楊鍵萍，潘振

（遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001）

長輸原油管道安全輸量計算

楊鍵萍，潘振

（遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001）

隨著輸油管網(wǎng)的不斷加大，電力價格和燃料價格的上漲，在熱油管道的成本中能耗費用比重越來越大，如何降低能耗、節(jié)約成本、實現(xiàn)管道安全優(yōu)化運行具有重要的研究意義。以沈撫輸油管線為實例,在查閱了國內(nèi)外大量文獻的基礎(chǔ)上，根據(jù)管道沿線油溫的變化規(guī)律，通過達西公式及蘇霍夫溫降公式等推導出原油管道最大安全輸量計算方法和最小安全輸量計算方法數(shù)學模型并求解，利用 Visual C++語言編寫了計算軟件。

熱油管道；最大安全輸量；最小安全輸量；計算軟件

油品輸量計算是熱油管道工藝計算的重要核心部分，當長輸熱油管路系統(tǒng)運行過程中突然出現(xiàn)停泵、加熱爐出現(xiàn)故障等狀況下，為確保在事故狀態(tài)下全線不致停運[1]，或者在輸量不足的情況下實現(xiàn)安全運行，油品輸量的計算為實現(xiàn)以上目的提供依據(jù)，當然，最大和最小輸量的計算為管線各設(shè)備提高了檢修工作的可行性[2]。

1 最大輸量計算

1.1 最大輸量計算

由熱油管道溫降規(guī)律可知，在輸量一定的情況下，管道內(nèi)油品的出站溫度 越高，油品平均溫度越高，油品粘度越小，管道的摩阻損失越小[3]。由水力計算公式可知，在其他因素不發(fā)生變化時，管道輸量越大，管道的摩阻損失越大，管道需要出站壓頭越大。由于泵站提供的揚程隨流量的增加而減小，且出站壓頭必須小于管線最大承壓，因此管道輸量不能無限增加。通過上面的分析可知，當出站溫度為最高允許的出站溫度時，泵站出口達到管線最大出站壓力（最大出站壓力由管道最大承壓和在該流量下泵站提供的最大揚程決定，取兩者中較小的一個）、當?shù)竭_其下站，余下的壓頭是泵站的最小入口承壓，這時，其泵站會達到的流量極值點，此流量即為最大流量Gmax。最大輸量計算示意圖如圖1所示。

圖 1 最大輸量計算示意圖Fig.1 The sketch of calculating maximal flow

應(yīng)用“旁接罐”方法輸送原油，其泵站之間不產(chǎn)生影響，形成單獨水力運行管線。將各個泵站的Gimax算出后，選取最小值，即為全線可達到的極大流量值Gmax。

計算模型如下：

在最大出站溫度下，聯(lián)立求解式（1）和(2)，則G為管道達到最大流量 。即最大流量為方程（3）的根。

式中：

HLost(G)—輸量G下的管道阻力損失, m；

Hpump(G)—輸量G下該站能夠提供的揚程， m；

Pmax—管道最大承壓，Pa；

L—管道加熱輸送的長度,m；

λ—管道摩阻系數(shù)，無因次；

D1—管道內(nèi)徑，m；

a,b,c —泵性能曲線回歸系數(shù)，無因次；

ρ—油品密度，kg/m3。

在求解原油管道最大輸量時，本研究采用二分法計算如圖2所示。

圖2 最大輸量計算過程Fig.2 The process of calculating maximal flow

根據(jù)工程實際,假設(shè)管道內(nèi)油品的速度為某流速（實際流體的最大流速要小于該速度），計算出該速度下的輸量G1,根據(jù)工程實際，管道內(nèi)的最大輸量要小于該輸量，故輸量G1為計算上限。在原油管道輸送過程中，存在一個最小輸量，管道內(nèi)的最大輸量要大于最小輸量，故最小輸量為計算下限。最小輸量可根據(jù)公式(4)計算出[4]。

計算過程如下：

（1）根據(jù)工程實際,假設(shè)管道內(nèi)油品的速度為某流速，計算管道輸量G1；

（2）按最小輸量公式計算流量G2；

（3）若G1-G2小于給定值，轉(zhuǎn)步驟（8）；否則轉(zhuǎn)步驟（4）；

（4）計算G=(G1+G2)/2；

（5）計算管道出站溫度為最高允許的出站溫度時，管道輸量為G時，管道全線的水力損失Hlo（stG）；

（6）計算管道輸量為G 時，泵站能夠提供的最大揚程 Hpump（G）;

（7）計算f（G），若 ＞ 0 ，G2= G；若 f （ G ）＜0 ，G1=G 。轉(zhuǎn)步驟（3）;

（8）輸出 Gmax-(G1+ G2)/ 2。程序框圖見圖3[5]。Gmax

圖 3 最大輸量計算框圖Fig.3 Program flow chart of calculating maximal flow

1.2 計算實例

中間站壓力越站時的管道最大安全輸量如圖4所示。

圖 4 中間站壓力越站管道最大輸量計算Fig.4 Calculation of pipeline maximal flow without the intermediate station

2 最小輸量計算

2.1 最小輸量計算

最小輸量計算是組成熱油管線工藝計算的必要部分，當長輸熱油管路在運行中突然出現(xiàn)停泵、加熱爐發(fā)生故障的情況下，為保證事故狀態(tài)下全線不致停運，或者在輸量不足的情況下實現(xiàn)安全穩(wěn)態(tài)運行，計算最小輸量的方法同樣為實現(xiàn)以上目的提供可靠依據(jù)[6]，同時，計算最小輸量對檢修輸油線路設(shè)備提供可行方案。參考沈撫原油管道實際情況，依據(jù)熱平衡原理，忽略摩擦生熱，用蘇霍夫公式表示管道軸向溫降為：

那么 K, D，T0一定，當加熱站的間距l(xiāng)R、出口油溫最大值TR及允許最小入口溫度TZ一定時，確定該管道允許極小輸量值Gmin。此極小值應(yīng)用下列公式計算為：

式中： K—管道總傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；

D—熱阻最大的管段直徑，m；

Cy—原油的比熱容，J/(kg·℃)；

lR—站間距， m；

T0—管道埋深處環(huán)境溫度，℃；

TRmax—油品最大出站溫度，℃；

TZmin—油品允許的最小進站溫度，℃。

這里還應(yīng)說明的是，對于已定管道來說，站間允許的Gmin隨時間而改變[7]。冬天地溫T0降低，以及下雨下雪等情況可能導致地下水位和土壤濕度大大增加 ，管道總傳熱系數(shù) K 也隨之增大，這樣會使管道散熱量加大，其Gmin也增大。相反，夏天地溫比較高，管道的Gmin相比冬季的值會小[8]。

就一條管道而言，若各站間距不等，或是管道散熱的差異性，那么各站間總傳熱系數(shù)K也不同，站間距l(xiāng)R較長及總傳熱系數(shù)較大的加熱站,其Gmin也相對較大。此時，全線允許最小輸量值應(yīng)按較大值為準，方能保證全線安全穩(wěn)態(tài)運行。所以，在管道實際輸量等于或低于此最小輸量值 Gmin，一定要采取相應(yīng)措施。

以上所述措施則可以分為[9]：

（1）提高管道自身條件，來減小管道最小輸量值Gmin。比如增加部分加熱站，縮小原來站間距l(xiāng)R；為管道做好保溫工作來減小K值等。但這類措施需要大量的工作及投資，能耗較高，故一般不采用。

（2）應(yīng)用其它輸送工藝，比如稀釋、熱處理、增加降凝劑等方法。這類措施可降低油品進站油溫，管道的Gmin也減小，這類是常用方法。

（3）應(yīng)用“旁接罐”方法輸送油品，各個泵站段相互不產(chǎn)生影響，形成獨立系統(tǒng)。分別求出各泵站的Gmin，取最大值，為可達到的全線安全最小輸量Gmin[10]。

2.2 沈撫原油管道最小安全輸量計算實例

4月份最小安全輸量計算,中間站熱力越站時的管道最小安全輸量如圖5所示。

圖 5 中間站壓力越站管道最大輸量計算Fig.5 Calculation of pipeline minimal flow without the intermediate station

［1］ 陳娟.長輸原油管道設(shè)計優(yōu)化研究[D]．成都：西南石油大學，2004．

［2］吳明，陸鐘武，蔡九菊，特殊工況下熱油管道最小輸量計算,石油化工高等學校學報[J].油氣儲運，1997（01）：42-76

［3］鄭國華，嚴大凡．如何保持低輸量管道的安全經(jīng)濟運行[C]．石油儲運學術(shù)論文選集, 北京：中國石油學工業(yè)出版社，1983:44-62．

［4］李趙杰，鄧松圣，王安平，曾多禮， 邱正陽，聶平.成品油管線密閉輸送最大輸量求解[J].重慶科技學院學報,2005（01）：30-72

［5］吳長春，嚴大凡．熱油管道運行管理最優(yōu)化[J]．油氣儲運，1992，9(3)：83－88．

［6］張紹杰，埋地熱油管道運行分析[J].油氣儲運，2005,08（7）:7-22

［7］吳長春，邵國泰，趙忠德.慶鐵線輸油管道系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)工況的最優(yōu)化[J]．油氣儲運，1998，17(7)：4-8．

［8］Pu Jianing ，Jiang Ming．Computational scheme helps optimize batched throughput[J]．Pipeline amp; Gas Industry, 1999(6): 59-62.

［9］嚴大凡．輸油管道設(shè)計與管理[M]．北京：石油工業(yè)出版社，1989:55-130

［10］吳長春，李東風．秦京管道穩(wěn)態(tài)優(yōu)化運行方案的分析與確定[J]．油氣儲運，2002，21(12)：4-11．

Calculation of Safe Throughput of Long-distance Crude Oil Pipeline

YANG JIan-ping, PAN Zhen
（College of Petroleum Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Funshun 113001, China）

As the pipeline network increases and the prices of electricity and fuel rise, the proportion of energy cost in total cost of hot oil pipeline operation is bigger and bigger, how to reduce energy consumption, save cost and achieve optimal operation of the pipeline has important research significance. In this paper, taking Shenyang-Fushun oil pipeline as an example, through referring to a large number of literatures at home and abroad, according to the law of the oil temperature change along pipeline, by using Darcy formula and Sukhov temperature drop formula, the mathematical model for calculation of the biggest safe throughput and the minimum safe throughput of crude oil pipeline was deduced and solved, and the calculation software was written by Visual c + + language.

Hot oil pipeline, Maximum safe throughput, Minimum safety throughput, Calculation software

TE 832

A

1671-0460（2017）11-2350-03

2017-01-11

楊鍵萍（1986-），女，遼寧省撫順市人，碩士學位，遼寧石油化工大學油氣儲運專業(yè)，研究方向：長輸原油管道管輸技術(shù)的研究。E-mail：44500675@qq.com。

潘振，男，副教授，博士，研究方向：天然氣綜合利用技術(shù)研究、天然氣水合物動力學研究等。E-mail：28335719@qq.com。