基于聚光太阳能的油品管道减阻与节能研究

时间：2020年06月15日分类：科学技术论文次数：

摘要：针对输油管道阻力大的问题，提出了一种利用太阳能聚光加热输油管道的新型减阻集热方式。采用Fluent软件，对物理模型、网格、湍流方程、初始条件及边界条件等进行了合理的设置，对输油管路进行了数值模拟;研究了管长与聚光比对输油管段出口温度的影响，

　　摘要：针对输油管道阻力大的问题，提出了一种利用太阳能聚光加热输油管道的新型减阻集热方式。采用Fluent软件，对物理模型、网格、湍流方程、初始条件及边界条件等进行了合理的设置，对输油管路进行了数值模拟;研究了管长与聚光比对输油管段出口温度的影响，并与理论计算结果进行了对比分析。结果表明：出口温度随着管长的增加而增加，同时也随着聚光比的增大而增加;该管路在聚光比为5，入口温度为20oC，流速为1m/s的条件下，对管道前8km铺设复合抛物面聚光器(CPC)进行聚光加热可使油品温度提高到60oC，使摩阻系数大幅度降低，从而达到了减阻的目的。在输油管道的末端利用换热器可将油品得到的热量进行回收，达到能源的高效利用。

　　关键词：输油管道;数值模拟;减阻;摩阻系数;太阳能;聚光加热

石油规划设计

　　作者：钟洋陈海飞蔡宝瑞郭强

　　近年来，我国的工业化进程持续快速发展，石油在我国经济发展中占据重要地位。代晓东等[1]研究分析了BP公司每年发布的世界能源统计年鉴和能源展望，预计到2040年石油、天然气、煤炭和非化石能源将各占世界能源的四分之一，其中石油稳定发展。我国的石油运输有管道运输、水路运输、铁路运输和公路运输等输送方式，管道运输因其具有安全性好、效率高、运输量大、成本低等优点成为石油运输的主要方式。

　　石油管道运输是最适宜于输送石油的一种运输方式，是连接上游石油资源与下游石油商品的有效途径，是石油运输业重要的一部分[2]。孙玉龙[3]提出长输管道是我国能源消耗较大的行业，在输送石油时需要有效地降低输送过程中的摩擦阻力以及散热损耗。迄今为止很多学者对如何降低石油在管道运输中的阻力进行了研究。杜勇等[4]和胡景磊[5]使用DRIVE原油萃取剂进行的实验发现，DRIVE原油萃取剂具有良好的原油清洗力，可改善原油品质，减小原油在集输过程中的流动阻力。

　　同时也有很多人对管道减阻剂进行了研究，马永义[6]对EP系列减阻剂的应用进行了相应的探究。车福利等[7]通过实验研究了聚丙烯酰胺(PAM)溶液减阻剂的减阻性能。李恩田等[8]自行设计了管道流动试验平台和PIV测试系统，并与平板表面对比发现肋条具有减阻效果，并且减阻率与归一化肋高h+、雷诺数Re有关。崔迪等[9]和谭德金[10]对降凝剂、降凝技术革新进行了一定的探讨，对相关技术的发展情况进行了分析。JING和QI等[11]研究了表面润湿性对湍流水平流动摩擦阻力的影响，并且对5种不同的管材进行了研究，通过实验证明，表面润湿性对宏观管道中流体的摩擦因数有一定影响。齐红媛等[12]还用实验证明了对于相同的管输液体，可通过更换管输的材质改变润湿性，进而降低流动阻力。

　　为了响应国家“十三五”规划中加大可再生能源的利用政策，提出了利用聚光太阳能加热油品的减阻系统。利用ANSYS有限元分析方法对油品管道进行数值模拟，并将模拟结果与理论分析结果进行对比分析，研究了管长和聚光比对管道出口温度的影响，并对减阻效果进行了相应的分析。

　　1系统原理

　　该系统在输油管道的下方设有CPC折线形聚光器，其聚光倍数可达到2~6倍，太阳光可通过CPC聚光器上的抛物面反射聚集到石油管道表面，从而达到加热输油管道内油品的目的，并且在管道的末端连接一个高效的油水板式换热器，该换热器可用来收集管道内的油品在整个管道输送过程中所获得的热量，实现能源的高效利用。数值模拟主要用于计算石油经较长的管道输送后最终石油的温升，以及得到该温升所节约的能量，因此模拟只对输油管道进行模拟，忽略管道末端原有的高效油水换热器。

　　同时为了简化模型并且不影响整个计算结果，在建模过程中忽略了CPC聚光器的存在，但在后续的FLUENT计算中，在太阳辐射模型里太阳射线追踪法中的太阳直射辐照度改为经过CPC聚光后达到的光照强度，这样可以简化模型并且不会影响计算结果。太阳光经CPC聚光器聚光后的总能量主要由管道中的油品吸收，损失的能量主要为升温后的管道与环境之间的辐射换热与对流换热，同时由于CPC聚光器的结构对管道有保护作用，对流换热损失的能量非常小，可忽略不计。

　　2理论分析

　　设太阳的单位面积辐照强度为G，聚光输油管道接收辐照的面积为A1，其吸收率为α，CPC聚光光伏的聚光倍数为n，则输油管道接收的总能量Q为Q=nαGA1(1)其中，A1=πdl2(2)式中：n为CPC聚光光伏的聚光倍数，取值范围为2~6;d为输油管路的直径，m;l为输油管路的长度，m。输油管路接收的总能量Q一部分为石油加热所需的能量，一部分将以辐射的形式散失到环境中，即Q=Q热+Q损(3)其中，Q热=h1A2(Twall-Toil)(4)式中：h1为输油管壁与石油的换热系数，W/(m2·K);A2为输油管壁与石油的接触面积，m2;Twall为输油管壁的温度，K;Toil为石油的定性温度，K。输油管壁与石油的换热系数h1的计算式为h1=Nuλde(5)Nu=0.023Re0.8Pr0.4(6)Re=ρudeμ(7)式中：Nu为努赛尔数;Re为雷诺数;Pr为普朗特数;de为当量直径，m;λ为石油的导热系数，W/(m·K);ρ为石油的密度，kg/m3;u为石油的流速，m/s;μ为石油的动力黏度，Pa·s。

　　输油管壁与石油的接触面积A2的计算式为A2=πdl(8)式中：d为输油管路的直径，m;l为输油管路的长度，m。石油的定性温度Toil的计算式为Toil=Tout+Tin2(9)式中：Tout为石油的出口温度，K;Tin为石油的进口温度，K。以辐射的形式散失的能量Qloss的计算式为Qloss=h2A1(Twall-Tair)(10)式中：h2为输油管壁与环境的换热系数，W/(m2·K);Tair为环境温度，K。输油管壁与环境的换热系数h2的计算式为h2=σ(T)2wall+T2air(Twall+Tair)(11)式中：σ为斯蒂芬波尔兹曼常数，5.67×10-8W/(m2·K4)。加热石油所需的能量Qhot即为石油得到的热量Qoil，对其计算采用如下公式Qhot=Qoil=Cpqm(Tout-Tin)(12)其中，qm=ρA3u(13)A3=πd24(14)式中：Cp为石油的比热容，J/(kg·K);qm为石油的质量流量，kg/s;A3为输油管路的横截面积，m2。

　　3数值模拟

　　计算流体力学(CFD)是通过计算机进行数值计算，模拟流体流动时的各种相关物理现象，包括流动、热传导等。目前，计算流体动力学是解决流动和传热相关问题的强有力工具。本文基于流体为不可压缩、稳态紊流假设，运用ANSYSFluent软件，采用标准k-ε湍流数学模型模拟石油在该输油管路中的温度场和速度场的分布规律，采用CFD主要解决了前处理、求解和后处理问题。

　　3.1三维模型的建立

　　利用ANSYS软件中的前处理软件ICEMCFD，根据该输油管道的几何和物理特性，经过点、线、面的绘制得到该管道简化的三维模型，并创建好相关部分，同时对该模型进行网格划分，网格类型根据石油管道的物理特性选择O型网格划分。

　　3.2控制方程与条件加载

　　在三维稳态条件下建立了该模型，利用CFD方法对油品运输管道的性能进行了数学模拟。将整个输油管道考虑为控制体，连续性、动量和能量的控制方程为连续性方程∇(ρoil)voil=0(15)动量方程∇(ρoil)voilvoil=-∇p+∇(μoil∇)voil(16)能量方程∇()voilρoilvoilCp,oilToil=∇(koil∇Toil)(17)式中：v为管道内油品的速度;p为压力。将入口设置为“速度入口”边界条件，该边界条件包含了冷却流体的入口速度和温度，其中油品的初始速度为1m/s，初始温度为20℃，外界环境温度设为20℃，同时油品管道的出口选用“压力出口”边界条件。

　　将太阳辐射模型中的射线追踪法里的直射辐射强度设为3000W/m2，同时在材料属性的设置中将输油管道的薄壁厚度设置为8mm。本文利用基于压力的有限体积法(FVM)对控制方程进行离散化求解;采用简单的算法进行压力-速度耦合;采用二阶迎风法求解动量方程和能量方程;利用连续方程、动量方程和能量方程的残差值作为收敛的标准。连续性方程、动量方程和能量方程的最大残差分别小于10-5、10-6和10-8，经过一定的迭代求解可得到相应的模拟结果。

　　3.3模拟结果

　　3.3.1温度场模拟结果

　　当石油管道管长为1000m，管内径为0.5m，壁厚为8mm，石油入口温度为20℃，入口速度为1m/s，环境温度为20℃，太阳辐射强度为600W/m2，CPC聚光器聚光倍数为5。

　　4对比分析

　　反映了聚光比为5、环境温度为20℃、石油入口温度为20℃、流速为1m/s时流体的温升随管长的变化趋势。可以看出随着管长的增加，温升逐渐扩大，也就是出口温度在逐渐增加，当管长增加到8km时，温升达到了40℃，也就是此时石油的温度为60℃，因此在实际工程应用当中，可以在长输管道的末端得到很高的出口温度，末端的换热器将会换取并存储大量的热量。另外，理论计算的温度和Fluent模拟出来的温度误差范围不大，并且随着管长的增加误差有些许的加大并且趋于不变，出现误差些许增大是由于理论计算是在理想状态下进行的，而模拟更偏向实际情况，但是随着管长的增加误差会趋于定值。

　　5结论

　　通过对石油管路太阳能聚光减阻及集热系统进行的模拟研究和理论验证，得到以下结论：

　　(1)输油管路的出口温度随着管长的增加而上升。在5倍聚光下，石油进口温度为20℃、速度为1m/s、环境温度为20℃时，石油每通过200m输油管路温度会提升约1℃。在实际的工程中，仅需要对输油管道的前8km安装CPC聚光器进行加热就可以得到60℃的高温热油，同时在末端利用换热器进行换热，可换取可观的热量。

　　(2)输油管路的出口温度随着聚光器聚光比的增加而上升。当聚光比达到100时，仅需要在管道的前段部分聚光，出口温度就可以达到CPC聚光器长距离的聚光集热的温度，可以简化管线的结构。

　　(3)模拟得出摩阻系数与温度和管长的关系曲线，以及不同油品达到最佳减阻效果的加热管长。

　　参考文献

　　[1]代晓东，于睿，刘晓娜，等.2017年全球能源统计与未来展望[J].天然气与石油，2019，37(1)：94-99.DAIXiaodong，YURui，LIUXiaona，etal.Statisticsandfutureoutlookofglobalenergyin2017[J].NaturalGasandOil，2019，37(1)：94-99.

　　[2]柏宗宪，李仁明，谢泱，等.石油管道运输技术研究[J].中国石油石化，2017(4)：15-16.BAIZongxian，LIRenming，XIEYang，etal.Researchonpetroleumpipelinetransportationtechnology[J].ChinaPetrochem，2017(4)：15-16.

　　[3]孙玉龙.浅谈油气长输管道节能降耗技术[J].区域治理，2018(39)：17.SUNYulong.Talkingaboutenergysavingandconsumptionreductiontechnologyofoilandgaslongdistancepipeline[J].RegionalGovernance，2018(39)：17.

　　石油论文投稿刊物：《石油规划设计》读者对象为从事油气田地面工程、油气管道输送工程、油气加工与综合利用工程及相关工程规划、勘察、设计、科研、管理、标准化和计算机应用，以及施工、生产和教学工作的领导以及工程技术与管理人员。

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