機(jī)動(dòng)管線輸送高黏度油料的研究

劉 剛 趙 偉 虞鵬程

中國人民解放軍92117部隊(duì)，北京 100072

0 前言

我國有相當(dāng)數(shù)量的艦船采用高黏度的燃料油為主動(dòng)力，戰(zhàn)時(shí)若碼頭被破壞，則須利用機(jī)動(dòng)管線將燃料油輸送到岸灘進(jìn)行機(jī)動(dòng)保障。 因此無論是大批量運(yùn)輸，還是無碼頭補(bǔ)給，機(jī)動(dòng)輸送高黏度油料都是不可或缺的保障手段。 高黏度油料在低溫和常溫下黏度大（某種燃料油的黏溫曲線見圖1），特別是在低溫下，基本處于凝固狀態(tài)，若不經(jīng)加熱，根本無法輸送。 相對于輕質(zhì)油料，高黏度油料的機(jī)動(dòng)輸送有許多新問題有待研究。

圖1 某種燃料油的黏溫曲線

1 熱力過程與水力過程的耦合

高黏度油料輸送涉及到流量選擇，沿途加熱站和泵站設(shè)置需求，加熱站出口油溫、功率和站距確定等一系列問題。 所有這些問題都與管道沿程的熱能損失和壓能（摩擦阻力）損失情況密切相關(guān)。 熱能損失是這兩種能量損失中的主要因素，因?yàn)閴耗軗p失的大小決定于油料的黏度， 而黏度的大小則取決于油料的溫度。 在熱力過程中，油品溫度的變化既是原因，又是結(jié)果，是問題的關(guān)鍵所在，為此需要確定管線沿程的溫度分布。 然而，熱油管道輸送是一個(gè)復(fù)雜的熱力過程、水力過程耦合問題，加之機(jī)動(dòng)管線在地面鋪設(shè)，沒有任何保溫措施，受外界環(huán)境影響大，因而需要定量分析各種影響因素， 綜合分析液體流動(dòng)的熱力過程、水力過程耦合問題，精確計(jì)算油品沿管道流動(dòng)的溫降和壓降。

熱油管道輸送是一個(gè)熱力和水力的漸變過程，由于沿程油品溫度不斷變化，油品的密度、黏度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)等物性參數(shù)都在變化，并導(dǎo)致管線的水力坡降、摩擦熱、散熱狀況發(fā)生變化。 這些因素相互影響， 形成了極為復(fù)雜的熱力過程與水力過程耦合關(guān)系，見圖2。

圖2 熱油管道熱力過程與水力過程耦合關(guān)系

由于熱力過程和水力過程的各個(gè)參數(shù)都在變化，實(shí)際計(jì)算時(shí)只能將整條管線分成小段， 取平均油溫逐段計(jì)算。在一小段管線上，熱油沿程溫度TL計(jì)算式為［1］：

式中：T0為環(huán)境溫度，℃；T1為管線起點(diǎn)油溫，℃；L 為管線長度，m；e 為自然對數(shù)。

式中：K 為輸送管線總傳熱系數(shù)，W/（m·℃）；D 為管道外直徑，m；Q 為輸送流量，m3/s；i 為水力坡降，MPa/m；ρ 為油品密度，kg/m3；c 為油品比熱容，J/（kg·℃）；g 為重力加速度，m/s2。

2 輸送流量和溫降的關(guān)系

以式（1）為基礎(chǔ)，對管徑為150 mm 的鋼質(zhì)機(jī)動(dòng)管線在不同環(huán)境溫度下和不同流量時(shí)輸送高黏度油品的熱力過程和水力過程進(jìn)行了計(jì)算。 在管線起始段，油溫較高，溫降較快，管線分段較多。 隨著油料溫度的降低，管線的溫度變化愈來愈小，為適當(dāng)加快計(jì)算進(jìn)程，可取較長管段來計(jì)算，數(shù)值計(jì)算流程見圖3。該計(jì)算流程可隨油料初始溫度和管線長度的不同，選取不同長度的基本步長作為初始計(jì)算步長， 然后隨著油溫的降低， 計(jì)算步長以基本步長為單位依次遞增。

管線流量為150 m3/h， 起點(diǎn)泵出口油溫為50 ℃時(shí)，管線在不同環(huán)境溫度下的溫降（風(fēng)速均取5 m/s）見圖4。 起點(diǎn)泵出口油溫為50 ℃、環(huán)境溫度為-10 ℃時(shí)，不同輸送流量下管線的溫降見圖5。 從計(jì)算的結(jié)果來看，采用機(jī)動(dòng)管線輸送高黏度油品，在露天敷設(shè)、不采取保溫措施和不進(jìn)行接力加熱的情況下，熱油沿程溫降和壓降均較快。 在冬季寒冷地區(qū)，當(dāng)輸送起點(diǎn)油溫為50 ℃時(shí)，一般只能輸送5～8 km。

圖3 熱油管道熱力、 水力耦合分段計(jì)算流程

圖4 環(huán)境溫度不同時(shí)管線溫降

圖5 輸送流量不同時(shí)管線溫降

加熱輸送時(shí)，流量越大，輸送相同距離時(shí)的溫降越小。 另外，式（1）中b 具有溫度量綱，反映了系統(tǒng)的壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮軙r(shí)給油料帶來的溫升。 由式（2）、（3）可知，b=g iQρ/KπD，故b∝Q3－mυm（υ 為油品黏度，m 為流態(tài)指數(shù)），這表明當(dāng)輸送流量和油品黏度較大時(shí)，摩擦熱的影響則較大。 全長1 287 km 阿拉斯加原油管道（管徑為1 220 mm）就利用了這一特性。 該管線設(shè)計(jì)流速達(dá)3.5 m/s（遠(yuǎn)高于經(jīng)濟(jì)流速），原油出井溫度約為71 ℃，全線僅利用流動(dòng)摩擦熱和良好的管道保溫，則可使這條大部分位于北極圈內(nèi)的管道油溫保持在62 ℃左右［2］。 我國的一些原油管道摩擦熱供熱約占加熱站供熱的10%～15%［3］。

雖然理論上增大流量可以延長輸送距離，但流量增加時(shí)，管線的摩擦阻力損失也迅速增大（水力坡降與流量近似成二次方的關(guān)系）， 由于上游泵站的排出壓力和管道的工作壓力有限，因此，試圖通過增大流量來延長輸送距離并不可行。 此外，從輸送經(jīng)濟(jì)性考慮，增大流量也會(huì)加大能耗［4］。

3 野戰(zhàn)管線保溫的必要性

由于裸露管線的傳熱系數(shù)大， 散熱是主要問題，而增加保溫層可大大減小傳熱系數(shù)，顯著降低輸送熱油時(shí)的熱量損失。 因此，研制出易于使用的機(jī)動(dòng)管線保溫材料則可事半功倍。 對于裸露管線，只需一定厚度的保溫層，其傳熱系數(shù)即可平均降低60%以上。本文對-15 ℃時(shí)某種軟質(zhì)管線在增加保溫層前后的溫降進(jìn)行了計(jì)算，發(fā)現(xiàn)增加6 mm 保溫層后，2 000 m 管線的溫降減少了64%，壓降減少了27%，見表1。

此外，輸油中斷后，由于管內(nèi)燃料油不流動(dòng)，其溫度降低很快，故需及時(shí)進(jìn)行掃線排空。 如不對管線進(jìn)行保溫處理，燃料油會(huì)在管內(nèi)凝結(jié)，影響再次輸送。

4 輸送工藝

4.1 長距離接力輸送方式

由于高黏度油料輸送時(shí)摩擦阻力大，壓力降低快（經(jīng)計(jì)算，150 mm 管線輸送高黏度油品， 在平均油溫25 ℃時(shí)，平均壓降為0.5～0.6 MPa/km），按現(xiàn)有的機(jī)動(dòng)管線工作壓力，鋼質(zhì)管線輸送距離≤5 km，軟質(zhì)管線輸送距離≤3 km。 而低溫條件下由于溫降迅速，輸送距離進(jìn)一步減少。 綜合考慮管線的壓降和溫降，高黏度油料野戰(zhàn)輸送的站距一般為鋼質(zhì)管線3～5 km，軟質(zhì)管線2～3 km。因此，對于高黏度油品野戰(zhàn)輸送，即使距離不太長，往往也需要接力輸送。 接力輸送不僅要設(shè)置增壓泵站，同時(shí)還需要設(shè)置加熱站。

表1 150 mm軟質(zhì)管線的溫降和壓降

長距離管線一般采用“從泵到泵” 的閉式輸油方式，這種泵站流程簡單，沒有大呼吸油料損耗，但因全線構(gòu)成統(tǒng)一的水力系統(tǒng)，各泵站工況相互影響，對管線運(yùn)行管理、自動(dòng)調(diào)節(jié)和安全保護(hù)要求高。高黏度油料采用容積泵輸送，容積泵的流量只同泵轉(zhuǎn)速有關(guān)，與泵下游管線阻力無關(guān)， 不具有離心泵輸油時(shí)流量—壓力自我調(diào)節(jié)功能， 故接力輸送不能采用閉式輸油方式。 因此，高黏度油料的野戰(zhàn)接力輸送宜采用“旁接油罐”方式，利用旁接油罐調(diào)節(jié)上下兩泵站的流量差，隔斷上下游輸油聯(lián)系，降低調(diào)控操作難度，提高輸油安全性。 調(diào)節(jié)油罐可采用軟體油罐，便于野戰(zhàn)條件下運(yùn)輸、展開和撤收。

4.2 暫停輸送和排空

停輸一定時(shí)間后，管線內(nèi)燃料油在低溫下會(huì)很快凝結(jié)，影響下一次輸油。 避免停輸后管線中油料凝結(jié)的辦法有兩種， 一種是對輸油管線進(jìn)行伴熱和保溫，維持管線中油料的溫度。 根據(jù)計(jì)算，不加保溫層的陸上軟管停輸15 min 后， 管內(nèi)燃料油溫度將從20 ℃降至10 ℃，即使加保溫層后，保溫時(shí)間也很有限。 如要達(dá)到長時(shí)間保溫，必須通過加熱設(shè)備對軟管進(jìn)行伴熱保溫，這對于野戰(zhàn)管線基本不具備可行性。 另一種是在管線內(nèi)燃料油凝結(jié)前將其排空，必要時(shí)還可短時(shí)間輸送柴油來沖洗管線，以便將管線中的燃料油徹底排空。 目前機(jī)動(dòng)輸送采用排空的方法避免停輸后油料凝結(jié)，但鑒于燃料油管線排空操作復(fù)雜，難以完全排凈，排出來的油料裝運(yùn)不便，因此，高黏度油料野戰(zhàn)輸送應(yīng)盡量避免暫停輸送，必要時(shí)可采取減小流量等措施保持輸送不間斷。

4.3 加熱溫度

燃料油加熱輸送時(shí)，加熱溫度不宜過高。 原因一是由于其粘溫特性呈指數(shù)曲線特性，燃料油＜20℃時(shí)，其黏度隨溫度變化很快，隨著溫度進(jìn)一步升高，黏度降低趨于平緩；二是加熱溫度越高，燃料油與外界環(huán)境溫差就越大，散熱就越快，因此，試圖通過提高加熱溫度來提高管道上的平均油溫和增加輸送距離，只能是事倍功半。 根據(jù)燃料油的粘溫特性，綜合考慮輸送流量、壓力、距離、能耗等方面的因素［5］，燃料油野戰(zhàn)加熱輸送時(shí)， 加熱溫度應(yīng)使管線的平均油溫為25 ℃左右，按照前面分析的站距，起點(diǎn)油溫加熱至30 ℃左右即可。但在輸送距離≤2 km 時(shí)，為增大流量，可采用較高的油溫輸送，如海上航行補(bǔ)給時(shí)，為增大補(bǔ)給流量，燃料油常要求加熱至40 ℃以上。

5 結(jié)論

采用機(jī)動(dòng)管線輸送高黏度油料是一個(gè)復(fù)雜的熱力和水力耦合過程， 選擇適當(dāng)?shù)妮斔凸に囍陵P(guān)重要。采用熱力過程和水力過程耦合分段計(jì)算法可以快速、準(zhǔn)確地計(jì)算出無保溫機(jī)動(dòng)管線輸送高黏度油料的沿程溫降，得出輸送過程中各參數(shù)的相互關(guān)系，從而對機(jī)動(dòng)管線輸送高黏度油料時(shí)的輸量、泵站和加熱站距等工藝問題進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，既減少輸送能耗，又保證管線系統(tǒng)較高的機(jī)動(dòng)性。

［1］ 楊筱蘅，張國忠. 輸油管道設(shè)計(jì)與管理［M］. 北京：石油大學(xué)出版社，1996.52-75.

［2］ 梁翕章，唐智圓. 世界著名管道工程［M］. 北京：石油工業(yè)出版社，1994.130-133.

［3］ 鄧松圣，蒲家寧. 成品油管道輸送油品溫升分析［J］. 油氣儲(chǔ)運(yùn)，1997，16（2）：7-8.

［4］ 孟振虎. 埋地?zé)嵊凸艿绖?dòng)態(tài)熱經(jīng)濟(jì)性——應(yīng)用及誤差分析［J］. 天然氣與石油，2008，26（1）：1-4.

［5］ 謝 英，袁宗明，許溯倫，等. 只有首泵站熱油管道的最低交接溫度研究［J］. 天然氣與石油，2008，26（1）：2-8.