不加熱輸油管道最佳清管周期影響因素研究

李傳憲， 黃晨醒， 郁振華， 楊 飛

(1.中國石油大學(xué)(華東) 儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266580； 2.中國石化管道儲(chǔ)運(yùn)有限公司，江蘇 徐州 221000)

不加熱輸油管道最佳清管周期影響因素研究

李傳憲1， 黃晨醒1， 郁振華2， 楊 飛1

(1.中國石油大學(xué)(華東) 儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266580； 2.中國石化管道儲(chǔ)運(yùn)有限公司，江蘇 徐州 221000)

通過室內(nèi)蠟沉積實(shí)驗(yàn)，建立了適用于杰諾原油的蠟沉積模型，并在滿足安全運(yùn)行的基礎(chǔ)上，以日平均動(dòng)力費(fèi)用及日平均清管費(fèi)用的總和即日平均運(yùn)行成本為目標(biāo)函數(shù)，建立了不加熱輸油管道的清管周期模型。結(jié)合臨濮線臨邑至趙寨子的站間運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析了不同出站溫度、輸量和季節(jié)對管道最佳清管周期的影響。結(jié)果表明,出站溫度的降低會(huì)使管道日平均運(yùn)行成本增加和最佳清管周期延長，輸量的增加會(huì)使管道日平均運(yùn)行成本增加和最佳清管周期縮短，地溫的升高會(huì)使管道日平均運(yùn)行成本先減小后增大，最佳清管周期延長。

蠟沉積模型； 不加熱輸油管道； 蠟沉積； 清管周期

目前，中國陸上原油、成品油管道總里程超過4萬公里[1]，其中在輸送輕質(zhì)低凝點(diǎn)原油和輕質(zhì)成品油時(shí)，常采用不加熱輸送方式[2]。在管道運(yùn)行過程中，管內(nèi)油溫受到大氣溫度、沿線地溫以及摩擦溫升的影響而不斷變化，導(dǎo)致油壁溫差的產(chǎn)生。根據(jù)分子擴(kuò)散機(jī)理，對于輸油溫度低于析蠟點(diǎn)的不加熱輸油管道，常存在結(jié)蠟問題。

結(jié)蠟問題是保證輸油管道安全與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行亟待解決的問題。蠟沉積使管道有效內(nèi)徑減小，輸送能力降低，不及時(shí)清管作業(yè)會(huì)誘發(fā)蠟堵甚至全線停輸?shù)闹卮笊a(chǎn)事故[3-4]。目前,國內(nèi)外學(xué)者對結(jié)蠟問題的研究主要集中在結(jié)蠟機(jī)理[5-7],原油組成對結(jié)蠟的影響以及熱油管道清管周期等方面[8-11]，未見對不加熱輸油管道清管周期的確定及影響因素的明確探討。本文基于臨濮線臨邑-趙寨子站間管道的現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)，計(jì)算得到了不同工況下不加熱輸油管道的最佳清管周期，并對清管周期影響因素進(jìn)行研究，采用正交試驗(yàn)法判斷出各因素對清管周期的影響次序。該研究對于保障輸油管道安全高效運(yùn)行，避免蠟堵等重大生產(chǎn)事故具有重要的意義。

1 模型的建立

1.1 結(jié)蠟?zāi)Ｐ?/p>

臨濮原油管道全線長240.5 km，沿途有四座站場：臨邑首站、趙寨子站、莘縣站和濮陽末站，全程無翻越點(diǎn)。管材承壓5.0 MPa，管徑規(guī)格φ377 mm×7 mm，管道埋深為1.5 m。管道埋深處年平均最低溫度出現(xiàn)在2月份，為9.8 ℃；年平均最高溫度出現(xiàn)在8月份，為22.4 ℃。臨邑-趙寨子站間管道的基礎(chǔ)運(yùn)行參數(shù)如表1所示。

表1 臨濮線臨邑-趙寨子站間運(yùn)行參數(shù)Table 1 Parameters between Linyi and Zhaozhaizi stations of Linyi-Puyang pipeline

管道所輸原油為杰諾原油，其20 ℃時(shí)密度為0.886 g/cm3，含蠟量質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.65%，凝點(diǎn)為5 ℃。根據(jù)DSC曲線計(jì)算不同溫度段溫降1 ℃析出的蠟量如圖1所示。由圖1可知，其析蠟點(diǎn)為29 ℃，在23 ℃達(dá)到析蠟最高峰。當(dāng)溫度高于23 ℃時(shí)，析蠟量隨溫升而急劇減小。當(dāng)溫度低于23 ℃時(shí)，析蠟量隨溫降而平緩減小。圖2為杰諾原油黏溫曲線。由圖2可知，其反常點(diǎn)為21 ℃。

圖1 溫度對杰諾原油析蠟量的影響

Fig.1 Influence of temperatrue on wax content of Jienuo crude oil

本文基于黃啟玉模型[12]，利用自行研發(fā)的Couette結(jié)蠟裝置開展了對杰諾油的實(shí)驗(yàn)研究工作，通過FLUENT軟件模擬了結(jié)蠟裝置內(nèi)部的流場及溫度場，得到了適用于杰諾油的蠟沉積模型，如公式(1)所示：

式中，W為原油的蠟沉積速率，g/(m2·h)；τw為管壁處剪切應(yīng)力，Pa；μ為管壁處原油的黏度，Pa·s；dC/dT為蠟晶在原油中的溶解度系數(shù)，即溫降1 ℃析出蠟晶的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，1/℃；dT/dr為管壁處原油的徑向溫度梯度，℃/mm。

由蠟沉積模型可知，蠟沉積速率受管壁處剪切應(yīng)力、管壁處黏度、蠟晶溶解度系數(shù)和管壁處溫度梯度的綜合影響。

圖2 杰諾原油黏溫曲線圖

Fig.2 The viscosity-temperature curve of Jienuo crude oil

1.2 清管周期模型

不加熱輸油管道運(yùn)行時(shí)，管內(nèi)蠟沉積層逐漸積累，沿程摩阻隨運(yùn)行時(shí)間的增長而增加，日平均動(dòng)力費(fèi)用不斷升高。而日平均一次清管費(fèi)用隨著運(yùn)行時(shí)間的增長而降低。因此，日平均運(yùn)行成本在運(yùn)行一段時(shí)間后存在最小值，對應(yīng)的天數(shù)即為最佳清管周期。

管道運(yùn)行第i天時(shí)，輸油泵機(jī)組的單位動(dòng)力費(fèi)用Fdi(元/(t·km))如公式(2)所示[13]：

式中,ed為電力價(jià)格，元/(kW·h)；H為管道運(yùn)行第i天時(shí)站間所需的壓頭，m；η1為電機(jī)效率；η2為輸油泵效率；LR為站間距，km。

管道運(yùn)行第i天時(shí)，單位清管費(fèi)用Fqi(元/(t·km))如公式(3)所示：

式中,F1為一次清管費(fèi)用，此處取為5 000元；Gd為日平均輸量，t/d;LR為站間距，km。

假設(shè)清管周期為t天，則不加熱輸油管道在該時(shí)段內(nèi)的日平均運(yùn)行成本Ft(元/(t·km·d))如公式(4)所示：

式中,i為管道運(yùn)行的天數(shù)，i=1,2,3,…,t。分別計(jì)算不加熱輸油管道不同運(yùn)行時(shí)間內(nèi)的日平均運(yùn)行成本，其最低時(shí)對應(yīng)的運(yùn)行天數(shù)即為最佳清管周期。

最佳清管周期內(nèi)，管道運(yùn)行必須滿足不凝管以及輸油壓力不超過管道承壓等安全輸送條件。臨濮線運(yùn)行時(shí)地溫高于原油的凝點(diǎn)，因此不會(huì)發(fā)生凝油現(xiàn)象。將運(yùn)行最佳清管周期時(shí)管道的輸油壓力設(shè)為Δpmax，與管道承壓進(jìn)行比較，以確定輸油壓力是否滿足安全輸送條件。

2 最佳清管周期影響因素分析

2.1 不同出站溫度對最佳清管周期的影響

求解輸量為7 000 t/d、地溫為9.8 ℃，出站溫度分別為30、27、24、21、18 ℃時(shí)的最佳清管周期，運(yùn)行結(jié)果如表2所示。日平均運(yùn)行成本隨清管周期的改變?nèi)鐖D3所示，日平均動(dòng)力費(fèi)用隨清管周期的改變?nèi)鐖D4所示。

表2 不同出站溫度下運(yùn)行結(jié)果Table 2 Operation results at different outlet temperatures

圖3 不同出站溫度下的最佳清管周期

Fig.3 Optimized pigging frequencies at different outlet temperatures

圖4 不同出站溫度下的日平均動(dòng)力費(fèi)用

Fig.4 Average daily power costs at different outlet temperatures

由圖3可知，隨著出站溫度的降低，最佳清管周期逐漸增長。日平均一次清管費(fèi)用隨運(yùn)行時(shí)間的變化規(guī)律一定，因此最佳清管周期的變化依賴于日平均動(dòng)力費(fèi)用的變化。根據(jù)杰諾原油結(jié)蠟?zāi)Ｐ?，將結(jié)蠟速率隨壁溫的變化情況繪制成圖，結(jié)果如圖5所示。

圖5 蠟沉積速率隨壁溫的變化

Fig.5 Effect of wall temperature on wax deposition velocity

隨著出站溫度的下降，整條管線的溫度都有不同幅度的降低。由圖5可知，處于析蠟高峰區(qū)的管段逐漸縮短。原因主要有以下幾點(diǎn)：(1)剪切應(yīng)力不斷增大對沉積層表面的蠟晶結(jié)構(gòu)破壞力增強(qiáng)。(2)黏度的增大使得原油中過飽和液態(tài)蠟分子向管壁處的遷移變得困難。(3)蠟晶溶解度系數(shù)緩慢減小，油流中析出蠟晶的能力減弱。(4)油壁溫差減小導(dǎo)致溫度梯度降低，液態(tài)蠟分子通過沉積層擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力減弱。因此，整條管線的結(jié)蠟速率變慢。由圖4可知，隨著出站溫度的降低，日平均動(dòng)力費(fèi)用-運(yùn)行時(shí)間的斜率逐漸減小，這是因?yàn)槌稣緶囟鹊慕档褪构芫€結(jié)蠟速率降低，有效管內(nèi)徑的減小變慢，因此摩阻的增大變緩，達(dá)到日平均運(yùn)行成本最小值的時(shí)間變長。也就是說日平均動(dòng)力費(fèi)用的斜率越小，最佳清管周期的時(shí)間越長。

2.2 不同輸量對最佳清管周期的影響

求解地溫為9.8 ℃，出站溫度為27 ℃，輸量分別為6 000、7 000、8 000 t/d時(shí)的最佳清管周期，運(yùn)行結(jié)果如表3所示。日平均運(yùn)行成本隨清管周期的改變?nèi)鐖D6所示，日動(dòng)力費(fèi)用隨清管周期的改變?nèi)鐖D7所示。

表3 不同輸量下運(yùn)行結(jié)果Table 3 Operation results at different throughputs

圖6 不同輸量下的最佳清管周期

Fig.6 Optimized pigging frequencies at different throughputs

圖7 不同輸量下的日平均動(dòng)力費(fèi)用

Fig.7 Average daily power costs at different throughputs

由圖6可知，隨著輸量的增大，日平均運(yùn)行成本逐漸增大，最佳清管周期逐漸縮短。輸量增大，摩阻損耗增大，而清管費(fèi)用不變，因此運(yùn)行成本增加。為觀察管線沿程摩阻變化情況，將管線等分為200份，計(jì)算并繪制運(yùn)行50 d后管道每一小份的沿程摩阻，如圖8所示，所有的距離指的是該點(diǎn)距離首站即臨邑站的距離。

由圖7可知，隨著輸量的增大，日平均動(dòng)力費(fèi)用-運(yùn)行時(shí)間的斜率逐漸增大。分析如下，根據(jù)雷諾數(shù)及反常點(diǎn)可判斷杰諾原油在管線中的流態(tài)變化依次為牛頓流體紊流、非牛頓流體紊流和非牛頓流體層流，其中處于牛頓流體紊流狀態(tài)的流體摩阻與有效管內(nèi)徑的五次方成正比，對管內(nèi)徑的減小最敏感。由圖8可知，隨著輸量增大，管道中處于牛頓流體紊流狀態(tài)的比例增大，并且處于牛頓流體紊流狀態(tài)的管段靠近管道出口處，結(jié)蠟速率較大，二者綜合作用使管道總摩阻隨運(yùn)行時(shí)間的增大變化更快。因此，需要頻繁清管來避免過高的泵機(jī)組費(fèi)用。

圖8 運(yùn)行50 d后沿程摩阻變化

Fig.8 The variation of friction loss after operating 50 days

2.3 不同地溫對最佳清管周期的影響

求解出站溫度為27 ℃，輸量為7 000 t/d，地溫分別為9.8、14.1、18.0、22.4 ℃時(shí)的最佳清管周期，運(yùn)行結(jié)果如表4所示。日平均運(yùn)行成本隨清管周期的改變?nèi)鐖D9所示，日動(dòng)力費(fèi)用隨清管周期的改變?nèi)鐖D10所示。

由圖9可知，當(dāng)?shù)販卦?8.0 ℃以下時(shí)，最佳清管周期在25 d左右，當(dāng)?shù)販馗哂?8.0 ℃時(shí)，最佳清管周期增大。分析圖10可知，地溫在18.0 ℃以下時(shí)，日平均動(dòng)力費(fèi)用隨運(yùn)行時(shí)間的變化量相同，且隨著地溫的升高，動(dòng)力費(fèi)用先減小后增大。為進(jìn)一步

分析其原因，作出管道運(yùn)行50 d后，沿線蠟沉積速率及沿程摩阻的變化，如圖11所示。

表4 不同地溫下運(yùn)行結(jié)果Table 4 Operation results at different soil temperatures

圖9 不同地溫下的最佳清管周期

Fig.9 Optimized pigging frequencies at different soil temperatures

圖10 不同地溫下的日平均動(dòng)力費(fèi)用

Fig.10 Average daily power costs at different soil temperatures

圖11 運(yùn)行50 d后沿程參數(shù)變化

Fig.11 The variation of wayside parameters after operating 50 days

隨著地溫的升高，管道中處于牛頓流體紊流區(qū)的比例不斷增大(見圖11(a))，同時(shí)沿線油壁溫差減小，結(jié)蠟速率降低(見圖11(b))，兩者綜合作用的結(jié)果是管道總摩阻隨時(shí)間的變化量大致相同，最佳清管周期大致不變。當(dāng)?shù)販乩^續(xù)增大，管線全程處于牛頓流體紊流狀態(tài)，但油壁溫差過小使結(jié)蠟緩慢，管道摩阻隨時(shí)間變化緩慢，最佳清管周期增大。地溫升高，全線黏度減小，但處于牛頓流體紊流狀態(tài)的油流比例不斷增大且其摩阻大于非牛頓流體層流狀態(tài)的摩阻，因此管線的總摩阻隨著地溫的升高先減小后增大。

2.4 多因素協(xié)同作用對最佳清管周期的影響

出站溫度、輸量和地溫對最佳清管周期都有較大的影響，但多因素協(xié)同作用下對清管周期影響最大的因素還未可知。為探討此問題，采用正交試驗(yàn)法，綜合考慮三個(gè)因素協(xié)同作用對最佳清管周期的影響。在安排正交試驗(yàn)時(shí)，每個(gè)因素安排3個(gè)水平，制定3因素3水平的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表L9(34)，模擬結(jié)果如表5所示。

為判斷在三個(gè)因素中哪種因素對最佳清管周期的作用最為明顯，需對上述正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，對于最佳清管模擬結(jié)果的極差分析如表6所示。

表5 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 5 The results of orthogonal experiment

表6 各因素對最佳清管周期極差分析結(jié)果Table 6 Range analysis results of the three factors

以上結(jié)果表明，三個(gè)因素中輸量的極差最大，其次為出站溫度，極差最小的是地溫。由此可知，影響最佳清管周期的各因素主次順序?yàn)檩斄?出站溫度>地溫，輸量的改變對最佳清管周期的影響最大，且最佳清管周期隨出站溫度的降低而增大，隨輸量的增加而減小，隨地溫的升高而增大。在實(shí)際運(yùn)行中，避免出站溫度過低、適當(dāng)增大輸量，都能有效避免頻繁清管。

3 結(jié)論

(1) 不加熱輸油管道的最佳清管周期的確定依賴于動(dòng)力費(fèi)用隨運(yùn)行時(shí)間變化的斜率，流態(tài)和結(jié)蠟速率都會(huì)影響摩阻隨時(shí)間的變化，具體表現(xiàn)為牛頓流體紊流區(qū)對有效管內(nèi)徑的變化更加敏感，管道中處于牛頓流體紊流區(qū)的比例越大摩阻變化越快，結(jié)蠟越快摩阻變化越快。

(2) 含蠟原油的最佳清管周期受出站溫度、輸量和地溫等因素的影響，在僅考慮單因素的作用下，最佳清管周期隨出站溫度的降低而增大，隨輸量的增加而減小，隨地溫的升高而增大。

(3) 正交試驗(yàn)法的模擬結(jié)果表明，在多因素協(xié)同作用下，輸量對最佳清管周期的影響最大，其次是出站溫度，影響最小的是地溫。在實(shí)際運(yùn)行中，避免出站溫度過低，適當(dāng)增大輸量都能有效避免頻繁清管。

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(編輯 王戩麗)

Influence Factors of Optimized Pigging Frequency in Unheated Oil Pipelines

Li Chuanxian1, Huang Chenxing1, Yu Zhenhua2, Yang Fei1

(1.DepartmentofOil&GasStorageandTransportationEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,QingdaoShandong266580,China； 2.SINOPECPipelineStorage&TransportationCo.,Ltd.,XuzhouJiangsu221000,China)

A dynamic wax deposition model for Jienuo crude oil was established through laboratory wax deposition experiments. With safe operations ensured, taking the sum of average daily power and pigging costs(average daily costs of pipeline operation) as the objective function, a pigging frequency model for unheated oil pipelines was developed. Based on the operation data of Linyi-Zhaozhaizi stations in Linyi-Puyang pipeline, the influence of outlet temperature, throughput and soil temperature on optimized pigging frequency were analyzed. The results show that the average daily costs of pipeline operation will be increased while the pigging frequency will be extended with decreasing of the outlet temperature. The average daily costs of pipeline operation will be increased while the pigging frequency will be shortened with rising of the throughput, and the average daily costs of pipeline operation will be decreased first and then increased while the pigging frequency will be extended with increasing of the soil temperature.

Model of wax deposition; Unheated oil pipeline; Wax deposition; Pigging frequency

1006-396X(2017)03-0066-06

2016-12-05

2016-12-19

山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(ZR2016EEM22)。

李傳憲(1963-)，男，博士，教授，從事油氣長距離管輸方面的研究；E-mail：lchxian@upc.edu.cn。

楊飛(1979-)，男，博士，副教授，從事油氣長距離管輸方面的研究；E-mail：yf9712220@sina.com。

TE832

A

10.3969/j.issn.1006-396X.2017.03.012

投稿網(wǎng)址：http://journal.lnpu.edu.cn