馬 躍,王 岳,史俊杰,宋士祥,孫憲航,張國軍
(遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院,遼寧 撫順 113001)
熱油泄漏的污染范圍(深度和水平范圍)是后期環(huán)境修復的基礎性數(shù)據(jù),泄漏時由于受到環(huán)境氣候、管道埋深、泄漏位置、泄漏口徑及土壤孔隙度等多方面因素影響,以致其泄漏擴散情況迥異[1-2]。本文在前人研究的基礎上,通過分析埋地熱油管道泄漏的傳熱和流動問題,建立地下管道泄漏過程流固耦合的相變數(shù)學模型,利用CFD軟件模擬分析了管道在冬季和夏季兩種不同工況的土壤中發(fā)生泄漏后,熱油在土壤中的擴散傳熱過程及滲透擴散規(guī)律。以期為熱油泄漏后污染土壤的范圍檢測與確定提供理論依據(jù)。
本文研究管道的上點泄漏問題,土壤區(qū)域和管道的二維模型區(qū)域斷面,見圖1。根據(jù)現(xiàn)場實驗測量可知,由于大地本身存在溫度場,距地面一定深度處,終年變化溫度為1 K,管道散熱對此處幾乎沒有影響,可認為是恒溫層;距管道水平徑向一定距離處,管道散熱量對此處影響非常小,可認為是絕熱邊界。當管道發(fā)生泄漏時,管內(nèi)流體逐漸向周圍土壤滲流,該過程可以看作多孔介質(zhì)的流固耦合換熱問題[3-5]。
圖1 土壤和管道二維徑向斷面Fig1 Soil and pipe-dimensional radial crosssection
土壤多孔介質(zhì)內(nèi)部流體流動及相變過程十分復雜,有限容積法是處理多孔介質(zhì)流動相變問題常用的理論方法[6],原油在多孔介質(zhì)中的滲流過程符合達西定律,相變過程流體密度變化符合Boussinesq假設,忽略由相變?nèi)诨鸬乃俣茸兓8鶕?jù)有限容積理論,建立的模型控制方程[7-10]如下質(zhì)量守恒方程
式中v——流體速度/m·s-1;
ρf——流體密度/kg·m-3;
t——時間/s。
動量守恒方程
其中
式中vx、vy——v在x﹑y方向速度分量/m·s-1;
p——孔隙壓力/Pa;
μ——流體動力粘度/Pa·s;
K——多孔介質(zhì)滲透率/m2;
C2——慣性損失系數(shù)/m-1;
ε——孔隙率,無量綱量;
β——液相分數(shù),無量綱量;
Am——固液糊狀區(qū)常數(shù),反映凍結前鋒的形態(tài),無量綱量;
σ——流體膨脹系數(shù)/K-1;
Dp——粒子直徑/mm;
T——流體溫度/K;
Tref——流體基準溫度/K;
Ts——凝固溫度/K;
Tl——熔化溫度/K。
能量守恒方程
其中
式中 γ——液體所占孔隙分數(shù),無量綱量;
hf——液相介質(zhì)的焓/J·kg-1;
hs——相變后固相介質(zhì)的焓/J·kg-1;
hp——多孔介質(zhì)骨架的焓/J·kg-1;
ρs——固相介質(zhì)的密度/kg·m-3;
ρp——多孔介質(zhì)骨架的密度/kg·m-3;
λeff——多孔介質(zhì)的有效導熱率/W·m-1·K-1;
λf——流體熱導率/W·m-1·K-1;
λs——固相熱導率/W·m-1·K-1;
λp——多孔介質(zhì)骨架熱導率/W·m-1·K-1。
其中
式中Tk——地表環(huán)境溫度/K;
αk——地表與空氣的對流換熱系數(shù)/W·m-2·K-1;
w——風速/m·s-1;
D——管道外徑/m;
λb——保溫層材料導熱系數(shù)/W·m-1·K-1;
Tc——計算模型下邊界溫度/K;
r——管道中心至保溫層內(nèi)壁的距離/m;
a——保溫層厚度/m;
v0——泄漏口處流體的流速/m·s-1。
式中Tin——土壤的初始平均溫度/K。
以東北某地熱油管道為例,地表距離管道中心深度1.6 m,管道外徑720 mm,管外壁包有厚度40 mm的聚氨酯保溫層,冬季地表環(huán)境溫度為253 K,夏季地表環(huán)境溫度為298 K,地下恒溫層常年平均溫度為275.4 K,管內(nèi)熱油溫度325 K,凝點309 K,泄漏孔直徑為30 mm,冬、夏季的地表平均風速為1 m/s,泄漏前冬季土壤平均溫度271 K,夏季土壤平均溫度283 K。根據(jù)管內(nèi)外壓力得出腐蝕穿孔泄漏口流速為0.5 m/s,計算區(qū)域為“5 m×5 m”,采用三角形網(wǎng)格對管道周圍土壤區(qū)域進行單元劃分。
圖2 冬季土壤中管道泄漏前后溫度場(單位:K)Fig2 The temperature field of pipe leakage before and after in winter
圖3 夏季土壤中管道泄漏前后溫度場(單位:K)Fig3 The temperature field of pipe leakage before and after in summer
圖2(a)為泄漏前熱油管道冬季長期運行所形成的徑向穩(wěn)態(tài)溫度場,作為管道泄漏工況的初始條件,對管道泄漏后土壤溫度場的變化具有著重要的影響。圖2(b)中熱油泄漏1 min時,土壤熱影響區(qū)315 K至280 K的等溫線分布密集,且由于泄漏孔位置和管道的作用,熱影響區(qū)呈扇形區(qū)域逐步向四周擴張。從圖2(c、d)中不難看出,隨著泄漏時間的增加,310 K到305 K的等溫線間隔逐漸拉大,原因是熱油的凝點(約309 K)正好處于310 K與305 K之間波動變化,所以熱油會在這兩條等溫線所圍成的區(qū)域內(nèi)形成動態(tài)變化的固液混合區(qū),使熱油向外散熱的能力下降,最后造成310 K與305 K的等溫線間距逐漸變大。另外熱油在土壤中的滲透運移呈發(fā)散狀區(qū)域向四周擴散,致使固液混合區(qū)以外的熱影響區(qū)等溫線是呈波浪式環(huán)繞管道分布,且泄漏熱油在重力作用下向下運移的趨勢很大,所以越向下等溫線波浪效果越明顯。
圖3(a)為泄漏前熱油管道夏季長期運行所形成的徑向穩(wěn)態(tài)溫度場,等溫線分布與冬季凍土穩(wěn)態(tài)溫度場相比呈近似的對稱狀態(tài)。泄漏發(fā)生后,熱油在凝固點以上的熱影響區(qū)域(310 K以上)與前者冬季泄漏擴散趨勢相近,亦是以逐漸增大的扇形區(qū)域向四周擴張。但是在固液混合區(qū)的外圍熱影響區(qū)的等溫線間距明顯比冬季寬,即溫度梯度小。原因是夏季土壤溫度明顯高于冬季,熱油的溫降速率緩慢,造成熱影響區(qū)等溫線分布寬松。
圖4 冬夏季土壤中熱油徑向擴散面積Fig4 The radial diffusion area of the hot oil in winter and summer
由圖4可以看出,熱油在冬夏季土壤中的徑向擴散速率不同,原因在于熱油在冬季凍土中向四周擴散時,擴散區(qū)域前鋒熱油迅速發(fā)生相變后凝固,繼續(xù)向四周擴散需要后續(xù)熱油不斷將溫度向前補給以來融化前鋒固相原油,冬季土壤溫度低造成所需要的熱量多于夏季工況,最后致使熱油在冬季凍土中的擴散速率比夏季低約3%。
根據(jù)熱油在冬夏季兩種土壤中泄漏擴散過程的傳熱與傳質(zhì)耦合數(shù)值計算結果可知:泄漏前,熱油管道冬夏季長期運行所形成的徑向穩(wěn)態(tài)溫度場等溫線分布呈近似的對稱狀態(tài);泄漏發(fā)生后,熱油凝點以上的液相熱影響區(qū)域冬夏季等溫線分布相似,均是以扇形區(qū)域逐步向四周擴張,固液兩相區(qū)外圍的熱影響區(qū)冬季凍土中的溫度梯度大于夏季泄漏工況;熱油在冬季凍土中的擴散速率比夏季低約3%。
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