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埋地输油管道停启传热问题研究

吴国忠  
【摘要】: 本文从试验及理论两个方面,对埋地输油管道停启传热计算方法进行研究,并开发埋地输油管道停启传热计算软件。本文的研究内容是一个涉及油气集输、工程热力学、传热学、计算传热学、实验技术等多门学科和领域的复杂传热问题。围绕这一问题,本文主要开展了以下几方面工作: 1研究了埋地输油管道在运行过程中的传热特点和大地温度场在外界非稳态环境中的变化情况,将大地这一半无限大区域简化为有限的矩形区域,并考虑了埋地管道与周围土壤温度场的相互影响,建立一种全新的数学计算模型,简化了计算求解过程。 2采用新建的物理和数学模型数值模拟输油管道周围土壤温度场,考虑不同管道参数的影响,利用边界元和有限差分方法进行方程离散,采用多种算法进行编程求解,并在现场进行实验研究验证所建模型计算的正确性。 3建立了埋地管道停输工况下的物理模型、数学模型,给出了传热控制方程及边界条件。考虑埋设介质的变热物性和相变问题对埋地管道传热过程的影响,提出了新的求解方法。编写埋地管道传热模拟计算软件,该软件可计算出输油管道稳态运行时温度场和停输过程非稳态温度场变化、停输过程原油温度变化。通过软件计算与实验测试结果对比分析,对计算模型进行了修正,使计算软件更符合现场实际情况,可直接应用于工程计算中。 4研究了管道非稳态热力过程的大地非稳态温度场变化规律,找出了埋地输油管道在非稳态环境下的变化规律。通过软件的计算结果与现场实测数据比较验证可知,计算结果可靠,能反映现场实际情况,可直接应用于工程计算。 5建立了新建架空管道和埋地管道启输工况下的物理模型、数学模型,写出了传热控制方程及边界条件,编写出管道启输传热模拟计算软件。新建架空管道启输过程中,管内流动介质的温度与时间和位置有关;流动介质未充满管道时,其流头的温度随距离成指数递减趋势。埋地管道启输过程的温度变化规律与架空管道基本相似,但由于受埋深和土壤参数的影响,其温度变化过程比较缓慢。在周期性非稳态环境下,对埋地管道启输过程流头介质温度随距离的变化关系进行了计算。流头介质温度受启输月份、埋深、流速及保温层厚度等因素的影响。 6建立了一套埋地输油管线的传热试验装置设计并建立了一套埋地输油管线的传热试验装置,可以对各种工况下管道停启传热问题进行试验研究。 本文进行的探索和研究,为埋地输油管道停启传热问题研究提供了理论参考及科学依据,有助于埋地输油管道传热领域的发展,具有重大的学术和应用价值。


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