王小丹 王壽喜

1. 陜西延長石油集團山西銷售有限公司, 山西 太原 030006;2. 西安石油大學石油工程學院, 陜西 西安 710065

0 前言

使用減阻劑作為一種短時間的應急措施具有優(yōu)越性,但對需長期進行加劑運行的管道而言,減阻劑需求量較大,其經(jīng)濟效益會明顯折損[6]。這是因為目前還沒有準確評價減阻效果的機制,在設計和操作運行計劃中無法主動考慮減阻劑的應用、管網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構的優(yōu)化、工藝和操作運行方案的實施等問題,易造成減阻劑過度使用,不僅會降低管輸經(jīng)濟性,也會影響油品質(zhì)量,不利于日常操作管理。因此,對減阻效果的預測研究顯得尤為重要[7-9]。

針對已有減阻效果預測模型在應用中的諸多問題[10-14],本文綜合考慮減阻效果的影響因素,采用相似性分析方法,提出基于試驗數(shù)據(jù)修正的減阻效果預測模型[15-17]。通過對現(xiàn)場加劑運行試驗數(shù)據(jù)的分析,考慮在已有模型基礎上引入與減阻劑種類、管徑、油品黏度相關的修正因子,將預測模型的試用范圍縮小至成品油與原油管道兩個應用區(qū)塊。對于同一區(qū)塊下的預測模型,其待定系數(shù)確定,應用時只需將模型應用條件下的油品黏度、管徑、管道運行流態(tài)(即雷諾數(shù))、加劑濃度等已知量代入，即可進行預測,大大降低了基于經(jīng)驗公式進行減阻效果預測的復雜度,同時模型參數(shù)具有橫向延用性,無需針對不同工況分別進行求解,即擴大了預測模型的適用范圍,同時提高了預測模型的通用性。

1 減阻效果相似性預測模型

對于目前已有的減阻效果預測模型,針對其考慮的影響減阻效果因素的不同,可將其分為與摩阻系數(shù)有關的模型以及與雷諾數(shù)有關的模型,將二者綜合起來可得減阻效果預測模型，見式(1)～(2)。

f=f0(1-DR)

(1)

(2)

式中:f為加劑前的摩阻系數(shù);f0為加劑后的摩阻系數(shù);DR為減阻率;Re為雷諾數(shù);N、A、B為模型待定系數(shù);C′為減阻劑有效體積濃度。

上述模型針對雷諾數(shù)與加劑濃度對減阻效果的影響,但沒有考慮運行管道情況與輸送介質(zhì)的影響。為擴大該模型的適用范圍,獲得精度更高的預測模型,在對原模型進行變形處理后,同時將管徑與黏度的影響引入模型中,并對二者進行相關的指數(shù)修正。綜合以上得到考慮了管徑與黏度修正的減阻效果預測模型:

(3)

減阻劑有效濃度通過式(4)求得:

Cn=De·Cn0

(4)

式中:De為降解率(取值范圍為0～1);Cn0為減阻劑未發(fā)生降解前的加劑濃度。

不同的設備,降解率求解方法不同,可參照表1進行計算。

考慮到管道過流部件對減阻劑的剪切稀釋性,通過求解降解率來分析減阻劑的性能降解。但一般情況下,降解率系數(shù)較難求得,只能通過現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)求解[18-20]。

表1降解率計算方法

項目降解率長距離管道De=1-exp -x/(DRC/100) 短管道De=e-kt泵經(jīng)驗或?qū)嶒為y門(閘閥、球閥、截止閥、控制閥)經(jīng)驗或?qū)嶒?注:x為通過的距離,m;DRC為降解率系數(shù);t為加劑時間,h。

2 加劑運行試驗數(shù)據(jù)類比分析

為求解減阻效果預測數(shù)學模型,需要獲取有效現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)。文中模型所用數(shù)據(jù)來源于中國石油西部管道公司前期所進行的加劑運行試驗的現(xiàn)場數(shù)據(jù)。運行管道分別是輸送原油的阿獨線、烏鄯線、庫鄯線以及輸送成品油的獨烏線,現(xiàn)對各管道的試驗情況作簡單介紹。

2.1 現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)預處理

2.1.1 原油管道加劑運行數(shù)據(jù)

在原油管道中,阿獨線加注C型、B型和I型減阻劑,烏鄯線及庫鄯線加注C型減阻劑。在全部的試驗數(shù)據(jù)中,以未加劑的運行參數(shù)作基礎值,通過上半段加劑滿線與全線滿線的數(shù)據(jù),求得實際雷諾數(shù)、摩阻系數(shù)、壓降以及減阻率的值,以此作為數(shù)學模型建立以及比對的基礎，計算結(jié)果見表2。

2.1.2 成品油管道加劑運行數(shù)據(jù)

2.1.2.1 現(xiàn)場數(shù)據(jù)匯總

表2原油管道現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果

管道減阻劑類型試驗時間濃度/(10-4%)輸量/(Q·m-3·h-1)摩阻系數(shù)雷諾數(shù)壓降/MPa減阻率/(%)阿獨線C型2011-03-18～2011-03-23101 8460.015 967 7181.95334.2B型2011-03-27～2011-04-01101 7740.018 865 9991.16421.8I型2011-04-05～2011-04-10101 7910.017 166 6131.98424.7C型2011-12-21～2011-12-276.51 7680.0260 0222.25427.9烏鄯線C型2013-04-28～2013-05-06301 0110.02659 1061.76822.3庫鄯線C型2013-05-17～2013-05-23107240.03110 4503.77013

表3成品油管道現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果

濃度/(10-4%)運行工況流量/(Q·m-3·h-1)雷諾數(shù)摩阻系數(shù)壓降/MPa減阻率/(%)15加劑滿線736.5139 6240.016 81.05262.4Re1615.6116 6920.017 40.86557.3Re2482.891 4560.018 30.65350.2Re3382.272 3670.019 30.48244.18加劑滿線689.04128 9500.017 11.11755.1Re1588.94110 1700.017 60.92650.6Re2473.4988 5360.018 40.63749.8Re3366.3568 5020.019 50.48539.55加劑滿線658.37149 1330.016 62.30051.4Re1569.7129 0480.017 12.17540.4Re2454.47102 9460.017 91.50238.2

將原油管道與成品油管道現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)中雷諾數(shù)與減阻率的關系匯總，見圖1。

圖1 現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)中雷諾數(shù)與減阻率的關系匯總

2.1.2.2 數(shù)據(jù)不確定分析

為獲取質(zhì)量較高的成品油管道加劑運行數(shù)據(jù),現(xiàn)場加劑運行試驗過程力求避免由于環(huán)境、人為等外界因素對試驗造成的干擾,對油品黏度的測量按照標準工況的測量要求進行。而在加劑滿線時,為獲取不同雷諾數(shù)下的加劑運行數(shù)據(jù),在首站通過三次調(diào)節(jié)節(jié)流閥,使流量逐步減小,直到泵正常運行所允許的最小流量,這一過程會造成加劑工況的振動,首末站各測量儀表所計量得到的數(shù)據(jù)會產(chǎn)生較大波動,因此會造成加劑運行數(shù)據(jù)不穩(wěn)定性,對模型預測帶來一定誤差。

2.2 現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果

對現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)進行預處理后,為對影響管道加劑運行效果的因素進行量化分析,結(jié)合現(xiàn)場加劑運行情況,分別探討流態(tài)、減阻劑種類、加劑濃度以及管線特性對減阻效果影響情況。

2.2.1 湍流程度對減阻效果的影響

經(jīng)初步計算可發(fā)現(xiàn),在同一加劑濃度下,運行流體的雷諾數(shù)減小,摩阻系數(shù)隨之增大,沿程壓降減小,減阻率減小。即在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi),管道的湍流程度大小與減阻效果成正比。

圖2 獨烏線加注B型減阻劑湍流程度與減阻率關系

2.2.2 減阻劑種類對減阻效果的影響

2011年3～4月，對阿獨線進行三批現(xiàn)場加劑試驗,分別加注等濃度的B型、C型、I型減阻劑,不同種類減阻劑減阻效果見圖3,對于同種原油I型減阻劑減阻效果稍優(yōu)。

圖3 2011年3～4月阿獨線減阻劑加劑過程趨勢

2.2.3 加劑濃度對減阻效果的影響

圖4 2013年4～5月烏鄯線加注C型減阻劑試驗過程

2.2.4 運行管道對減阻效果的影響

3 模型參數(shù)的確定

對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行分析,可知油品種類、運行管道的水力特性(即雷諾數(shù))以及加劑濃度等因素都會影響減阻效果,為降低管徑、黏度修正指數(shù)、降解率系數(shù)以及模型待定系數(shù)的求解難度,本文分別從原油管道與成品油管道兩方面來研究。

3.1 管徑與黏度修正

3.1.1 基準參數(shù)

模型中管徑與黏度修正需要一組基準值作為參數(shù)比擬,為使修正指數(shù)更符合現(xiàn)場實際,本模型選取現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)情況較好的管道與油品作為該基準值,具體取值如下:

原油管道:d0=795.6 mm;υ0=13×10-6m2/s;

成品油管道:d0=412 mm;υ0=3.683×10-6m2/s。

3.1.2 相對指數(shù)

相對管徑指數(shù)和相對黏度指數(shù)通過調(diào)試取得,使不同管道和不同黏度油品的試驗數(shù)據(jù)點在“雷諾數(shù)-減阻率”圖以及在“加劑體積濃度-減阻率”圖上排列在同一曲線附近。對于原油與成品油管道分別可得到表4中的相對指數(shù)值。

表4相對指數(shù)值

管道管徑相對指數(shù)黏度相對指數(shù)原油-0.31.2成品油00.3

3.2 降解率系數(shù)的求解

3.2.1 原油管道

對數(shù)據(jù)進行處理后,可分別得到管道上、下半段的平均減阻率,并使用此值反算降解率系數(shù),得到初值后,再通過適當微調(diào)使公式計算結(jié)果與實際值的平均誤差為最小。通過對阿獨線、庫鄯線、烏鄯線加劑數(shù)據(jù)分析,最后反算出的降解率系數(shù)見表5。

表5原油管道降解率系數(shù)列表

管道減阻劑類型降解率系數(shù)DRC/(1·km-1)阿獨線K型B型I型1.15×10-3+4.5×10-4×(Cn0-5)1.15×10-3+8.1×10-4×(Cn0-5)庫鄯線K型1.15×10-3+10.7×10-4×(Cn0-5)烏鄯線K型1.15×10-3+32.5×10-4×(Cn0-5) 注:Cn0為初始加劑體積濃度。

經(jīng)過調(diào)壓閥的降解率系數(shù),可以根據(jù)庫鄯線試驗的調(diào)壓閥壓降,上、下半段平均減阻率,同時考慮沿長度方向的降解率系數(shù)得到:DRC=3.32×10-2(1/MPa)

3.2.2 成品油管道

通過對獨烏線加劑數(shù)據(jù)分析,反算出降解率系數(shù)見表6。

表6成品油管道降解率系數(shù)

管道降解率系數(shù)DRC/(1·km-1)獨烏線(B型減阻劑FLO MXC)Cn0≤60.000 22Cn0>60.22×10-3+3.622×10-4×(Cn0-6)

3.3 模型待定系數(shù)的求解

3.3.1 減阻劑類型系數(shù)

通過比較加不同類型減阻劑的模擬結(jié)果與實際結(jié)果，可分別得到原油與成品油管道減阻劑類型系數(shù)的取值,結(jié)果見表7。

表7減阻劑類型系數(shù)

減阻劑類型減阻劑類型系數(shù)原油管道成品油管道K型1-B型0.6521I型0.97-

3.3.2 參數(shù)N、A、B

3.3.2.1 求解參數(shù)N值

此時雷諾數(shù)-減阻率關系為:

DR(Re)=C×ReN

(5)

對式(5)兩邊分別取對數(shù),得到：

ln(Re)=ln(C)+Nln(Re)

(6)

令X=ln(DR),Y=ln(Re),分別代入式(7)～(9)進行求解:

(7)

(8)

(9)

經(jīng)擬合可得:原油管道中N=1.061,成品油管道中N=0.404。

3.3.2.2 求解A、B值

此時加劑濃度-減阻率關系式變?yōu)?

(10)

4 模型參數(shù)的驗證及預測結(jié)果

前文已通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)相似性分析求得管徑、黏度的修正指數(shù)、降解率系數(shù)與模型待定參數(shù),下面將所得到的減阻效果預測模型用于原油與成品油管道分別進行參數(shù)驗證。

4.1 模型參數(shù)驗證

4.1.1 原油管道

從圖5可看出,通過回歸擬合得到的模型參數(shù)適用于原油管道在不同加劑濃度試驗下的應用情況,且與實際運行情況較為吻合,證明參數(shù)的準確度較高。

4.1.2 成品油管道

a)雷諾數(shù)與減阻率關系驗證結(jié)果

b)加劑濃度與減阻率關系驗證結(jié)果

a)雷諾數(shù)與減阻率關系驗證結(jié)果

b)加劑濃度與減阻率關系驗證結(jié)果

從圖6可以看出,通過回歸擬合法得到的模型參數(shù)適用于成品油管道在不同加劑濃度試驗下的應用情況,且與實際運行情況的吻合度也較高,以此證明參數(shù)的準確度較高。

4.2 模型預測結(jié)果

4.2.1 預測方法

得到減阻效果預測模型后,需要將模型的模擬情況與實際運行情況進行比對,來確定其實用性與精度。為避免實際運行中的測量誤差對具體運算造成影響,文中采取分步求解法,即將管段等分為N管段,求解每一管段的壓降與減阻率,然后疊加求出整個管道的壓降與減阻率,再將實際值與模擬值進行誤差比較。

具體實施模型驗證步驟邏輯見圖7。

圖7 模型驗證步驟邏輯

4.2.2 預測結(jié)果

4.2.2.1 原油管道預測結(jié)果

原油管道預測結(jié)果誤差見圖8。

4.2.2.2 成品油管道預測結(jié)果

成品油管道主要預測結(jié)果誤差見圖9。

從圖9可看出,在對現(xiàn)場加劑管道減阻效果進行預測時,與現(xiàn)場試驗情況相比本模型的誤差均在合理范圍內(nèi)波動。

將本模型與經(jīng)驗模型DR=K1[1-exp(-K2·Re)][1-exp(-K3·Cn)]分別應用于成品油管道加劑試驗的預測,并將預測結(jié)果與實際情況進行比對,結(jié)果見圖10。

a)平均減阻率誤差

b)沿程壓降誤差

a)平均減阻率誤差

b)沿程壓降誤差

圖10 本模型與經(jīng)驗模型減阻效果對比結(jié)果

5 結(jié)論

1)本文基于現(xiàn)有減阻效果預測仿真模型,根據(jù)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)進行管徑與黏度的相似性修正,分別得到各因素的修正指數(shù),提高模型適用范圍;通過線性回歸得到降解率系數(shù)DAC與模型待定系數(shù)A、B、N值后,可實現(xiàn)對成品油和原油管道加劑運行的減阻效果預測。

2)通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的分析可知,管道的流態(tài)、加劑濃度、減阻劑種類與運行管線的情況等都會影響減阻效果。