輸油管線停輸及停輸再啟動(dòng)工況研究

杜麗紅

【摘要】通過(guò)對(duì)輸油管線停輸及停輸再啟動(dòng)工況下運(yùn)行參數(shù)的分析，研究輸油管線在停輸及停輸再啟動(dòng)工況下的溫度、壓力分布規(guī)律，進(jìn)而可確定管線不同輸量下的安全停輸時(shí)間及不同停輸時(shí)間下的最小允許輸量。

【關(guān)鍵詞】停輸；停輸再啟動(dòng)；安全停輸時(shí)間

輸油管道在停輸過(guò)程中，油溫下降，粘度升高，當(dāng)油溫降到一定值后，會(huì)給管道的再啟動(dòng)帶來(lái)極大的困難，甚至造成凝管事故。因此，為了確保管道在停輸一定時(shí)間后，能夠順利再啟動(dòng)，確定最小允許輸量和任務(wù)輸量下的最低出站油溫對(duì)管線安全運(yùn)行具有一定的指導(dǎo)意義。

1、停輸工況下運(yùn)行參數(shù)分析

在管道停輸時(shí)，土壤的蓄熱量及熱阻均很大，埋地管道在停輸后溫降緩慢，可以將管內(nèi)原油的冷卻過(guò)程視為一系列準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)，列出在時(shí)間內(nèi)的熱平衡方程，近似求解。假設(shè)在時(shí)間內(nèi)，管內(nèi)存油及鋼管溫降放熱量等于管道向環(huán)境的散熱，且總傳熱系數(shù)K'等于穩(wěn)態(tài)時(shí)的K值，則距起點(diǎn)任意距離處，停輸溫降時(shí)間后管內(nèi)油溫的計(jì)算公式：

式中：

K──管線的總傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）；

TR──管內(nèi)油溫，℃。

T0──管道中心埋深處自然地溫，℃

D、D1、D2──管道平均直徑、鋼管內(nèi)徑、外徑，m；

cgρg── 鋼材的比熱和密度，J/（kg.℃），kg/m3；

cyρy── 油的比熱容和密度，J/（kg.℃），kg/m3；

2、再啟動(dòng)工況下運(yùn)行參數(shù)分析研究

2.1油溫計(jì)算

再啟動(dòng)過(guò)程中的油溫回升可借鑒預(yù)熱時(shí)管內(nèi)油溫的計(jì)算方法。假設(shè)預(yù)熱過(guò)程中流量不變，近似認(rèn)為流動(dòng)狀況為準(zhǔn)穩(wěn)定工況。起點(diǎn)溫度恒定，根據(jù)土壤導(dǎo)熱微分方程和液流能量方程來(lái)描述再啟動(dòng)過(guò)程，則距起點(diǎn)z處、啟動(dòng)時(shí)間τ時(shí)管道末端截面處，某一時(shí)刻管內(nèi)液體溫度的計(jì)算式：

式中：τ──啟動(dòng)時(shí)間，h；R──管道半徑，m；α------土壤導(dǎo)溫系數(shù)，m2/s；z------距起點(diǎn)距離，m；V------管內(nèi)油品的流速，m/s；λt------土壤導(dǎo)熱系數(shù)，w/m℃；KI──契爾皮切夫準(zhǔn)數(shù)，；Nua──努歇爾特準(zhǔn)數(shù)，；

2.2壓力分布。再啟動(dòng)過(guò)程是一個(gè)熱力和水力不穩(wěn)定的過(guò)程，由于停輸溫降使得原油流變性變差，再啟動(dòng)壓力比正常運(yùn)行時(shí)升高。停輸后的末段原油溫度尚高（一般高于凝點(diǎn)10℃，接近反常點(diǎn)），沒(méi)有屈服值，此時(shí)，輸送壓力只需克服這段原油的粘度，排量穩(wěn)定隨后上升，壓力按泵特性曲線變化，待這段原油部分頂出管道后，壓力、排量逐漸恢復(fù)正常，泵與管道系統(tǒng)的壓力、排量達(dá)到平衡。啟動(dòng)過(guò)程中的壓力同正常運(yùn)行時(shí)的計(jì)算相同。

式中：P1──管線起點(diǎn)壓力，MPa；P2──管線終點(diǎn)壓力，MPa；Lj ──管線長(zhǎng)度，m；υ──原油的運(yùn)動(dòng)粘度，m2/s；Q──管線的體積流量，m3/s；m──與流態(tài)有關(guān)的常數(shù)。

3、停輸再啟動(dòng)數(shù)值模擬

對(duì)某油田內(nèi)某聯(lián)合站至原油庫(kù)的輸油管線進(jìn)行模擬，該段管線：ф325×7，長(zhǎng)12.9km，穩(wěn)定運(yùn)行工況：出站溫度為65℃，輸量為105m3/h。

3.1模擬所需參數(shù)的計(jì)算。（1）原油基本性質(zhì)：反常點(diǎn)：41℃；凝點(diǎn)：29℃；密度：ρ20=836kg/m3。（2）原油流變參數(shù)。①牛頓流體區(qū)粘溫關(guān)系。油溫高于41℃時(shí)，原油表現(xiàn)為牛頓流體特性，其粘溫關(guān)系為：η=30.878e-0.02862T式中：η——粘度，mPa.s；T——溫度，℃。②非牛頓流體段流變參數(shù)。在35～41℃的溫度范圍內(nèi)，原油表現(xiàn)為假塑性流體特性，其稠度系數(shù)和流變行為指數(shù)與溫度的關(guān)系為：k=2.9159×106e-0.48015T（Pa.sn）；n=-4.5659+0.2468T-2.705×10-3T2在30～35℃的溫度范圍內(nèi)，原油表現(xiàn)為屈服假塑性流體特性，其屈服值τ0、稠度系數(shù)K和流變行為指數(shù)n與溫度的為：

（Pa.sn）

（Pa）

（3）輸油管道的總傳熱系數(shù)K。埋地管道的總傳熱系數(shù)總傳熱系數(shù)受土壤的含水量、溫度場(chǎng)、管線內(nèi)壁結(jié)蠟等多種因素的影響，故難以得到準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。在管道設(shè)計(jì)及運(yùn)行管理中，常采用反算法計(jì)算已正常運(yùn)行的熱油管道的K值，在反算總傳熱系數(shù)時(shí)，應(yīng)當(dāng)選取管線穩(wěn)定運(yùn)行期間的運(yùn)行參數(shù)。根據(jù)管道軸向溫降公式可得到K值的反算公式：

經(jīng)過(guò)計(jì)算，穩(wěn)定運(yùn)行工況下不同時(shí)間段反算出的總傳熱系數(shù)相差不大，平均總傳熱系數(shù)K=1.240W/m2℃，且通過(guò)實(shí)際運(yùn)行工況驗(yàn)證，同實(shí)際運(yùn)行工況相符。

（4）當(dāng)量管徑及結(jié)蠟厚度。熱油管線運(yùn)行一段時(shí)間后，管線內(nèi)壁會(huì)出現(xiàn)結(jié)蠟現(xiàn)象，會(huì)使總傳熱系數(shù)下降，管線的散熱損失減少。因此，計(jì)算時(shí)宜選用進(jìn)行當(dāng)量管徑。該管線管線處于平原，高程差可忽略不計(jì)；速度水頭很小，也忽略不計(jì)。根據(jù)壓降計(jì)算公式，輸油管道的當(dāng)量?jī)?nèi)徑可由實(shí)際運(yùn)行的參數(shù)反算得到：

可推出管道當(dāng)量?jī)?nèi)徑的計(jì)算公式：

當(dāng)量結(jié)蠟厚度δdL的計(jì)算公式為：

經(jīng)過(guò)計(jì)算，當(dāng)量?jī)?nèi)徑為286mm，結(jié)蠟厚度為12.5。

3.2停輸再啟動(dòng)模擬。（1）出站溫度65℃，輸量105m3/h下停輸過(guò)程中的起終點(diǎn)溫降模擬、對(duì)出站溫度為65℃，輸量為105m3/h的穩(wěn)定運(yùn)行情況下停輸工況進(jìn)行了模擬。夏季停輸24小時(shí)后： 出站溫度降為45.08℃，降低了19.92℃，進(jìn)站溫度降為39.27℃，降低了14.9℃，即停輸過(guò)程中，出站段溫降比進(jìn)站溫降速度快。這是由于出站段油溫高，與外界環(huán)境的溫差大，散熱損失大，進(jìn)站段油溫低，與外界的溫差小，散熱損失小。冬季停輸11小時(shí)后： 出站溫度降為50.60℃，降低了14.4℃，進(jìn)站溫度降為39.27℃，降低了14.9℃。（2）出站溫度65℃、進(jìn)站溫度39℃下的不同輸量允許的安全停輸時(shí)間、夏季的安全停輸時(shí)間比冬季要長(zhǎng)，隨著輸量的增加安全停輸時(shí)間增大的幅度逐漸變小。當(dāng)輸量增大到90m3/h后，停輸時(shí)間隨輸量的變化變得很緩慢。同樣，根據(jù)停輸時(shí)間，可以確定最小允許輸量的大小。（3）再啟動(dòng)過(guò)程計(jì)算。由于停輸結(jié)束時(shí)管線終端油溫一般高于凝點(diǎn)10℃左右，啟動(dòng)過(guò)程中，輸量在滿足輸油泵和管線承壓能力下，可盡量提高輸量。油溫完全可以滿足運(yùn)行要求，可以不考慮油溫的變化，只須考慮啟動(dòng)時(shí)泵提供的壓能能否滿足管線壓降。計(jì)算條件為：控制輸量不超過(guò)160m3/h，出站油溫控制65℃。正常輸量下夏季停輸24小時(shí)、冬季停輸11小后的再啟動(dòng)時(shí)沿線的壓降均在0.23Mpa左右，目前的輸油泵完全可滿足要求。

4、結(jié)論

（1）熱油管道的允許最小輸量由管道要停輸時(shí)間長(zhǎng)短決定。管道停輸時(shí)間長(zhǎng)，則允許最小輸量大，管道停輸時(shí)間短，則允許最小輸量就小。（2）熱油管道在任務(wù)輸量下的允許最低出站油溫的控制也由管道要求的停輸時(shí)間長(zhǎng)短決定。管道停輸時(shí)間長(zhǎng)，則允許最低出站油溫高，管道停輸時(shí)間短，則允許最低出站油溫低。（3）處于不同的季節(jié)，沿線的散熱情況不同，允許最小輸量也不同，夏季允許最小輸量比冬季允許最小輸量小。

參考文獻(xiàn)

[1]楊筱蘅，張國(guó)忠.輸油管道設(shè)計(jì)與管理[M].石油大學(xué)出版社，1996.

[2]沈維道，蔣智敏，童鈞耕.工程熱力學(xué)[M].高等教育出版社，2000.

[3]袁恩熙.工程流體力學(xué)[M].北京：石油工業(yè)出版社，1986.