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科學技術論文

基于聚光太陽能的油品管道減阻與節能研究

時間:2020年06月15日 所屬分類:科學技術論文 點擊次數:

摘要:針對輸油管道阻力大的問題,提出了一種利用太陽能聚光加熱輸油管道的新型減阻集熱方式。采用Fluent軟件,對物理模型、網格、湍流方程、初始條件及邊界條件等進行了合理的設置,對輸油管路進行了數值模擬;研究了管長與聚光比對輸油管段出口溫度的影響,

  摘要:針對輸油管道阻力大的問題,提出了一種利用太陽能聚光加熱輸油管道的新型減阻集熱方式。采用Fluent軟件,對物理模型、網格、湍流方程、初始條件及邊界條件等進行了合理的設置,對輸油管路進行了數值模擬;研究了管長與聚光比對輸油管段出口溫度的影響,并與理論計算結果進行了對比分析。結果表明:出口溫度隨著管長的增加而增加,同時也隨著聚光比的增大而增加;該管路在聚光比為5,入口溫度為20oC,流速為1m/s的條件下,對管道前8km鋪設復合拋物面聚光器(CPC)進行聚光加熱可使油品溫度提高到60oC,使摩阻系數大幅度降低,從而達到了減阻的目的。在輸油管道的末端利用換熱器可將油品得到的熱量進行回收,達到能源的高效利用。

  關鍵詞:輸油管道;數值模擬;減阻;摩阻系數;太陽能;聚光加熱

石油規劃設計

  作者:鐘洋陳海飛蔡寶瑞郭強

  近年來,我國的工業化進程持續快速發展,石油在我國經濟發展中占據重要地位。代曉東等[1]研究分析了BP公司每年發布的世界能源統計年鑒和能源展望,預計到2040年石油、天然氣、煤炭和非化石能源將各占世界能源的四分之一,其中石油穩定發展。我國的石油運輸有管道運輸、水路運輸、鐵路運輸和公路運輸等輸送方式,管道運輸因其具有安全性好、效率高、運輸量大、成本低等優點成為石油運輸的主要方式。

  石油管道運輸是最適宜于輸送石油的一種運輸方式,是連接上游石油資源與下游石油商品的有效途徑,是石油運輸業重要的一部分[2]。孫玉龍[3]提出長輸管道是我國能源消耗較大的行業,在輸送石油時需要有效地降低輸送過程中的摩擦阻力以及散熱損耗。迄今為止很多學者對如何降低石油在管道運輸中的阻力進行了研究。杜勇等[4]和胡景磊[5]使用DRIVE原油萃取劑進行的實驗發現,DRIVE原油萃取劑具有良好的原油清洗力,可改善原油品質,減小原油在集輸過程中的流動阻力。

  同時也有很多人對管道減阻劑進行了研究,馬永義[6]對EP系列減阻劑的應用進行了相應的探究。車福利等[7]通過實驗研究了聚丙烯酰胺(PAM)溶液減阻劑的減阻性能。李恩田等[8]自行設計了管道流動試驗平臺和PIV測試系統,并與平板表面對比發現肋條具有減阻效果,并且減阻率與歸一化肋高h+、雷諾數Re有關。崔迪等[9]和譚德金[10]對降凝劑、降凝技術革新進行了一定的探討,對相關技術的發展情況進行了分析。JING和QI等[11]研究了表面潤濕性對湍流水平流動摩擦阻力的影響,并且對5種不同的管材進行了研究,通過實驗證明,表面潤濕性對宏觀管道中流體的摩擦因數有一定影響。齊紅媛等[12]還用實驗證明了對于相同的管輸液體,可通過更換管輸的材質改變潤濕性,進而降低流動阻力。

  為了響應國家“十三五”規劃中加大可再生能源的利用政策,提出了利用聚光太陽能加熱油品的減阻系統。利用ANSYS有限元分析方法對油品管道進行數值模擬,并將模擬結果與理論分析結果進行對比分析,研究了管長和聚光比對管道出口溫度的影響,并對減阻效果進行了相應的分析。

  1系統原理

  該系統在輸油管道的下方設有CPC折線形聚光器,其聚光倍數可達到2~6倍,太陽光可通過CPC聚光器上的拋物面反射聚集到石油管道表面,從而達到加熱輸油管道內油品的目的,并且在管道的末端連接一個高效的油水板式換熱器,該換熱器可用來收集管道內的油品在整個管道輸送過程中所獲得的熱量,實現能源的高效利用。數值模擬主要用于計算石油經較長的管道輸送后最終石油的溫升,以及得到該溫升所節約的能量,因此模擬只對輸油管道進行模擬,忽略管道末端原有的高效油水換熱器。

  同時為了簡化模型并且不影響整個計算結果,在建模過程中忽略了CPC聚光器的存在,但在后續的FLUENT計算中,在太陽輻射模型里太陽射線追蹤法中的太陽直射輻照度改為經過CPC聚光后達到的光照強度,這樣可以簡化模型并且不會影響計算結果。太陽光經CPC聚光器聚光后的總能量主要由管道中的油品吸收,損失的能量主要為升溫后的管道與環境之間的輻射換熱與對流換熱,同時由于CPC聚光器的結構對管道有保護作用,對流換熱損失的能量非常小,可忽略不計。

  2理論分析

  設太陽的單位面積輻照強度為G,聚光輸油管道接收輻照的面積為A1,其吸收率為α,CPC聚光光伏的聚光倍數為n,則輸油管道接收的總能量Q為Q=nαGA1(1)其中,A1=πdl2(2)式中:n為CPC聚光光伏的聚光倍數,取值范圍為2~6;d為輸油管路的直徑,m;l為輸油管路的長度,m。輸油管路接收的總能量Q一部分為石油加熱所需的能量,一部分將以輻射的形式散失到環境中,即Q=Q熱+Q損(3)其中,Q熱=h1A2(Twall-Toil)(4)式中:h1為輸油管壁與石油的換熱系數,W/(m2·K);A2為輸油管壁與石油的接觸面積,m2;Twall為輸油管壁的溫度,K;Toil為石油的定性溫度,K。輸油管壁與石油的換熱系數h1的計算式為h1=Nuλde(5)Nu=0.023Re0.8Pr0.4(6)Re=ρudeμ(7)式中:Nu為努賽爾數;Re為雷諾數;Pr為普朗特數;de為當量直徑,m;λ為石油的導熱系數,W/(m·K);ρ為石油的密度,kg/m3;u為石油的流速,m/s;μ為石油的動力黏度,Pa·s。

  輸油管壁與石油的接觸面積A2的計算式為A2=πdl(8)式中:d為輸油管路的直徑,m;l為輸油管路的長度,m。石油的定性溫度Toil的計算式為Toil=Tout+Tin2(9)式中:Tout為石油的出口溫度,K;Tin為石油的進口溫度,K。以輻射的形式散失的能量Qloss的計算式為Qloss=h2A1(Twall-Tair)(10)式中:h2為輸油管壁與環境的換熱系數,W/(m2·K);Tair為環境溫度,K。輸油管壁與環境的換熱系數h2的計算式為h2=σ(T)2wall+T2air(Twall+Tair)(11)式中:σ為斯蒂芬波爾茲曼常數,5.67×10-8W/(m2·K4)。加熱石油所需的能量Qhot即為石油得到的熱量Qoil,對其計算采用如下公式Qhot=Qoil=Cpqm(Tout-Tin)(12)其中,qm=ρA3u(13)A3=πd24(14)式中:Cp為石油的比熱容,J/(kg·K);qm為石油的質量流量,kg/s;A3為輸油管路的橫截面積,m2。

  3數值模擬

  計算流體力學(CFD)是通過計算機進行數值計算,模擬流體流動時的各種相關物理現象,包括流動、熱傳導等。目前,計算流體動力學是解決流動和傳熱相關問題的強有力工具。本文基于流體為不可壓縮、穩態紊流假設,運用ANSYSFluent軟件,采用標準k-ε湍流數學模型模擬石油在該輸油管路中的溫度場和速度場的分布規律,采用CFD主要解決了前處理、求解和后處理問題。

  3.1三維模型的建立

  利用ANSYS軟件中的前處理軟件ICEMCFD,根據該輸油管道的幾何和物理特性,經過點、線、面的繪制得到該管道簡化的三維模型,并創建好相關部分,同時對該模型進行網格劃分,網格類型根據石油管道的物理特性選擇O型網格劃分。

  3.2控制方程與條件加載

  在三維穩態條件下建立了該模型,利用CFD方法對油品運輸管道的性能進行了數學模擬。將整個輸油管道考慮為控制體,連續性、動量和能量的控制方程為連續性方程∇(ρoil)voil=0(15)動量方程∇(ρoil)voilvoil=-∇p+∇(μoil∇)voil(16)能量方程∇()voilρoilvoilCp,oilToil=∇(koil∇Toil)(17)式中:v為管道內油品的速度;p為壓力。將入口設置為“速度入口”邊界條件,該邊界條件包含了冷卻流體的入口速度和溫度,其中油品的初始速度為1m/s,初始溫度為20℃,外界環境溫度設為20℃,同時油品管道的出口選用“壓力出口”邊界條件。

  將太陽輻射模型中的射線追蹤法里的直射輻射強度設為3000W/m2,同時在材料屬性的設置中將輸油管道的薄壁厚度設置為8mm。本文利用基于壓力的有限體積法(FVM)對控制方程進行離散化求解;采用簡單的算法進行壓力-速度耦合;采用二階迎風法求解動量方程和能量方程;利用連續方程、動量方程和能量方程的殘差值作為收斂的標準。連續性方程、動量方程和能量方程的最大殘差分別小于10-5、10-6和10-8,經過一定的迭代求解可得到相應的模擬結果。

  3.3模擬結果

  3.3.1溫度場模擬結果

  當石油管道管長為1000m,管內徑為0.5m,壁厚為8mm,石油入口溫度為20℃,入口速度為1m/s,環境溫度為20℃,太陽輻射強度為600W/m2,CPC聚光器聚光倍數為5。

  4對比分析

  反映了聚光比為5、環境溫度為20℃、石油入口溫度為20℃、流速為1m/s時流體的溫升隨管長的變化趨勢?梢钥闯鲭S著管長的增加,溫升逐漸擴大,也就是出口溫度在逐漸增加,當管長增加到8km時,溫升達到了40℃,也就是此時石油的溫度為60℃,因此在實際工程應用當中,可以在長輸管道的末端得到很高的出口溫度,末端的換熱器將會換取并存儲大量的熱量。另外,理論計算的溫度和Fluent模擬出來的溫度誤差范圍不大,并且隨著管長的增加誤差有些許的加大并且趨于不變,出現誤差些許增大是由于理論計算是在理想狀態下進行的,而模擬更偏向實際情況,但是隨著管長的增加誤差會趨于定值。

  5結論

  通過對石油管路太陽能聚光減阻及集熱系統進行的模擬研究和理論驗證,得到以下結論:

  (1)輸油管路的出口溫度隨著管長的增加而上升。在5倍聚光下,石油進口溫度為20℃、速度為1m/s、環境溫度為20℃時,石油每通過200m輸油管路溫度會提升約1℃。在實際的工程中,僅需要對輸油管道的前8km安裝CPC聚光器進行加熱就可以得到60℃的高溫熱油,同時在末端利用換熱器進行換熱,可換取可觀的熱量。

  (2)輸油管路的出口溫度隨著聚光器聚光比的增加而上升。當聚光比達到100時,僅需要在管道的前段部分聚光,出口溫度就可以達到CPC聚光器長距離的聚光集熱的溫度,可以簡化管線的結構。

  (3)模擬得出摩阻系數與溫度和管長的關系曲線,以及不同油品達到最佳減阻效果的加熱管長。

  參考文獻

  [1]代曉東,于睿,劉曉娜,等.2017年全球能源統計與未來展望[J].天然氣與石油,2019,37(1):94-99.DAIXiaodong,YURui,LIUXiaona,etal.Statisticsandfutureoutlookofglobalenergyin2017[J].NaturalGasandOil,2019,37(1):94-99.

  [2]柏宗憲,李仁明,謝泱,等.石油管道運輸技術研究[J].中國石油石化,2017(4):15-16.BAIZongxian,LIRenming,XIEYang,etal.Researchonpetroleumpipelinetransportationtechnology[J].ChinaPetrochem,2017(4):15-16.

  [3]孫玉龍.淺談油氣長輸管道節能降耗技術[J].區域治理,2018(39):17.SUNYulong.Talkingaboutenergysavingandconsumptionreductiontechnologyofoilandgaslongdistancepipeline[J].RegionalGovernance,2018(39):17.

  石油論文投稿刊物:《石油規劃設計》讀者對象為從事油氣田地面工程、油氣管道輸送工程、油氣加工與綜合利用工程及相關工程規劃、勘察、設計、科研、管理、標準化和計算機應用,以及施工、生產和教學工作的領導以及工程技術與管理人員。

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