火灾对埋地管道中油品温度影响的数值研究.pdf

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1、2 0 0 9年 第 2 期 管 道 技 木 P i p e l i n e Te c h n i q u e 5 设 舌 a n d Eq u i p me n t 2 0 o 9 No 2 火灾对埋地管道 中油 品温度影 响的数值研究 杨丽芸。 ， 邓松圣 ， 秦伟 ( 1 西昌卫星发射中心， 四川西昌6 1 5 6 0 6 ； 2 后勤工程学院， 重庆4 0 0 0 1 6 ； 3 西南合成制药股份有限公司， 重庆4 0 1 1 4 7 ) 摘要 ： 地面发生火灾时， 土壤 中原有的热平衡被破坏 ， 土壤温度、 地下管道温度将产生变化， 从而进 一步影响管内输送介质的温度， 使其不断升

2、高， 当油品温度升高到一定值 时， 管道安全将受到影响。针 对此情况建立非稳态传热模型， 给出了微分方程 ； 运用有限差分法对模型进行 了数值模拟计 算， 其 中对 管道采取分段传热计算， 并对结果进行分析。通过该研 究， 得 出发生火灾后 ， 埋地管道 内输送油品的沿 程温度变化规律， 从而为火灾后的埋地输油管道性能安全评估提供了科学依据。 关键词： 火灾； 埋地输油管道； 非稳 态温度场 中图分类号： T E 8 8 文献标识码 ： A 文章编号： 1 0 0 4 9 6 1 4 ( 2 0 0 9 ) 0 2 0 0 1 2 0 4 Nu m e r i c a l S t u d y

3、o f t h e He a t Tr a n s f e r I n flue n c e o f t h e Gr o u nd S ur f a c e Fi r e o n t he Oi l Tr a n s po r t i n Bur i e d Pi p e lin e Y A N G L i y u n ， D E N G S o n g s h e n g ， Q I N We i ( 1 X i c h a n g S a t e l l i t e L a u n c h C e n t e r ， X i c h a n g 6 1 5 6 0 6 ， C h i n

4、 a ； 2 Lo g i s ti c s E n g i n e e r i ng Un i v e r s i t y， Ch o n g q i n g 4 0 0 0 1 6， Ch i n a； 3 S o u t h w e s t S y n t h e ti c P h a r ma c e u t i c a l C o r p L t d ， Ch o n g q i n g 401 1 4 7， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Wh e n t h e g r o u n d s u r f a c e i s o n fi r e， t h

5、e t h e r ma l b ala n c e o f s o i l i s d e s t r o y e d T h e n a n e w t e mp e r a t u r e fi e l d w i l l b e b u i l t u p Ac c o r d i n g l y， t h e t e mpe r a t u r e r e d i s t r i b u t i o n o f o i l i n t h e b u ri e d p i pe l i n e i s a ff e c t e d Th e u n s t e a d y h e a

6、 t t r a n s f e r mo d e l i s d e v e l o pe d f o r t h i s i n s t a n c e ， n u me ri c al s i mu l a t i o n s ma d e ， a n d t h e r e s u l t a n aly z e d i n t h i s wo r k Th r o u g h t h e s t u d y ， the t e mp e r a t u r e c h a n g e o f t h e o i l t r a n s p o r t i n g i n the b

7、 u ri e d p i pe l i n e c a n b e k n o wn w h e n t h e g r o u n d s u r f a c e i s a fi r e Ke y wo r d s： fir e： bu r i e d pi pe l i n e： u ns t e a d y t e mpe r a t u r e fie l d 0 引言 油气管道输送在国民经济 中占有 十分重要 的地 位H J ， 其安全运行具有十分重要的意义。当山地森林 或油 品等地面火灾发生时 ， 热量会向地下传递 ， 可能 引发埋地输油管道温度升高 ， 进而使输送油气温度升

8、高。由于油气管道储运的介质都是易燃 、 易爆、 易挥 发和易于静电聚集的流体， 在较低 的温度条件下就易 发生燃烧爆炸， 到达一定程度 时将造成管道 破裂爆 炸， 并沿着管道系统扩展蔓延 ， 使事故范围迅速扩大 ， 甚至酿成灾难性后果。通过研究 ， 得出发生火灾后 ， 土壤 、 管道及输送油品的温度变化规律 ， 可获得持续 时间对管道 的影响、 输送油气 的温升等情况 ， 为制定 灭火预案和管道输送设计 、 运行 和管理提供技 术支 持， 为埋地油气管道安全评估提供依据 。 1 计算模型 基金项 目： 重庆市 自然科学基金资助项 耳( C S T C 2 0 0 7 B B 6 1 0 3 )

9、 收稿 日期 ： 2 0 0 80 61 0 收修改稿 日期 ： 2 0 0 81 1 0 3 图 1 为直埋管道示意图。地表受火面在 方向长 a ， 在 z 方向上长 b 一 一 e 姥 剿 水 平 径向 I 程 I 瞽 ) 一 -一 一 一 一 一 + 轴 向 ： 图 1 埋地管道示意图 鉴于温度场计算的复杂性， 为便于理论分析和求 解 ， 在建模前作如下一些假设 ： 认为土壤是均质的 ； 忽略土壤 中因水分迁移而引 起的热迁移， 认为埋管与土壤之 间只通过纯导热进行 传热口 ； 埋管与土壤完好接触 ， 忽略接触热阻； 忽略管 道轴 向温降； 管内油流流动为一维 ， 且速度恒定不变， 截面

10、温度均匀 ， 仅与轴 向位置和时间有关 j 。 第2期 杨丽芸等 ： 火灾对埋地管道中油品温度影响的数值研究 l 3 当地面发生火灾时 ， 地表 的边界条件发生改变 ， 地面温度不再是自然状态下的数值。该变化向地下 传递， 原有 的热平衡被破坏， 建立 起新 的温度场 。在 该过程中， 温度是随时间变化的， 此时的热量传递过 程为非稳态过程。土壤 一管道系统温度场 的计算需 要在特定边界条件与初始条件下 ， 用数值计算方法求 解非稳态场的导热微分方程。 土壤导热微分方程为 O TI= 去 ( A ) + ) + ( A ) 】 ( 1 ) 式中： 。 为土壤温度 ； 为时间 ； p 为土壤密度

11、 ； c ， 为土 壤比热容； A 为土壤导热系数。 管道导热微分方程为 ： 杀 ( ) + 南 ( A 嚣 ) 】 ( 2 ) 式 中： 为管道温度； p 为管道 密度； C D 2 为管道 比热 容 ； A ： 为管道导热系数 ； r 、 为管道柱坐标 。 油流与管内壁的换热方程为 O t + O z+P 3 C 3 ( d 2 ) ( 7一 3 一 )= o( 3 ) + ： + l ， u j ， 式中： 为管内油流温度 ； 为油流平均速度； p 。 为管 内油品密度； c ， 为管内油品比热容 ； d为管道内直径。 当 r =D 2时： =T l ( 4 ) 其 中， D为管道外直径

12、。 A A A ( 5 ) 式 中r 。 、 r 分别为管道和土壤接合面处土壤 、 管道的径 坐标。 当 r =d 2时 ： _ A 2 ( T 2 ( 6 ) 式中： W为换热物面； n为换热面的外法线方向。 水平方向上 ， 管道外部位于中心线 = 0处 ： ， = = 0A v - 1 0 ( 7 ) ， = = ( 7 ) n 当 = L 或 Y = L 或 = L 时： T1= 式中： 为 自然热力状态下 的土壤温度 ； L L y 、 L ： 分 别为 x , y 、 方向上的热力影响范围。 当I I n ， I z l 6 ， Y= 0时 ： ( ( T f ) ( 8 ) 式中：

13、 O l 为受火土壤表面综合换热系数 ； 为火焰温 度。 当 、 z 圣 ( x ， z ) I l I 口 ， l z l 6 ， Y= 0时： - A l ( 9 ) 式中： 为大气温度 ； 为未受火土壤表面到空气的 损热系数 。 值得注意的是， 油流到管内壁的换热系数 O t ， 的取 值 。油品在管内壁 的传热属于受迫运动时的对流换 热， 其换热系数决定于油的物理性质及流动状态， 其 对管内壁换热系数 O t 按以下公式计算 。 层流状态时： 6 ( Re 2 0 0 0 过渡状态时 ： 0 0 1 2 A f ( s 7_2 8 0 “ ) 2 0 0 01 0 0 0 0 式中：

14、角码 f 取 自计算管段平均油温； 角码 W取 自计算 管段管内壁平均温度 ； Z 为管段长度。 在计算时， 按一定长度将管道进行分段 ， 将 每个 分段流体的始末温度 的算术平均值作为该管段 流体 的特性温度。每个管段的长度不可太长， 以免温度变 化太大。根据定性温度查 出流体热物性参数 ， 根据雷 诺数可以判断在此管段中流动处于何种流动状态 ， 利 用上述公式 即可求得 在此管段 中油流与 内壁的换热 系数。然后进行下一管段的计算 ， 直到末端为止。 在上述边界条件和初始条件下 ， 导热方程式的解 析解因初 始条件 比较复杂而很难得 到。只能用数值 求解方法解决这个问题。在对方程离散时采取

15、分区 域离散 ： 运用显式格式 的 F F C S格式有 限差分方程离 散土壤导热方程 ， 采用高斯 一赛德尔 ( G a u s s S e i d e 1 ) 迭 代求解 ， 运用交替方向的隐式格式 ( A D I ) 离散管道 导热方程， 采用追赶法( T D MA法) 迭代求解。 2 算例及分析 1 4 Pi p e l i n e Te c h n i q u e a n d Eq u i p me n t Ma r 2 0 o 9 某处发生火灾 ， 正下方 0 5 m处有输油管道。土 壤导热系数 A =1 5 W ( m ) ， 比热容 c ：1 8 4 0 J ( k g ) ，

16、 密度P = 2 0 5 0 k g m ； 管道顶端埋深 0 5 i n ， 导 热 系数 A ：4 0 W ( m o C) ， 比热容 c =4 5 0 J ( k g o C) ， 密度 P =7 8 0 0 k g m ； 受火面综合换热 系数 =1 4 0 W ( m ) ， 未受火面对大气的放热 系数 =1 8 W ( m c 【 = ) ； 油品温度 5 0， 对管内壁 的放热系数 O t = 4 0 W ( m o C) 。 热力影响区的大小 既与土壤的物性参数密切相 关， 同时与当地大气温度 、 气候等有关 ， 文 中根据文献 5 ， 取恒温层为地 下 5 m深处 ， 水平

17、方 向上远 于 l 0 倍着火区宽度以外不受火灾影响。利用 V B软件编程 计算 ， 得到管内油流温度随时间的变化情况 。为便于 分析 ， 将得到的结果拟合成曲线。图 2给 出不同火灾 持续时间( 火烧时间) 下被加热管段 出口处油 品的温 度 。 图 2油 品 温 度变 化 由图2可看 出， 在火灾初期 ， 热 量还未传 到管道 处 ， 管道未被加热 ， 油品温度保持 5 0不 变； 大约在 火灾持续 1 3 h后 ， 地面火灾的高温影响传 到管道埋深 处 ， 管道被加热 ， 随着火烧时间的增加 ， 油品温度持续 升高， 这是因为土壤 、 管道温度不断升高， 由于周围的 环境温度远高于油流温

18、度 ， 流过该段管道的油流不断 从外界吸收热量 ， 因而在前进过程 中不断地升温 ， 土 壤、 管道温度越高 ， 油流吸收的热量就越多 ， 在管段 出 口截面处的温度就越高。 这部分被加热油流在继续 向前的流动中， 由于温 度远高于管道周围的环境温度， 油流所携带的热量不 断往管外 散失 ， 因而使 油流在前进 过程 中不断 地降 温， 向周围未受火灾影响的低温土壤释放热量。按照 国家建委建筑物理研究所对埋地热油管道 向外部散 热的传热过程所做 的理论分析， 可用二维不稳定热传 导方程及边界条件求解 埋地热油 管道周 围温度 场。 结合前面的管内油流换热方程， 将受热管段出 口处油 品的温度视

19、为加热站出站油温 ， 得到被加热油流在低 温土壤环境中沿程温度降低情况 ， 如图 3所示。 图 3中， 由下到上依次是火烧时间为 l 4 2 4 0 h 时的油温沿程温降情况 。可看 出火烧时间越长 ， 相同 的地点油流温度越高。因此， 如果火烧时间足够长， 管道被加热到较高温度 ， 从而导致其中流过的油流被 加热到较高温度 ， 火灾发生地点离泵站、 油库较近时 ， 这部分油品流经低温土壤时散失的热量较少 ， 温降较 小 ， 进入泵站， 会造成泵发热 、 启动后泵不输 油、 泵 内 产生气蚀等现象 ， 对泵的吸入特性造成较大影响。 1 6 0 1 2 0 p 京 8 o 赠 40 O 0 5

20、L 0 1 5 2 0 2 5 30 距 k r a 图 3油温沿程变化 而对于油罐来说， 当油品蒸发而使气体空问的总 压力达到呼吸阀控制压力时， 呼吸阀就要动作 ， 罐 内 空气和油品蒸汽的混合气体将逸出， 从而造成较高的 “ 大呼吸” 损耗。油气通过油罐 的呼吸阀 、 测量孑 L 、 人 孔及设备不严处 向外扩散 ， 尤其是收油时 ， 会有大量 的油气排人大气中， 在罐 区一定范围内形成爆炸性混 合气体。而当火灾发生地点离泵站、 油库较远时 ， 随 着被加热的油流在管内的推进 ， 热油将不断向周围低 温土壤温度场中大量散失热量 ， 故热油的温度会大 幅 下降 ， 因此这部分油 品对泵站 、

21、 油库 的影响不大。例 如 ， 该例中火灾发生 2 4 0 h时 ， 距火灾发生地 1 0 0 0 m 处油温高达 1 1 7 1 1 o C， 而在距火灾发生地 3 k m处则 已降为了 6 6 4 7 c C 3 结束语 建立了包含管内油流 的地面火灾下土壤 一埋地 输油管道非稳态传热模型， 模拟了火烧持续过程 中的 非稳态温度场， 并进一步把获得的受热管段出 口处油 品的温度视为加热站出站油温， 结合边界条件对这部 分油流在低温土壤环境 中沿程温度 降低情况进行了 数值模拟。 数值模拟结果表 明： 发生火灾 时， 燃烧产生大量 热量并 向下传递 ， 在此热量作用下， 埋地输油管道中 油流

22、流经火灾下方时 ， 温度随着火烧时间的增加而不 断上升； 火灾发生地点距离泵站、 油库较近时， 这部分 油品流经低温土壤时温降较小， 因而这部分油 品对泵 第 2期 杨丽芸等 ： 火灾对埋地管道 中油品温度影响的数值研究 l 5 站、 油库的影响较大 ， 而当火灾发生地点离泵站、 油库 较远时， 热油的温度会大幅下降 ， 因此这部分 油品对 泵站、 油库的影响不大。 参考文献 ： I 盂振虎 原油管道热运行过程分析 管道技术与设备， 2 0 0 5 ( 6 ) ： 58 2 崔秀国， 张劲军 埋地热含蜡原油管道的非稳态传热问 题 中国工程科学 ， 2 0 0 3 ( 7 ) ： 7 9 3 鹿

23、广辉， 张冬敏， 于达， 等 冷热原油交替输送的传热过程 研究 油气储运， 2 0 0 7 ， 2 6 ( 4 ) ： 1 41 6 4 杨筱蘅， 张国忠 输油管道设计与管理 东营： 石油大学出 版社 ， 1 9 9 6 ： 6 2 6 4 5 赵永涛 埋地热油管道周围温度场数值模拟 新疆石油天 然气 ， 2 0 0 7 ， 3 ( 1 ) ： 8 O一8 2 作者简介： 杨丽芸( 1 9 7 6 一) ， 工程师， 主要从事油料储运技术与 装备方面的研究。 ( 上接第 6页) 根据加热炉达到额定 功率所需的时间， 在纯净试 验油到来前若 干时 间开始点炉。根据油头到达各站 场 、 阀室时间的

24、计算 ， 现场测试人员提前 1 h到达取样 点取样 ， 每隔 1 0 m i n取样测试油样密度和黏度 ， 确定 各试验段的加剂时间和取样时间。 为了较准确地掌握加剂改性输送 的原油经过不 同剪切历史( 泵剪切和管流剪切 ) 和热历史后 物性 的 变化情况， 在现场试验过程中， 通过测取前面取样点 的流变参数并及时分析 ， 可以预测后面取样点流变参 数的变化趋势 ， 从而临时增加取样点， 以便测取 临界 状态的流变参数 ， 掌握安全输送的压力、 温度边界条 件E 圳 。 3 结束语 降凝剂的投用必须经过工业性试验 ， 而且试验时 间最好为冬季。西部管道此次试验是从地温最高的 8 月份开始， 通

25、过现场取样后模拟冬季地温降温测试流 变性参数， 与冬季地温下测量的流变性参数可能存在 差异。在评价试验结果时 ， 如何定量分析其中的影响 因素是评价的关键和难点。 管线在低输 量下运行给生产运行提出了很高的 要求 ， 由于实际输油过程 中存在一定 的流量 波动 ， 加 上每小段试验段都不是很长， 从而给判断取样时间造 成了一些麻烦。 2 0 0 7年 l 0月试验完成后， 从 1 1月份开始进行在 线流变性跟踪测试， 实时掌握管输原油流变性 ， 指导 冬季输油。 参考文献 ： 1 中国石油天然气管道工程有限公司 西部原油成品油管 道工程原油管道初步设计总说明书( 储 一5 2 3 3 1 明)

26、 廊坊 ： 中国石油天然气管道局。 2 0 0 6 2 中国石油西部管道有限责任公司 西部原油管道试运投 产方案( X Y 4 1 9 0 0 S G一4 2 50 22 0 0 7 0 4 0 5 ) 鸟鲁木 齐： 中国石油西部管道有限责任公司， 2 0 0 7 3 中国石油大学( 北京) 油气储运工程系， 中国石油管道科 技研究中心 北疆混合原油与吐哈混合原油降凝剂改性 试验研究 报告 北京 ： 中国石油大学 ( 北京 ) ， 2 0 0 5 4 张劲军， 严大凡 原油流动性测量及在管输应用中的若干 问题 油气储运 ， 1 9 9 7 ， 1 6 ( 4 ) ： 5 9 5 张劲军， 蔡一

27、全， 严大凡， 等 长距离管输添加降凝剂含蜡 原油的模拟试验 石油规划设计， 1 9 9 5 ( 2 ) ： 4 3 4 6 6 张劲军 剪切作用对添加降凝剂后新疆混合原油流变性 的影响 石油大学学报 ， 1 9 9 3 ， 1 7 ( 6 ) ： 7 4 7 8 7 夏惠芳， 张劲军 低速剪切影响加剂原油低温流动性机理 研究 油气储运， 2 0 0 1 ， 2 0 ( 2 ) ： 3 2 3 4 8 黄启玉， 张劲军 高速剪切后加剂原油低温流动性的恢 复 油气储运， 1 9 9 9 ， 1 8 ( 1 0 ) ： 6 8 9 张劲军 管输剪切作用对加剂原油流动性的影响 油气储 运 ， 1 9

28、 9 6 ， 1 5 ( 9 ) ： 1 31 7 1 O 杜国敏， 张劲军 管流剪切对加剂原油低温流动性的影 响 油气储运， 1 9 9 8 ， 1 7 ( 1 2 ) ： 57 1 1 张维智， 张劲军 管输过程中加剂原油流动参数的预测 石油规划设计 ， 2 0 0 3 ， 1 4 ( 3 ) ： 1 1 1 3 1 2 李玉风， 张劲军 管输过程中加剂原油粘度变化的预测 方法 油气储运， 2 0 0 4 ， 2 3( 1 1 ) ： 3 33 7 1 3 张劲军， 刘忠晖 管输剪切作用对加剂原油流动性的影 响 油气储运， 1 9 9 6 ， 9 ( 1 5 ) ： 1 31 7 ； 3

29、6 1 4 李玉凤 ， 张劲军 剪切作用对加剂大庆原油粘度和凝点 的影响 油气储运， 2 0 0 4， 2 3( 1 O ) ： 2 9 3 2 1 5 张劲军， 黄启玉 管输剪切模拟搅拌槽中流体平均剪切 率的计算 石油学报， 2 0 0 3 ， 2 4( 2 ) ： 9 4 9 6 1 6 张劲军， 张帆 绝热搅拌槽中流体平均剪切率的一种计 算方法 工程热物理学报， 2 0 0 2 ， 2 3 ( 6 ) ： 7 0 3 7 0 6 1 7 张劲军， 严大凡 利用能量耗散率计算管流的平均剪切 率 石油学报 ， 2 0 0 2 ， 2 3 ( 5 ) ： 8 8 9 o 1 8 张劲军， 刘忠晖 管输剪切作用对加剂原油流动性的影 响 油气储运， 1 9 9 6 ， 9 ( 1 5 ) ： l 3 1 7 ； 3 6 作者简介： 姚峰( 1 9 7 9 一) ， 硕士， 主要从事油气储运工艺方面的 工作。