楊 凱，丁 原，劉雨薇，劉鳳榮，於日義

?

原油不同比例混合輸送過程中最小輸量計(jì)算

楊 凱1，丁 原2，劉雨薇1，劉鳳榮1，於日義1

（1. 東北石油大學(xué)， 黑龍江 大慶 163318；2. 大慶油田總公司儲(chǔ)運(yùn)銷售分公司， 黑龍江 大慶 163000）

隨著大慶油田開采能力下降，油田產(chǎn)量的降低，慶哈輸油新線為滿足運(yùn)行及下游生產(chǎn)的需要，采用進(jìn)口俄羅斯原油與大慶原油混輸?shù)姆绞?，維持對(duì)哈爾濱煉化公司的持續(xù)供油。針對(duì)可能面臨的低輸量問題，對(duì)慶哈新建慶俄原油混合輸送管道進(jìn)行不穩(wěn)定性分析，分別計(jì)算不同混合比例下不同站間管段全年的熱力和水力最小安全輸量，以確保慶哈輸油新線在輸量減少、輸油比例不斷變化的情況下安全平穩(wěn)運(yùn)行。

熱油管道；混合原油；最小輸量；安全

隨著大慶油田產(chǎn)量的逐年遞減，油田外輸管道將面臨低輸量運(yùn)行形勢(shì)［1］。當(dāng)熱油管道的輸量下降時(shí)，原油在管內(nèi)的流速也會(huì)減慢，管內(nèi)原油的散熱速度加快，導(dǎo)致軸向溫降加大。而我國(guó)所盛產(chǎn)的原油普遍為高凝點(diǎn)、高粘度原油，在低溫輸送時(shí)，其流動(dòng)性也也較進(jìn)口原油差。當(dāng)熱力條件變差，管道會(huì)很快陷入輸量減小反而摩阻增大的不穩(wěn)定工作狀態(tài)，隨時(shí)可能發(fā)生凝管、停輸?shù)奈ｋU(xiǎn)［1， 2］。

慶哈輸油管道新線2014年11月正式投產(chǎn)運(yùn)行，起點(diǎn)為浦北首站，終點(diǎn)為哈爾濱煉油廠。管內(nèi)所輸原油為大慶原油和俄羅斯原油按比例混合后的原油。全線共設(shè)有四座輸油站，分別是首站、中一站、中二站和末站。管線全長(zhǎng)199.73 km，管徑主要為φ377 mm×7.1 mm和377 mm×6.3 mm兩種形式。管道的年設(shè)計(jì)輸量為（200～300）×104t/a，設(shè)計(jì)最高壓力為6.3 MPa，實(shí)際最高運(yùn)行壓力為5.8 MPa。

已經(jīng)投產(chǎn)運(yùn)行的管道，其各熱站、泵站的供能是相對(duì)固定的，只能做適當(dāng)調(diào)整，唯有輸量在管道設(shè)計(jì)內(nèi)，才可以確保管道運(yùn)行的可靠性。管道的實(shí)際運(yùn)行輸量越偏離設(shè)計(jì)值，也就越不能保證管道安全地運(yùn)行［1-3］。對(duì)于不同油品混輸?shù)墓艿蓝裕诳傒斄康倪f減的情況下，管道中所輸油品的混合比例也將發(fā)生變化，導(dǎo)致混合原油的物性輸也隨之改變，也就會(huì)使原有的相關(guān)運(yùn)行參數(shù)較之前有所不同。因此，有必要對(duì)低輸量熱油管道進(jìn)行不同工況下最小輸量的安全性分析，本文選取 1∶2（俄羅斯原油：大慶原油）、1∶3（俄油：慶油）兩種混合比例原油進(jìn)行研究，分別計(jì)算管道不同月份的最小安全輸量，以保證管道的安全平穩(wěn)運(yùn)行。

1　影響參數(shù)計(jì)算

1.1管道周圍環(huán)境溫度計(jì)算

運(yùn)用傳熱學(xué)的相關(guān)知識(shí)，根據(jù)已知的大氣溫度來推算土壤周圍溫度隨深度和時(shí)間的變化趨勢(shì)：

其中：

式中，Ta為年平均氣溫；Tamax為日平均最高氣溫；τ為從日平均最高氣溫當(dāng)日開始計(jì)算的時(shí)間；αa為土壤和大氣間的傳熱系數(shù)。用上式求得全年管道周圍環(huán)境溫度如圖1所示：

圖1　管道周圍土壤環(huán)境溫度Fig.1 Ambient temperature of the soil around the pipe

1.2總傳熱系數(shù)K值計(jì)算

總傳熱系數(shù)K值是熱油管道的熱力計(jì)算模型中最為關(guān)鍵的影響因素［4］。對(duì)埋地保溫管道而言，K值主要由管道與土壤間的放熱系數(shù)，管道上保溫層的導(dǎo)熱系數(shù)決定，這些都難以得到準(zhǔn)確的計(jì)算。本文主要結(jié)合輸油管道現(xiàn)場(chǎng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以及實(shí)際運(yùn)行生產(chǎn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用反算差值的方法對(duì)管道的總傳熱系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。插值多項(xiàng)式可表示為：

應(yīng)用上述方法對(duì)輸油管線各站間輸油管段不同月份的傳熱系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表1所示：

表1　不同管段不同月份總傳熱系數(shù)Table 1 The annual hydraulic minimum safe transportation of the Qingha oil pipeline

續(xù)表

2　不同混合比例下最小輸量計(jì)算

2.1熱力條件下最小輸量計(jì)算

在已知管道的長(zhǎng)度LR、環(huán)境溫度T0、管外徑D、總傳熱系數(shù)K以及油品的最高出站溫度TRmax、最低進(jìn)站溫度TZmin的情況下，可按下式對(duì)埋地?zé)嵊凸艿赖臒崃l件下允許的最小輸量Gmin進(jìn)行計(jì)算：

對(duì)于一條已經(jīng)建成的混輸熱油管線而言，其熱力條件允許的最小輸量Gmin主要受到以下三方面的因素影響。首先是不同季節(jié)的影響，導(dǎo)致管道熱力條件下允許的最小輸量隨著不同月份在不斷發(fā)生變化，如冬季氣溫的降低，從而管道環(huán)境溫度 T0下降，夏季土壤濕度的增大，使得總傳熱系數(shù)K值變大，這些都會(huì)導(dǎo)致Gmin增大。其次是混合比例的影響，原油的混合比例發(fā)生變化，會(huì)使原油的凝點(diǎn)、粘度等流變性發(fā)生改變，Gmin也會(huì)隨之變化。最后由于各站間距l(xiāng)R的不同，K值也就不同，也會(huì)影響Gmin的大小。

因此，在計(jì)算熱力條件最小輸量時(shí)，應(yīng)選取不同時(shí)間、不同混合比例以及不同管段作為研究對(duì)象進(jìn)行計(jì)算，最終選取最大值作為管道全線熱力條件不同混合比例油品輸送過程中允許的最小輸量。計(jì)算結(jié)果如圖2-4。

（1）首站-中一站

圖2　首站-中一站不同混合比例下全年熱力最小安全輸量Fig.2 The first station-Zhongyi station annual thermodynamic minimum safe transportation quantity under different mixing ratio

（2）中一站-中二站

圖3　中一-中二站不同混合比例下全年熱力最小安全輸量Fig.3 Zhongyi station-Zhonger station annual thermodynamic minimum safe transportation quantity under different mixing ratio

（3）中二站-末站

圖4　中二站-末站不同混合比例下全年熱力最小安全輸量Fig.4 Zhonger station-terminal annual thermodynamic minimum safe transportation quantity under different mixing ratio

比較各個(gè)個(gè)站間管段各個(gè)月份的最小輸量，選取其中最大值為各個(gè)月份熱力條件下管道允許的最小輸量。

2.2水力特性最小安全輸量計(jì)算

熱油管道運(yùn)行過程中，會(huì)出現(xiàn)管內(nèi)輸量降低但水力摩阻不降反增的情況［5］，這時(shí)管道的實(shí)際運(yùn)行已進(jìn)入不穩(wěn)定工作區(qū)狀態(tài)。所以在計(jì)算管道的最小輸量時(shí)，除考慮熱力條件下的最小輸量外，還應(yīng)綜合考慮避開管道運(yùn)行的不穩(wěn)定工作區(qū)時(shí)的最小輸量，即管道特性條件下允許的最小輸量。由于熱油管道中熱力和水力相互影響，使得壓降隨流量的變化與等溫管道有所不同。當(dāng)油品的出站溫度一定時(shí)，管道的工作特性曲線可以分為三個(gè)區(qū)域。如圖5所示，圖中Ⅱ區(qū)與三區(qū)的分界點(diǎn)處流量叫做分界流量，即所要計(jì)算的管道特性條件下的最小輸量。

根據(jù)熱油管道穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的熱力水力計(jì)算模型，選取管道埋地處土壤的各個(gè)月份最低溫度為管道計(jì)算的環(huán)境溫度，對(duì)比每種混合比例在不同管段不同月份下的管道工作特性曲線，選取每個(gè)月份各個(gè)管段分界流量的最大者，即為管道全線該種比例下在該月的管道水力特性允許的最小輸量。統(tǒng)計(jì)結(jié)果（1-12月）如表2所示。

圖5　熱油管道的工作特性曲線（u為粘溫指數(shù)）Fig.5 The operating characteristic curve of hot oil pipeline （u is the viscosity index）

表2　慶哈輸油管道全年水力最小安全輸量Table 2 The annual hydraulic minimum safe transportation of the Qingha oil pipeline　　　m3/h

2.3管道全線的最小安全輸量

根據(jù)上面對(duì)管道熱力、水力最小安全輸量的計(jì)算結(jié)果，從管道實(shí)際運(yùn)行的安全考慮，取二者中較大的輸量作為管道運(yùn)行的最小安全輸量，并以此確定管道全年不同時(shí)間上每種混合比例原油輸送過程中的最小安全輸量根據(jù)此方法可以確定管道全年不同月份的最小安全輸量，用以指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行。計(jì)算（1-12月）結(jié)果如表3所示。

表3　慶哈輸油管道全年最小安全輸量Table 3 The annual minimum safe transportation of the Qingha oil pipeline　　　m3/h

3　計(jì)算結(jié)果分析

從水力和熱力兩方面進(jìn)行研究計(jì)算，確定管道不同混合比例下全年最小安全輸量，計(jì)算結(jié)果表明，八月份的值最小，1：2（俄：慶）比例時(shí)為53.9（m3/h），1：3（俄：慶）比例時(shí)為57.7（m3/h）；二月份值最1：2（俄：慶）比例時(shí)為 93.4（m3/h），1：3（俄：慶）比例時(shí)為 97.5（m3/h）。隨著混合原油中進(jìn)口原油的增加，管道允許的最小輸量隨之減小。

4　結(jié) 論

以管道的最高出站油溫和最低進(jìn)站油溫為初始條件，建立了管道熱力最小安全輸量計(jì)算方法。在考慮原油流變性的基礎(chǔ)上，結(jié)合管道水力特性，以避免進(jìn)入不穩(wěn)定工作區(qū)為判別標(biāo)準(zhǔn)，最終得到了管道水力最小安全輸量計(jì)算方法。

綜合考慮管道的水力、熱力特性，計(jì)算給出了慶哈輸油管道不同管段全年不同月份的最小安全輸量，在此基礎(chǔ)上，最終給出了慶哈輸油管道全年的最小安全輸量，為管道的安全運(yùn)行提供技術(shù)指導(dǎo)。

［1］ 曹喜文. 原油外輸管道低輸量運(yùn)行技術(shù)研究［D］.大慶石油學(xué)院，2010.

［2］ 繆娟，吳明，劉建鋒，鄭平. 熱油管道低輸量運(yùn)行的安全分析及評(píng)價(jià)［J］. 油氣儲(chǔ)運(yùn)，2007，12：7-11+62+71.

［3］ 牛軍強(qiáng)，張玉香. 花格管道低輸量運(yùn)行分析及研究［J］. 中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2011，02：185-186.

［4］ 楊筱蘅. 輸油管道設(shè)計(jì)與管理［M］. 北京：中國(guó)石油大學(xué)出版社，2006.

［5］ 張鳳桐.含蠟原油管道流動(dòng)特性研究［D］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2007.

［6］ Pengfei Yu，Jinjun Zhang，Bo Yu，Yi Wang，Guojun Yu，Jinjia Wei. Study on Low Flow Rate Operating Characteristics of Hot Waxy Crude Oil Pipelines Based on an Unsteady-State Calculation Method［J］. Advances in Mechanical Engineering，2014.

［7］ Ricardo Dunia，Antonio Campo，Rodolfo Guzman. Study of pressure and temperature developing profiles in crude oil pipe flows［J］. Journal of Petroleum Science and Engineering，2011：782.

［8］ 李玉春. 海拉爾油田集輸油管道安全運(yùn)行技術(shù)研究［D］. 大慶：東北石油大學(xué)，2011.

［9］ 徐雙友，劉斌. 原油管道安全停輸時(shí)間影響因素分析［J］. 當(dāng)代化工，2014，07：1353-1356+1360.

Calculation of the Minimum Throughput of Crude Oil in Different Proportion of Mixed Transportation

YANG Kai1，DING Yuan2，LIU Yu-wei2，LIU Feng-rong1，YU R-iyi1
（1. Northeast Petroleum University ， Heilongjiang Daqing 163318，China；2. Daqing Oilfield Company Storage and Transportation Branch， Heilongjiang Daqing 163000，China）

With decrease of the exploitation ability of Daqing oilfield， the oil field production reduces. In order to meet the needs of operation and downstream production， the new oil line of Qingha adopts the imported Russian crude oil and Daqing crude oil mixed transmission to maintain the continued supply of Harbin Petrochemical Company. In view of the low throughput problem that may be faced， the stability analysis of the new Russian crude oil mixed transportation pipeline was carried out， the thermal and hydraulic minimum safe transport capacity of different stations under different mixing ratios were calculated to ensure that the new oil line of Qingha will be safe and stable operation.

oil pipeline； mixed crude oil； minimum throughput； security

楊凱（1991-），男，黑龍江省大慶市人，在讀碩士研究生，就讀于東北石油大學(xué)石油與天然氣工程（全）專業(yè)，研究方向：油氣儲(chǔ)運(yùn)。E-mail：yangkai2012@sina.com。

TE 832

A

1671-0460（2016）05-1086-04

中國(guó)石油科技創(chuàng)新基金，項(xiàng)目號(hào)：2014D-5006-0607。

2016-03-24