４０２３） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｒｏｐ ｏｆ ｏｉｌ－ｇａｓ ｇａｔｈｅｒｉｎｇ ｐｉｐｅｌｉｎｅｓ ｉｓ ｍａｉｎｌｙ ｒｅｌａｔｅｄ ｔｏ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｄｒｏｐ ａｎｄ ｃｏｅｆｉｃｉｆｅｎｔ ｏｆ ｏｖｅｒａｌｌ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ．Ｔｈｅ ｉｎｓｔａｂｉｌｉｙ ｔｏｆ ｌｆｏｗ ａｌｏｎｇ ｐｉｐｅｌｉｎｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｖａｒｉｅｔｉｅｓ ｏｆ ｌｆｏｗ ｐａＲｅｍ ｌｅａｄ ｔｏ ｍａｎｙ ｄｉｆ－ ｆｅｒｅｎｃｅｓ ｉｎ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｗａｙｓ ｏｆ ｐｒｅｓｓｒｅ ｕｄｒｏｐ。Ａｆｔｅｒ ｔａｋｉｎｇ ｉｎｔｏ ａｃｃｏｕｎｔ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｖｅｒａｇｅ ｇａｓ ｒａｔｉｏ ａｎｄ Ｊｏｕｌｅ—Ｔｈｏｍｓｏｎ ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｒｏｐ，ｔｈｒｅｅ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌｓ ｏｆ ｏｉｌ—ｇａｓ ｔｗｏ—ｐｈａｓｅ ｌｆｏｗ ｗｅｒｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｏｉｌ－ｇａｓ ｇａｔｈｅｒｉｎｇ ｐｉｐｅｌｉｎｅｓ．Ｔｈｅ Ｂａｋｅｒ ｌｆｏｗ ｐａａｅｍ ｗａｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｆｏｒ ｅｖａｌｕａｔｉｎｇ ｏｉｌ—ｇａｓ ｔｗｏ—ｐｈａｓｅ ｌｆｏｗ．Ｉｔ ｉｎ· ｄｉｃａｔｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ Ｃｐ ｉｎ Ｈｉ ｉｓ ｓｕｐｅｒｉｏｒ ｔｏ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｆｒｏｍ ｉｎ Ｘ ａｎｄ ｃｏｕｌｄ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｒｏｐ ｏｆ ｏｉｌ—ｇａｓ ｗｏ－ｔｐｈａｓｅ ｌｆｏｗ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｕｌｔｉｐｈａｓｅ ｆｌｏｗ；ｂｕｆｆｅｄ ｐｉｐｅｌｉｎｅ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｒｏｐ；Ｊｏｕｌｅ—Ｔｈｏｍｓｏｎ ｅｆｆｅｃｔ ４７·
