于進(jìn) 張永斌 杜炘潔 張建昌

1中油國(guó)際管道公司

2中國(guó)石油西南油氣田公司安全環(huán)保與技術(shù)監(jiān)督研究院

3中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田第三輸油處

某原油罐區(qū)儲(chǔ)罐（單罐容量10×104m3）是連接海運(yùn)與陸運(yùn)的中轉(zhuǎn)點(diǎn)，在海外原油管道項(xiàng)目中有著極其重要的作用，隨著2015年第一艘油輪的卸載，原油儲(chǔ)罐逐漸進(jìn)入投產(chǎn)試運(yùn)階段[1-2]。結(jié)合首艘油輪靠港投用儲(chǔ)罐的實(shí)際情況，在投產(chǎn)過程中存在儲(chǔ)罐浮盤或附件滲油需要油輪停泵的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，以及延長(zhǎng)油輪靠泊時(shí)間而造成的經(jīng)濟(jì)損失。鑒于油輪靠港“空罐”投產(chǎn)存在的問題，研究靜壓倒罐投產(chǎn)技術(shù)的可行性，對(duì)于當(dāng)前原油儲(chǔ)罐安全平穩(wěn)投產(chǎn)試運(yùn)行有著一定的實(shí)際意義。

1 靜壓倒罐投產(chǎn)

靜壓倒罐投產(chǎn)主要利用該罐區(qū)已投用的11#和12#油罐中13.5×104t原油，通過流程導(dǎo)通、閥門控制流量的方式，利用靜壓逐一將4#～10#油罐投產(chǎn)（1#～3#罐作為儲(chǔ)水備用），使單罐液位達(dá)到2.0 m浮盤浮起，罐區(qū)進(jìn)油方位工藝流程見圖1，倒灌投產(chǎn)流程順序見表1。

表1 倒罐投產(chǎn)流程Tab.1 Production flow of reladling

具體步驟如下：

（1）利用11#油罐液位靜壓逐一對(duì)5#、7#、9#罐進(jìn)行靜壓倒罐操作。

（2） 利用 12#油罐液位靜壓逐一對(duì) 4#、6#、8#、10#罐進(jìn)行靜壓倒罐操作。

（3）靜壓倒罐作業(yè)期間，通過減小閥門開度來控制進(jìn)口管線流速。

圖1 罐區(qū)進(jìn)油方位工藝流程Fig.1 Process flow of oil-taking direction

（4）倒罐投產(chǎn)作業(yè)時(shí)，按照由遠(yuǎn)到近的順序進(jìn)行倒罐作業(yè)。

2 靜壓倒罐時(shí)間分析

2.1 油罐進(jìn)口管線瞬時(shí)流速計(jì)算

利用油罐自身靜壓進(jìn)行倒罐時(shí)，進(jìn)口管線中油品進(jìn)入油罐的速度會(huì)逐漸降低，將11#或12#罐中的油品與進(jìn)油油罐（4#～10#）進(jìn)口管線中的油品建立為一個(gè)整體的水力系統(tǒng)，在考慮沿程摩阻和管件局部摩阻損失的情況下（由于閥門在不同開度時(shí)的摩阻系數(shù)很難確定，因此假設(shè)控制閥門處于全開狀態(tài)），建立11#或12#罐油品表面處（以“1”代表該處位置）和進(jìn)油油罐（4#～10#）進(jìn)口管線處（以“2”代表該處位置）的水力平衡方程，根據(jù)伯努利方程[3]可得：

式中：v1為倒罐作業(yè)時(shí)11#或12#罐中油品表面的下降速度，m/s； v2為倒罐作業(yè)時(shí)進(jìn)油油罐（4#～10#） 進(jìn)口管線的油品流速，m/s； p1為11#或12#罐中油品表面的絕對(duì)壓力，Pa； p2為進(jìn)油油 罐 （4#～10#） 進(jìn) 口 管線出口處的絕對(duì)壓力，Pa； H1為 11#或 12#罐中油面的高度，m；H2為進(jìn) 油 油 罐 （4#～10#） 進(jìn)口管線處油品與該罐內(nèi)油品表面的液位差，m；ρ為油品密度，kg/m3； g為重力加速度，9.8 m/s2；hf為沿程摩阻損失，m；hj為局部摩阻損失，m。

式中：λ為沿程摩阻系數(shù)[4-5]，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算，本文取0.016；l為進(jìn)口管線長(zhǎng)度，m；d為進(jìn)口管線內(nèi)徑，m。

式中ζ為局部阻力系數(shù)[6-7]（管線進(jìn)出口、彎頭、三通等處均會(huì)產(chǎn)生局部阻力），阻力系數(shù)值可查閱《油庫(kù)設(shè)計(jì)與管理》[8]得到。

因此，根據(jù)公式（1）可計(jì)算出倒罐過程中11#或12#罐在不同液位時(shí)，進(jìn)油油罐進(jìn)口管線的瞬時(shí)流速v2

以12#罐向4#罐倒罐為例：

（1）倒罐開始時(shí)12#罐液位為15.86 m，4#罐液位為0，根據(jù)公式（4）計(jì)算出4#油罐進(jìn)口管線的瞬時(shí)流速 v2(1)。

（2）倒罐至4#罐液位為1.5 m時(shí)（油品與油罐浮盤剛接觸），12#罐液位為14.36 m，根據(jù)公式（4）計(jì)算出4#油罐進(jìn)口管線的瞬時(shí)流速 v2(2)（而接觸后水力情況復(fù)雜，無法計(jì)算流速）。

2.2 單罐靜壓倒罐時(shí)間預(yù)測(cè)

倒罐時(shí)間t的估算可分為兩個(gè)階段：

（1）第一階段t1。油罐液位由0上升至1.5 m時(shí)，所用時(shí)間t1可近似采用流速平均的方法[9]進(jìn)行計(jì)算。

式中：v2(1)為倒罐開始時(shí)，油罐進(jìn)口管線的瞬時(shí)流速，m/s；v2(2)倒罐至進(jìn)油罐液位為1.5 m時(shí)油罐進(jìn)口管線的瞬時(shí)流速，m/s；V卸油為倒罐期間11#或12#罐的卸油量，該值可查閱罐11#或12#的罐容標(biāo)定表計(jì)算得到，m3； S進(jìn)口管線為油罐進(jìn)口管線橫截面積，m2。

（2）第二階段t2。油罐液位由1.5 m上升至浮盤被完全托起（至2 m）期間，油品與浮頂接觸，由于存在摩擦和浮盤重力的影響，該階段用時(shí)t2參考罐11#、12#在1月進(jìn)行投產(chǎn)進(jìn)油時(shí)浮盤浮起時(shí)間，約為4 h。

綜上所述，單罐進(jìn)油時(shí)間t=t1+t2。

由于閥門在不同開度時(shí)其阻力系數(shù)難以確定，現(xiàn)假設(shè)控制閥門全開，可計(jì)算得到各罐倒罐的近似時(shí)間。表2為儲(chǔ)罐11#、12#倒罐時(shí)各罐進(jìn)口管線內(nèi)油品流速及時(shí)間預(yù)測(cè)，表中涉及的計(jì)算參數(shù)（如油品黏度、倒罐管線長(zhǎng)度、直徑等）均來自初設(shè)文件和施工設(shè)計(jì)文件。

3 閥門開度控制措施

在本單罐靜壓倒罐時(shí)間預(yù)測(cè)中，各罐進(jìn)油流速是在假設(shè)控制閥全開的情況下進(jìn)行計(jì)算的，但根據(jù)《立式圓筒形鋼制焊接油罐操作維護(hù)修理規(guī)程》[10]中的要求，新罐進(jìn)油時(shí)液位上升速度不高于0.3 m/h（1 500 m3/h），即單罐進(jìn)油時(shí)進(jìn)口管線流速應(yīng)小于0.8 m/s，以防止靜電荷的大量累積。而按照單罐靜壓倒罐時(shí)間預(yù)測(cè)方法，控制閥全開時(shí)計(jì)算得到的流速均大于0.8 m/s，因此，此次倒罐操作必須控制閥門開度和流速。

查閱該閘閥的產(chǎn)品說明書《成都乘風(fēng)閘閥產(chǎn)品說明書》，根據(jù)閘閥的開度-流量特性曲線可知，當(dāng)閥門的開度為20%時(shí)，流量系數(shù)約為全開狀態(tài)的10%，此時(shí)流速會(huì)得到有效控制。實(shí)際操作時(shí)，以罐12#向罐4#倒罐為例，控制方法如下：

（1）將0212閥的開度控制在20%。

（2）進(jìn)油0.5 h后關(guān)閉0212閥，根據(jù)進(jìn)油總量核算進(jìn)口管線平均流速。

式中：V卸油為進(jìn)油0.5 h期間12#罐卸油量，該值可查閱罐12#的罐容標(biāo)定表計(jì)算得到，m3； t卸油為進(jìn)油時(shí)間0.5 h，即1 800 s。

表2 原油儲(chǔ)罐11#、12#倒罐時(shí)各投產(chǎn)罐進(jìn)口管線內(nèi)油品流速及時(shí)間預(yù)測(cè)Tab.2 Prediction of pipeline oil flow speed and time at the inlet pipeline of 11#and 12#tank when reladling

（3）如果平均流速小于0.8 m/s，繼續(xù)將0212閥開度控制在20%（如果流速很小，可按5%的幅度增大閥門開度）。

（4）如果平均流速大于0.8 m/s，按5%的幅度減小0212閥開度，0.5 h后按照公式（6）再次進(jìn)行核算，直至滿足條件。

（5）流速得到有效控制后，根據(jù)單罐靜壓倒罐時(shí)間預(yù)測(cè)方法，計(jì)算12#罐中剩余油品倒罐所需時(shí)間。

4 結(jié)論及建議

通過對(duì)該罐區(qū)儲(chǔ)罐靜壓倒罐投產(chǎn)方案的制定，并理論計(jì)算靜壓狀態(tài)下油品倒罐流速，結(jié)合閥門產(chǎn)品說明書確定了閥門控制的具體措施，使進(jìn)口管線的原油流速控制在規(guī)程允許范圍內(nèi)。結(jié)合本文研究，得出如下結(jié)論和建議：

（1）根據(jù)理論計(jì)算，控制閥全開狀態(tài)下流速大于規(guī)程中要求的0.8 m/s，投產(chǎn)操作期間需嚴(yán)格按照閥門開度控制措施進(jìn)行閥門控制。

（2）在結(jié)合設(shè)備說明書的基礎(chǔ)上，需編制閥門開度控制流量記錄表格，每0.5 h記錄投產(chǎn)罐進(jìn)油量，核對(duì)并調(diào)節(jié)原油流速。

（3）單罐逐一投產(chǎn)，并做好記錄，確定投產(chǎn)過程中閥門開度與流量的控制關(guān)系，為后續(xù)儲(chǔ)罐投產(chǎn)提供依據(jù)。

（4）靜壓倒罐投產(chǎn)期間還應(yīng)做好儲(chǔ)罐浮盤及附件的檢查工作。

（5）該罐區(qū)原油儲(chǔ)罐靜壓倒罐投產(chǎn)技術(shù)可降低油輪及儲(chǔ)罐卸載投產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)，具有一定的借鑒意義。