細(xì)管法原油粘度在線測(cè)量裝置的研制及應(yīng)用

＊李皓 王一然 蘇航

（國家管網(wǎng)集團(tuán)東部原油儲(chǔ)運(yùn)有限公司 江蘇 221008）

粘度是物質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)，由于存在粘度，物體在流體中運(yùn)動(dòng)時(shí)受到摩擦和壓差阻力，從而造成能量損耗。粘度是流體分子內(nèi)摩擦的一種量度，是流體粘滯性的一種具體表現(xiàn)，其本質(zhì)是流體分子間相互作用在宏觀層面的表現(xiàn)。對(duì)流體粘度的測(cè)量有多種方法，最為常見的有阻尼振動(dòng)法、旋轉(zhuǎn)法（也叫轉(zhuǎn)筒法）和細(xì)管法[1]。振動(dòng)法粘度計(jì)[2-3]：是將傳感器探頭在流體中按照一定頻率振動(dòng)，由于受到流體的粘性阻尼作用，探頭的振幅會(huì)發(fā)生變化，由電路來補(bǔ)充因流體粘性阻尼而損失的能量，使探頭的振幅維持在與流體作用之前的狀態(tài)，補(bǔ)充的能量與流體的粘度之間存在一定的關(guān)系。因此通過測(cè)量補(bǔ)充的能量，就可以計(jì)算出流體的粘度。旋轉(zhuǎn)法粘度計(jì)[4-5]：由處于同軸圓心的轉(zhuǎn)筒和轉(zhuǎn)子構(gòu)成，測(cè)量時(shí)將進(jìn)入待測(cè)流體中的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，由于剪切應(yīng)力作用的存在，這些流體中的轉(zhuǎn)子將會(huì)受到粘性力矩的作用。在旋轉(zhuǎn)條件相同的情況下，粘性力矩的大小隨著流體粘度一同變化，因此測(cè)量粘性力矩，即由粘度公式求出流體的粘度[1]。細(xì)管法粘度計(jì)[6-7]：通過測(cè)量一定體積的流體在一定壓差下流經(jīng)毛細(xì)管的時(shí)間，或者單位時(shí)間內(nèi)在一定壓差下流經(jīng)毛細(xì)管的液體體積，根據(jù)泊肅葉公式即可計(jì)算出流體的粘度。

目前生產(chǎn)實(shí)際中對(duì)原油粘度的檢測(cè)通常為定時(shí)人工取樣，然后使用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)參照SY/T 0520-2008《原油粘度測(cè)定旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)平衡法》[8]進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)量過程需要對(duì)樣品保溫，導(dǎo)致整個(gè)測(cè)量用時(shí)較長，一個(gè)溫度下的粘度測(cè)試需要時(shí)間在45min以上，不能實(shí)時(shí)反映油品的粘度變化，且數(shù)據(jù)易受取樣過程歷史效應(yīng)影響。近年來，國內(nèi)外開始研發(fā)在線粘度計(jì)，主要以振動(dòng)法和旋轉(zhuǎn)法在線粘度計(jì)為主[9-11]，如英國Hydramotion公司、美國Cambridge公司以及北京華宇基業(yè)科技有限公司的振動(dòng)法在線粘度計(jì)；美國博勒飛（Brookfield）公司、上海尼潤智能科技有限公司的旋轉(zhuǎn)法在線粘度計(jì)。

由于原油種類眾多，結(jié)構(gòu)組成復(fù)雜，現(xiàn)有在線粘度計(jì)在應(yīng)用時(shí)存在不少問題，如在某輸油站場安裝的振動(dòng)式在線粘度計(jì)（如圖1）在實(shí)際使用時(shí)存在測(cè)量波動(dòng)大的問題。對(duì)比表1在線粘度計(jì)測(cè)試數(shù)據(jù)與經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)校對(duì)的MARS流變儀測(cè)試數(shù)據(jù)，在線粘度計(jì)所測(cè)油品粘度數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，最大偏差在95%以上，不能準(zhǔn)確反應(yīng)管輸油品物性，造成波動(dòng)的原因極可能是原油中的蠟組分、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)沉積附著在在線粘度計(jì)測(cè)量探針上所致。而旋轉(zhuǎn)法在線粘度計(jì)的核心為具有一定表面積的轉(zhuǎn)子和定子系統(tǒng)，該系統(tǒng)可通過改變轉(zhuǎn)速評(píng)價(jià)流體流變性，一但測(cè)試單元結(jié)構(gòu)復(fù)雜，清洗麻煩，也容易發(fā)生因膠質(zhì)瀝青質(zhì)沉積附著導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果失真的問題。

圖1 某輸油站安裝的振動(dòng)式在線粘度計(jì)

表1 某輸油站油品粘度對(duì)比

安全、高效地進(jìn)行管道輸油是管道企業(yè)追求的目標(biāo)。對(duì)于原油管道而言，管輸原油的粘度參數(shù)具有十分重要的意義，一旦相關(guān)參數(shù)有所偏差，往往會(huì)對(duì)管道的輸送能力、動(dòng)力消耗和安全性產(chǎn)生非常不利的影響，因此研發(fā)原油在線粘度測(cè)量裝置對(duì)管輸原油物性的實(shí)時(shí)檢測(cè)是十分必要的。

1.細(xì)管法測(cè)量原理

當(dāng)流體流經(jīng)管徑細(xì)小的管子時(shí)，假定其能滿足下述條件：（1）細(xì)管十分長，并呈直線狀，且內(nèi)徑均等；（2）流體的流動(dòng)狀態(tài)為充分發(fā)展的穩(wěn)定的層流，流體內(nèi)任一點(diǎn)的流速僅是其半徑r的函數(shù)；（3）流體是不可壓縮的均質(zhì)流體；（4）與細(xì)管內(nèi)壁相接觸的流體沒有滑移；（5）流體流變性質(zhì)與時(shí)間無關(guān)，其剪切應(yīng)力與剪切速率之間存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系；（6）流體是等溫的[1]。

則其對(duì)應(yīng)的牛頓流體粘度滿足哈根-泊肅葉定律：

式中，Q：流量，m3/s；R：細(xì)管半徑，m；△P：細(xì)管兩端壓差，MPa；μ：流體的動(dòng)力粘度，mPa·s；L：細(xì)管長度，m。

這就是用細(xì)管法測(cè)定牛頓流體粘度的原理。通過確定細(xì)管的幾何尺寸R、L，實(shí)驗(yàn)測(cè)取L兩端的壓差△P和相應(yīng)的流量Q，就可求得流體的動(dòng)力粘度μ[1]。其管流受力分析示意圖如下：

圖2 管流受力分析圖

但實(shí)際測(cè)量中有許多條件偏離理想情況，如：存在加工誤差，不能保證管段內(nèi)徑均等；流體進(jìn)出口處管徑變化，使測(cè)量存在端部效應(yīng)；油品與環(huán)境間存在溫差，油品在粘度測(cè)量管內(nèi)流動(dòng)過程中與環(huán)境間不斷換熱，導(dǎo)致油品流動(dòng)過程中溫度不恒定。

由于存在幾種固有的系統(tǒng)誤差，從而造成原油流經(jīng)管路后的壓力測(cè)量不能真實(shí)反映流體特性，故對(duì)相應(yīng)公式進(jìn)行修正，得到修正公式

式中，Q：流量，m3/s；R：細(xì)管半徑，m；p1：細(xì)管進(jìn)口壓力，MPa；p2：細(xì)管出口壓力，MPa；k：壓力修正系數(shù)，0.9915；μ：流體的動(dòng)力粘度，mPa·s；L：細(xì)管長度，m。

隨后利用不同原油進(jìn)行室內(nèi)測(cè)試，驗(yàn)證了細(xì)管法原油粘度在線測(cè)量裝置的可行性。

圖3是細(xì)管法在線測(cè)量原油粘度的設(shè)計(jì)流程思路，通過計(jì)量泵控制進(jìn)入粘度測(cè)量管段支路的原油流量Q，保證管段內(nèi)的原油處于充分發(fā)展的層流流動(dòng)；并利用壓力傳感器測(cè)量粘度測(cè)量管段兩端的壓差△P；再根據(jù)泊肅葉定律，計(jì)算得到原油粘度μ；并可以根據(jù)溫度傳感器數(shù)據(jù)，利用油品的粘溫關(guān)系得到管輸溫度下油品的表觀粘度。

圖3 細(xì)管法粘度測(cè)量設(shè)計(jì)思路

2.裝置效果驗(yàn)證

(1)沙中原油測(cè)試結(jié)果

下圖為沙中原油25℃時(shí)的粘度隨流量、進(jìn)口壓力的變化規(guī)律。

從圖4、圖5、表2和表3可以看出，針對(duì)沙中原油，隨著細(xì)管中油品流量的增大，與原油真實(shí)粘度相比，裝置測(cè)量偏差逐漸減??；流量恒定時(shí)，隨著進(jìn)口壓力的增大，裝置測(cè)量粘度與原油真實(shí)粘度的偏差逐漸減小。不同流量和不同進(jìn)口壓力下的粘度偏差均不超過10%，表明該裝置可以用于管輸油品粘度測(cè)試。

圖4 流量對(duì)沙中原油粘度測(cè)量的影響

圖5 進(jìn)口壓力對(duì)沙中原油粘度測(cè)量的影響

表2 不同流量下，25℃沙中原油粘度測(cè)量對(duì)比

表3 不同進(jìn)口壓力下，25℃沙中原油粘度測(cè)量對(duì)比

(2)裝置現(xiàn)場應(yīng)用效果

為驗(yàn)證裝置的實(shí)用性，在儀長線儀征站進(jìn)行了細(xì)管法粘度測(cè)量裝置應(yīng)用性和可靠性試驗(yàn)。2016年11-12月在儀征站對(duì)細(xì)管法在線粘度測(cè)量裝置進(jìn)行了驗(yàn)證，現(xiàn)場取樣測(cè)試，與采用VT-550旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)人工測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，測(cè)量了管輸溫度下的油品粘度。取樣位置為儀長線出口處，取樣時(shí)間間隔為2h。對(duì)比測(cè)試結(jié)果如表4。

表4 儀征站測(cè)試結(jié)果對(duì)比

根據(jù)表4，10組數(shù)據(jù)測(cè)試對(duì)比，在線粘度測(cè)量裝置與人工旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)試數(shù)據(jù)的最大誤差為8.1%，最小誤差0.4%，試驗(yàn)期間在線粘度測(cè)量裝置運(yùn)行穩(wěn)定，測(cè)試結(jié)果能真實(shí)反應(yīng)管輸原油的粘度。

從表5可以看出，細(xì)管法在線粘度測(cè)量裝置測(cè)試一組數(shù)據(jù)用時(shí)在1～2min，遠(yuǎn)小于旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)試用時(shí)。

表5 在線粘度測(cè)量裝置測(cè)試用時(shí)

續(xù)表

3.結(jié)論

原油管道作為安全、經(jīng)濟(jì)、快捷的運(yùn)輸方式，其輸量在國內(nèi)原油加工量的比例不斷上升，原油管道的安全運(yùn)行，直接關(guān)系到上下游企業(yè)的平穩(wěn)生產(chǎn)，影響上下游企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也關(guān)系著原油管道投資的回報(bào)率。本文采用細(xì)管法原理，研發(fā)了一種原油粘度在線測(cè)量裝置，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場應(yīng)用都表明，細(xì)管法粘度測(cè)量裝置可以很好地滿足管輸現(xiàn)場對(duì)粘度測(cè)試的要求，達(dá)到SY/T 0520-2008《原油粘度測(cè)定旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)平衡法》中重復(fù)性偏差不大于15%的要求[8]，可實(shí)現(xiàn)管輸原油粘度的在線測(cè)量，測(cè)試用時(shí)僅為1～2min，提高了原油管道粘度參數(shù)的測(cè)量效率，可以及時(shí)反映管輸原油狀態(tài)，保障原油管道的管輸能力和管道安全，為管輸原油的工藝優(yōu)化提供技術(shù)支持。