埋地输油管道泄漏对大地温度场影响数值模拟(1)

第 40 卷第 3 期 2011 年 3 月
当 代 化 工 Contemporary Chemical Industry
Vol.40，No.3 March，2011
模拟与计算
埋地输油管道泄漏对大地温度场影响数值模拟
高雪利，马贵阳，高忠杰
（辽宁石油化工大学石油天然气工程学院， 辽宁 抚顺 113001）
Numerical Simulation for Effect of Underground Pipeline Leakage on the Earth Temperature Field
GAO Xue- li, MA Gui-yang, GAO Zhong-jie
(School of Oil and Gas Engineering , Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China) Abstract: The pipeline leak can cause fluid energy transfer, and the seepage field has great impact on temperature field. In this paper, coupling effect of seepage field and soil temperature field was analyzed. Heat transfer mathematic model in porous medium on account of fluid-solid coupling effect around pipeline leak points was established by the finite volume method, the reasonable boundary conditions were defined, numerical calculation was carried by SIMPLE numerical algorithm. Change rule of temperature field before and after pipeline leak was gained. The results show that: after pipeline leak, within certain time, the earth temperature field near the pipeline fluctuates obviously ; along with continuation of leakage time, the temperature field in the area gradually tends to steady. Through laying fiber-optic sensors around the pipeline, pipeline leak check can be realized by distributed optical fiber temperature sensor technology. Key words: Distributed sensing technique; Optic fiber temperature sensor; Leakage; Porous media; Temperature field
∂r
2
∂x x = −l , x = l
= 0。
r=RN 处， λ ∂T = α (T − T ) αh 为原油与管道内壁的当 h w 量换热系数，117 W/（m ·K） 。 y = y0 处，T = TM 为地下恒温层，这里取 278 K。
2
3 模拟结果分析
埋地输油管道在土壤中形成了自身稳定的温度 场，改温度场的分布对管道泄漏后大地温度场的 变化具有非常重要的影响,见图 2。
埋地管道具有便利、经济、安全、环保、使用 年限长等优点，尤其在运输液体、气体、浆液等方 面具有独特的优势。近年来随着管道输油输气应用 的增多、管道使用年龄增长以及管道受损、腐蚀、 地理条件和各地气候变化等因素的影响，泄漏事故 频繁发生，造成很大的资源浪费并且给环境问题带 来巨大的压力。因此制定科学合理的埋地管道检漏 方案具有很大的实际意义。国内外目前对管道泄漏 的探测主要分为监测和检测两种方法。应用比较广 范的主要有，负压波检测法，流量平衡法，压力点 分析法，噪声监测，漏磁探测，热红外检测，超声 波检测等。分布式光纤温度传感技术
∂(ρ f u) ∂t
[8]
(a) 20 s
(b) 40 s
+
+ ∇( ρ f u ) = 0 ∂t ∂ ( ρ f uu ) y
∂ρ f
（1）
=
（2）
(c) 80 s (d) 120 s
∂ ⎛ ∂u ⎞ ∂ ⎛ ∂u ⎞ ∂ p ⎛ μ 1 ⎞ ⎟ + ⎜ u + c2 ρ f u u ⎟ ⎜μ ⎟+ ⎜μ ⎟− ∂x ⎝ ∂x ⎠ ∂y ⎜ 2 ⎠ ⎝ ∂y ⎠ ∂x ⎝ α ∂( ρ f v) ∂( ρ f vu) ∂( ρ f vv) + + = （3） ∂t ∂x ∂y
渗流区域内孔隙中原油也逐渐达到拟饱和状态，随 着热侵润面积的不断扩大，法面方向上的热量供应 不足，从而导致泄漏一定时间后大地温度场的变化 缓慢并逐渐趋于平稳。 从泄漏前后热影响区的变化来看，管道周围各 处大地温度场都受到不同程度的影响，不同深度上 的土壤温度与稳态时相比都有相应的变化。应用分 布式光纤温度传感器测得的温度变化值可以精确到 0.1 ℃， 因此只要在管道周围一定范围内科学布点， 即可检测并确定管道泄漏口的位置。由此可见，应 用分布式光纤温度传感技术检测管道泄漏是可行 的。
[1-3]
理制定的检测方法。具有精度高、抗电磁干扰、耐 腐蚀 、体积小、易于安装等优点。是今后极具发展 前景的管线检测技术
[4-7]
。分别对埋地管道输送过程
中有无泄漏时的大地温度场分布进行数值模拟，得 到了管道泄露前和发生泄露后，周围土壤温度场的 不同。为分析和探测泄漏进度，评估污染奠定了理 论依据。
摘
要： 管道泄露后引起流体能量迁移，渗流场对温度场产生较大影响。分析了渗流场与土壤温度场的
耦合作用， 采用有限容积法建立管道泄漏多孔介质流固耦合换热数学模型， 界定合理的边界条件， 利用 SIMPLE 算法进行数值求解。得到了管道泄漏前后大地温度场的变化规律。结果表明：管道泄漏后，一定时间内管道附 近大地温度场波动明显。随着泄漏时间的延续影响区内温度场变化逐渐趋于平稳。在管线周围一定范围内布置 光纤传感器，应用分布式光纤温度传感技术检查管道泄漏是可行的。 关 键 词： 分布式传感技术； 光纤温度传感器； 泄漏； 多孔介质； 温度场 中图分类号： TE 973 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2011）03-0294-03
∂y
2 建立模型
2.1 物理模型 根据现场实测数据可知，距地面一定深度 H 处，大地温度年终变化小于 1 ℃。可以认为 H(m) 处是恒温层，管道热量的耗散对距管道水平径向距 离 L 处影响非常小，可认为左侧和右侧是绝热的。 故简化后的物理模型见图 1。
（m ·K）, v 为风速, T K 为地表环境温度，K。 x = -l，x = l 处， ∂T
4 结论及建议
埋地管道泄漏后，最初一段时间内泄漏口附近 土壤温度变化明显，泄漏点附近形成较大的热影响 区。随着泄漏时间的延长热影响区范围逐渐扩大并 开始逐渐趋于平稳。受到重力作用的影响，热力影 响区逐渐向下方扩大。此项研究对科学合理地优化 管道沿线光纤温度传感器的布点，指导管道泄漏检 测工作，快速准确的检测到管线的泄露位置具有很
1 问题的描述及网格的划分
某热油管道覆土深度 1.6 m,管道直径为Φ700 mm,测试区域土壤密度 1 680 kg/m ，比热容 2 225 J/ （kg·K） ，导热系数 1.512 W/（m·K） 。管内原油 温度 52 ℃,密度 870 kg/m ， 比热容 2 150 J/ （kg· K） ， 粘度 2.27×10 Pa·s，导热系数 0.14 W/（m·K） 。
第 40 卷第 3 期
高雪利， 等： 埋地输油管道泄漏对大地温度场影响数值模拟 式中：Ef — 流体总能； 分别以管道右侧和下侧泄漏为例，建立二维泄漏模 Es — 固体介质总能；
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型， 泄漏口处原油流速 0.5 m/s， 泄漏口孔径 50 mm。 模拟区域采用三角形网格进行单元划分。由于泄漏 口附近温度场分布梯度较大，对该处网格的划分必 须加密，以确保能够准确地捕捉到温度场的变化。
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是目前世界
上比较前沿的检测技术，在我国还尚未普遍使用。 它是基于拉曼光反射、布里渊光反射和光纤光栅原
基金项目： 辽宁省自然科学基金资助项目 基金号：20082186 收稿日期： 2010-11-30 作者简介： 高雪利（1983-） ，男，硕士，山东滨州人，2011 年毕业于辽宁石油化工大学油气储运工程专业，研究方向：埋地管道水热力 耦合数值计算及管道渗漏温度场计算的研究。E-mail：sdsgxl@。
α =
1 5 0 (1 − ε ) 2
D
2 P
ε
3
— 多孔介质渗透率；
图 2 为埋地管道正下方发生泄漏后，大地温度 场随泄漏时间的变化而变化的规律图。结合稳态时 图 2 分析可知：埋地输油管道泄漏后的最初一段时 间大地温度场变化明显，并在短时间内形成一个较 大的热影响区。 由于受到泄漏口位置和重力的影响， 高温区主要集中在管道下方一个椭圆形区域内。由
γ — 介质孔隙度；
keff — 介质有效导热率；
s
h f
— 流体焓源项。
其中： keff = γ k f + (1 − γ )k s ，kf 为流体热导率，kf 为 固体导热率。 边界条件： y = 0 处， λ ∂T = α (T − T ) ， α k = 11.63 + 7.0 v ，W/ k K