一種利用聲速變化研究過站混油發(fā)展的方法

趙云鵬 宮敬 陳衍飛 葉漢 郭祎 沈允 項(xiàng)仁萌

（1.中國石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院；2.中國石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院；3.國家管網(wǎng)集團(tuán)北方管道有限公司濟(jì)南輸油氣分公司；4.國家管網(wǎng)集團(tuán)生產(chǎn)經(jīng)營本部（油氣調(diào)控中心））

由于我國部分成品油管道建設(shè)年代較早，在前期設(shè)計(jì)和安裝作業(yè)中存在著諸多不合理的地方，間接地產(chǎn)生了很多不必要的局部混油損失[1-2]，其中站內(nèi)混油占據(jù)很大一部分。

1 現(xiàn)狀

由于國內(nèi)成品油管道生產(chǎn)現(xiàn)場條件和工藝水平的限制，目前主要通過計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬和有限的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研究過站混油，而相關(guān)的現(xiàn)場試驗(yàn)較少，也未形成統(tǒng)一的理論認(rèn)識(shí)[3]。目前主流的觀點(diǎn)為：將其籠統(tǒng)地規(guī)定為沿程混油的某一比例經(jīng)驗(yàn)值，或是等量長直管段增加的混油量。劉勝利[4]根據(jù)室內(nèi)盲支、管模擬實(shí)驗(yàn)規(guī)律和數(shù)據(jù)，得到三種類型盲管內(nèi)液體密度變化經(jīng)驗(yàn)公式，利用該公式具體計(jì)算了烏蘭線和獨(dú)烏線中間站站內(nèi)盲支管產(chǎn)生混油量。林棋[5]基于ANSYS數(shù)值模擬及相關(guān)室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，后結(jié)合盲端結(jié)構(gòu)及過泵混油的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，量化分析了烏蘭成品油管道的過站混油量，統(tǒng)計(jì)結(jié)果在經(jīng)驗(yàn)值預(yù)測的范圍內(nèi)。然而，以上方法對過站混油的研究尚存在不足，不能判斷實(shí)際管道中過站混油的發(fā)展規(guī)律。

劉超等[6]在蘭鄭長成品油管道鄭州站，對進(jìn)站端混油進(jìn)站時(shí)密度計(jì)、光學(xué)界面檢測儀和超聲波流量計(jì)示數(shù)變化進(jìn)行了比較，認(rèn)為在檢測汽柴油批次界面時(shí)使用密度值和聲速值是等效的，識(shí)別精度與使用在線密度計(jì)方式相同，且測量聲速的檢測方法在安全管理方面具有優(yōu)勢。

在聲波檢測流體密度變化特性和管道站場加裝出站超聲波流量計(jì)的條件基礎(chǔ)上，提出了在實(shí)際管道中利用聲速研究過站混油發(fā)展變化的方法。

2 過站混油試驗(yàn)方法

2.1 技術(shù)原理

目前國內(nèi)外輸油管道用于油品間界面檢測方法主要有：密度型、光折射率型、電容型、聲波型、記號(hào)型、放射型、測閃點(diǎn)型等。其中，早在上世紀(jì)90年代格拉管線就利用國產(chǎn)超聲波油品聲速儀，通過聲速與油品種類的對應(yīng)關(guān)系，對順序輸送不同油品的界面進(jìn)行監(jiān)測[7]。

港棗成品油管道利用撬裝分析密度計(jì)及光學(xué)界面分析儀實(shí)現(xiàn)混油界面檢測，各站站前、站后各有1 臺(tái)超聲波流量計(jì)檢測流量，并輔助檢測混油界面。該超聲波流量計(jì)為GE panametrics MXT868型，配套2組傳感器，每個(gè)傳感器通過流體發(fā)射和接收超聲波信號(hào)。

圖1為超聲波流量計(jì)聲速計(jì)量原理圖。超聲波流量計(jì)基于時(shí)差法，當(dāng)管內(nèi)流體流動(dòng)時(shí)，順流方向信號(hào)的傳播時(shí)間要短于逆流方向，這個(gè)時(shí)間差正比于流體流速，經(jīng)過流量校準(zhǔn)后得到管內(nèi)瞬時(shí)流量[9]。港棗線超聲波流量計(jì)對各批次純0#柴油油品檢測的聲速范圍在1 450~1 470 m/s，純92#汽油在1 270~1 290 m/s，聲速值浮動(dòng)是由于油品種類、油品溫度和壓力等差異導(dǎo)致的[9]。

圖1 超聲波流量計(jì)聲速計(jì)量原理圖

成品油管道輸送的汽、柴油等是由不同烴類按照不同比例組成的混合物，其密度和形變模量不同。圖2是常見石油產(chǎn)物密度與聲速的關(guān)系。聲波型界面檢測是利用油品密度與聲速的關(guān)系來檢測混油界面的，具體是超聲波界面檢測裝置通過準(zhǔn)確地測量超聲脈沖通過液體通道時(shí)的聲時(shí)，由聲程除以聲時(shí)即得到流體聲速[11]。聲波屬于機(jī)械波，其在介質(zhì)中傳播的速度取決于介質(zhì)的彈性和慣性，即介質(zhì)的彈性模量和密度。聲速在介質(zhì)中傳遞縱波時(shí)的速率可由式（1）求得：

圖2 密度與聲速關(guān)系

式中：C為流體中聲波傳播速度，m/s；B為體積彈性模數(shù)，Pa；ρ為介質(zhì)密度，kg/m3。

港棗線全線除去全越站流程的濟(jì)南分輸站，有滄州清管站、德州分輸站、肥城分輸站、兗州分輸站4站具備站前、后超聲波流量計(jì)同時(shí)上傳的基礎(chǔ)條件。超聲波流量計(jì)設(shè)置聲速輸出功能，編寫PLC讀取程序后，SCADA 系統(tǒng)畫面經(jīng)過相關(guān)配置即可上傳顯示在線管道流體聲速值[12]。

以港棗線德州中間站為例，某批次混油界面進(jìn)站時(shí)入口處密度計(jì)和超聲波流量計(jì)監(jiān)測數(shù)據(jù)（密度/時(shí)間、聲速/時(shí)間）平滑去噪后，結(jié)合輸量換算將混油濃度/距離分布進(jìn)行分析比較。圖3為德州站聲速法與密度法混油檢測比較。由圖3可知，密度型和聲速型混油界面檢測結(jié)果基本一致，由于設(shè)備精度和電訊信號(hào)延時(shí)等原因存在一定偏差，不能確定哪種方式檢測結(jié)果更靠近真實(shí)值。從濃度偏差來看，兩種方法檢測混油濃度平均絕對偏差為0.002 68，最大偏差為0.009 84，可以認(rèn)為混油界面檢測超聲波流量計(jì)聲速法與通用密度計(jì)密度法結(jié)果一致。

圖3 德州站聲速法與密度法混油檢測比較

2.2 過站混油

現(xiàn)有的數(shù)值模擬結(jié)果表明過泵混油增量為0.3 m3左右，而港棗線泵站一般只啟1 臺(tái)調(diào)速泵，所以增壓流程過泵環(huán)節(jié)作為“等效盲端”置換混油取0.3 m3。

根據(jù)盲端內(nèi)前行油品是否完全進(jìn)入混油段，分為盲端完全置換和未完全置換兩種情況：完全置換是指混油界面通過站場后，站內(nèi)盲端內(nèi)前行油品完全被置換出來，不會(huì)摻入后行純油影響油品質(zhì)量造成混油量的增加，此時(shí)過站混油量增量為站內(nèi)盲端體積；未完全置換是指混油界面通過站場后，站內(nèi)盲端內(nèi)前行油品沒有被完全置換出來，后行純油持續(xù)置換了一段時(shí)間，直至后行純油油品質(zhì)量滿足一定要求，此時(shí)混油拖尾明顯增大[13]。值得注意的是，個(gè)別站內(nèi)盲端由于設(shè)計(jì)缺陷存在一直無法被置換完全的情況，即“死油”段，應(yīng)該充分考慮其對過站混油發(fā)展的影響，而站內(nèi)彎管和管內(nèi)輸送對混油發(fā)展的影響相對較少，可忽略不計(jì)。

根據(jù)過站混油增量和站內(nèi)盲端總體積量，可以判斷界面過站站內(nèi)盲端局部混油發(fā)展的狀態(tài)：過站混油增量等于站內(nèi)盲端體積，說明原混油界面通過后站內(nèi)盲端被混油段完全置換，不增加額外混油；過站混油增量大于站內(nèi)盲端，說明原混油界面通過后站內(nèi)盲端未被混油段完全置換，混油段增加拖尾量；過站混油增量小于站內(nèi)盲端，說明原混油界面通過后站內(nèi)盲端因存在“死油”而未置換完全，不增加額外混油。

3 過站混油發(fā)展規(guī)律

3.1 混油發(fā)展程度對站內(nèi)混油的影響

3.1.1 站內(nèi)比較

這里借助一個(gè)無量綱常數(shù)來量化混油的不對稱發(fā)展程度——無量綱拖尾。何國璽[13]把混油頭與混油尾之間的無量綱長度差定義為無量綱拖尾長度，其用于表示管道中混油分布油尾與油頭長度的相差程度，即

式中：L油尾為油尾（前行油體積濃度在1%~10%）段長度，m；L油頭為油頭（前行油體積濃度在90%~99%）段長度，m；D為管直徑，m；L為管長，m。

表1為不同進(jìn)站混油長度下德州泵站過站混油變化。兩個(gè)批次均為汽推柴，油溫近似（入口油溫13.628 ℃ 、 13.116 ℃ ， 出 口 油 溫 15.156 ℃ 、15.148 ℃），忽略輸量差異。

表1 德州泵站過站混油變化

結(jié)合大港石化—棗莊成品油管道工藝流程圖和工藝安裝圖，對符合過站混油發(fā)展研究條件的四個(gè)中間站場站內(nèi)盲端進(jìn)行匯總統(tǒng)計(jì)，得到滄州站盲端總置換體積2.642 m3，德州站5.482 m3，肥城3.827 m3，兗州0.673 m3。兩個(gè)批次混油過站增量均大于站內(nèi)盲端體積總和5.482 m3，因此屬于混油未完全置換情況。從結(jié)果可知，進(jìn)站混油長度短（發(fā)展程度低）的批次界面通過后混油增量相對較大，混油段拖尾程度增加也更大。這是由于在通過站內(nèi)盲端時(shí)，發(fā)展程度更高的混油段具有更長的置換時(shí)間，在置換速率一致的前提下可以置換出更多前行油，不同混油發(fā)展程度下德州站混油過站梯度變化見圖4。

圖4 不同混油發(fā)展程度下德州站混油過站梯度變化

3.1.2 站間比較

滄州清管站是港棗線第一個(gè)中間站，距首站79.5 km，站內(nèi)盲端總體積2.642 m3（含復(fù)雜盲端1.529 m3）；德州分輸泵站是第二個(gè)中間站，距首站205.2 km，站內(nèi)盲端總體積5.482 m3（含復(fù)雜盲端2.789 m3），兩中間站站內(nèi)管道尺寸基本一致。

試驗(yàn)批次為汽推柴批次，滄州過站輸量略高于德州站，同一批次兩站過站混油變化見表2、圖5。該批次混油段通過兩站混油增量大于其站內(nèi)盲端體積，均屬于未完全置換情況。假設(shè)站內(nèi)盲端內(nèi)前行油品全部被沖刷完畢，沒有“死油”存在，則滄州站過站額外增加混油量4.850 m3高于德州站的4.037 m3，其拖尾程度增加量也稍高于德州站。

圖5 某批次混油段沿程過站梯度變化

表2 港棗線混油過站變化

滄州清管站的盲端體積遠(yuǎn)小于德州泵站，并且過站輸量相對較大，而滄州站出站后混油界面經(jīng)過125.7 km的沿程發(fā)展混油長度大幅增加，混油濃度梯度變化也相對變緩。如此，通過比較同一批次混油界面在兩個(gè)不同中間站的過站混油變化，驗(yàn)證了中間站進(jìn)站混油發(fā)展程度越高產(chǎn)生混油越少的規(guī)律。

3.2 管內(nèi)流速對站內(nèi)混油的影響

德州站距首站205.2 km，管內(nèi)徑335 mm；肥城站距首站395.7 km，進(jìn)站管內(nèi)徑255.7 mm，出站管內(nèi)徑204.9 mm，為了縱向比較混油過站變化，將肥城站混油段通過等管容換算成內(nèi)徑335 mm 下的混油分布，不同流速條件下德州站、肥城站混油過站梯度變化見圖6、圖7。

圖6 不同流速條件下德州站混油過站梯度變化

圖7 不同流速條件下肥城站混油過站梯度變化

由表3 可知，汽推柴批次1 在德州站站內(nèi)平均流速要大于批次2，進(jìn)站長度略短，結(jié)果混油增量比批次2 小1.851 m3，且拖尾增加量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于批次2。在進(jìn)站混油發(fā)展程度越高產(chǎn)生混油越少的理論基礎(chǔ)上，認(rèn)為是管內(nèi)流速差異導(dǎo)致了混油差異，即管內(nèi)流速越大盲端內(nèi)前行油置換越快。這是由于站內(nèi)主管道輸量越大，后行純油品經(jīng)過盲端處向盲端的分速度越大，置換速率也更大，影響的后行純油品體積量越小。

表3 德州站混油過站變化

同理，在肥城站柴推汽批次3、4 中也表明：在一定流速范圍內(nèi)，管內(nèi)流速越大，站內(nèi)混油產(chǎn)生越少，拖尾程度增加越小，無關(guān)輸送順序，肥城站混油過站變化表4。

表4 肥城站混油過站變化

3.3 輸送順序?qū)φ緝?nèi)混油的影響

多批次混油數(shù)據(jù)分析可知，汽推柴批次經(jīng)首站切換和沿程發(fā)展，始終要長于柴推汽批次，且差距越來越大，所以很難在一個(gè)站做輸送順序的單一變量分析。取第一個(gè)中間站（滄州站）輸量和發(fā)展程度相近的試驗(yàn)批次相比較，探究輸送順序的影響。

由表5可知，在忽略流速差異下，汽推柴批次進(jìn)站混油段長度要高于柴推汽批次，而其過站混油增量均大于柴推汽批次。假設(shè)站內(nèi)盲端沒有“死油”存在，在進(jìn)站混油發(fā)展程度越高產(chǎn)生混油越少的理論基礎(chǔ)上，認(rèn)為是輸送順序影響導(dǎo)致了上述結(jié)果，即汽推柴界面在混油發(fā)展程度更高的情況下反而產(chǎn)生了更多的過站混油。未置換完全情況下，后行純油段持續(xù)置換出滄州站復(fù)雜盲端內(nèi)前行油，造成了混油增量遠(yuǎn)大于站內(nèi)盲端體積量。由于汽油黏度遠(yuǎn)比柴油低，盲端內(nèi)壁壁面黏附作用弱，沖刷過程中置換速率較大，其被完全置換出所影響的純油品量也相對較少。同時(shí)，通過批次1、2 與3、4 相比較，也驗(yàn)證了輸量越大中間站過站產(chǎn)生混油越少的規(guī)律。

表5 滄州站混油過站變化

3.4 過站混油發(fā)展變化趨勢

恒管容統(tǒng)一為φ335 mm 管徑后，得到某汽推柴批次在港棗線沿線各站發(fā)展的混油濃度梯度曲線變化（圖8）。

圖8 港棗線沿線各站混油濃度梯度曲線

基于港棗線特點(diǎn)和沿線混油梯度變化，基本可以得到如下結(jié)論：

1）中間站產(chǎn)生的過站混油屬于局部混油，總量相比于沿程混油的增量體量較小，隨著混油發(fā)展程度的增大其對混油的影響越來越小。

2）中間站過站時(shí)混油段發(fā)展是不對稱的，對油尾增長是更明顯的。

3）以滄州清管站為例，相比于站內(nèi)盲端尺寸、輸量和輸送順序等因素，混油發(fā)展程度的影響更為顯著。

眾所周知，管道站場普遍在用的撬裝密度計(jì)作為混油段批次跟蹤的重要性檢測裝置，其循環(huán)泵常年連續(xù)運(yùn)行，除用電成本外還有設(shè)備維護(hù)成本等。GE panametrics 密度計(jì)額定功率20 W，港棗線撬裝密度計(jì)（含泵）額定功率1.5 kW，考慮到成品油管道不定期停輸，設(shè)備替代后經(jīng)電表核算：單站年節(jié)約電量12800kWh，整條管道年節(jié)約電量64000kWh。

4 總結(jié)與建議

通過已有設(shè)備的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)上傳，實(shí)現(xiàn)了成品油管道混油界面輔助監(jiān)測的功能。在此基礎(chǔ)上，經(jīng)過港棗線多批次界面的數(shù)據(jù)分析，驗(yàn)證了如下規(guī)律：

1）同等條件下，中間站進(jìn)站混油發(fā)展程度越高，過站產(chǎn)生混油越少。

2）同等條件下，流速越大，中間站過站產(chǎn)生混油越少。

3）在混油段未完全置換的同等條件下，柴推汽批次（G92#-D0#）要比汽推柴批次（D0#- G92#）在中間站過站產(chǎn)生混油要少。由于港棗線輸送油品品類單一，研究結(jié)果不具有指導(dǎo)意義，但方法為多油源、多種油品、多用戶的西部成、蘭成渝等管道提供了依據(jù)，以優(yōu)化批次油品的輸送次序[14]。

4）局部混油影響因素中，混油發(fā)展程度相比于站內(nèi)盲端尺寸、輸量和輸送順序，影響更顯著，建議在管道前期設(shè)計(jì)階段綜合考慮布站和工藝[15]。