超稠油摻柴油集輸水力及熱力耦合模型研究

劉麗艷，王 岳，王 升，杜義朋, 張國軍，趙振智

(1. 遼寧石油化工大學石油天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001； 2. 中石油天然氣管道局， 河北 廊坊 065000)

超稠油又稱特重原油，一般指相對密度大于0.98的原油[1]。超稠油因其儲量巨大, 對其開發(fā)有重要的意義。但由于超稠油密度大，粘度高，對于開采，輸送和加工都存在諸多困難。國內(nèi)外現(xiàn)有的稠油輸送工藝，難以從根本上解決超稠油長距離安全經(jīng)濟輸送的問題。目前，國內(nèi)外常用的稠油降粘方法有：加熱法，稀釋法，摻熱水或活性水法，乳化降粘法，低粘液環(huán)法等。對于有方便且充足的稀油來源的油田而言稀釋降粘法比較適合超稠油輸送工藝。例如新疆鳳城油田有較大的稠油儲量，而附近的克拉瑪依石化煉油廠又有較大的煉油能力[3], 作為稀釋劑的柴油可以通過克拉瑪依石化公司獲得，同時又可以實現(xiàn)循環(huán)利用，因此，輕柴油最適合作為鳳城超稠油管道輸送的稀釋劑，這樣既有效解決超稠油長距離管道外輸?shù)膯栴}，又滿足了下游克拉瑪依石化公司的加工工藝要求。

超稠油摻柴油輸送過程中,混合油流動特性受到流體粘度，密度，及稀油摻入量的影響。并且混合油的粘度與溫度、稀油摻入量呈非線性關(guān)系。為了更好的掌握混合油管輸過程中的流動性，本文將混合油的物性與稀油摻入量相結(jié)合，建立了溫度與壓力的計算模型，并進行求解。

1 耦合計算模型及求解

混合油流動的系統(tǒng)方程有壓力和溫度剖面方程兩部分組成，混合油為不可壓縮流體，假設(shè)混合油輸送為一維、穩(wěn)態(tài)流動。

1.1 溫度方程

穩(wěn)定工況下，混合油管線微元段dl的能量平衡方程為：

式中:K—管道總傳熱系數(shù),W/(m2·℃)；

D—管道外徑,m；

T—dl微元段的油溫,℃；

T0—管道周圍介質(zhì)溫度,℃；

G—混合油質(zhì)量流量,kg/s；

c—平均溫度下dl微元段流體的比熱容,J/(kg·℃）；

dT—dl微元段由于散熱產(chǎn)生的溫降,℃。

設(shè)總傳熱系數(shù)K為常數(shù)，忽略水利坡降i沿管長的變化，對（1）分離變量后積分求得沿程溫降公式[2]：

TL—距管線起點L處流體的溫度,℃；

TR—管線起點流體溫度,℃；

T0—管道周圍介質(zhì)溫度,℃。

1.2 壓力方程

管線總壓力損失計算公式為：

通過混合油的物性參數(shù)計算出雷諾數(shù) Re并判斷出流態(tài)確定β值以后，根據(jù)公式求出出站壓力

1.3 混合油物性參數(shù)計算

1.3.1 混合油密度

假設(shè)柴油摻入稠油后密度分布均均勻混合油密度由以下公式確定

式中: φ—混有種輕質(zhì)油質(zhì)量分數(shù)；

ρy—稠油密度，kg/m3；

ρw為輕質(zhì)柴油密度，kg/m3。

1.3.2 混合油粘度

由于本文參考新疆鳳城油田超稠油物性參數(shù)進行計算，根據(jù)文獻[3]指出在處理溫度為80～90 ℃條件下?lián)饺胼p柴油質(zhì)量分數(shù)為 20%～25%時混合油具有較好的流動性和可泵送性，故根據(jù)文獻[4]選用如下公：

式中: μm為混合油粘度，MPa·s；ui為每種油粘度，本文指超稠油和柴油，MPa·s，其中超稠油粘度由文獻[5]給出的鳳城特稠油粘度計算公式η=1012.0878T?4.7468算出，柴油粘度取0#柴油粘度 ；Xi為混合油中每種油體積比；μ1／2為質(zhì)量或體積比為1∶1的混合油粘度，MPa·s, 由實驗測得；將混合油中摻入不同量的稀油后粘度的實測數(shù)據(jù)與公式（5）計算所得值作對比如表1。

表1 實測粘度值與公式計算粘度值對比及誤差Table 1 The measured viscosity value compared with the viscosity value formula and error

由表 1可以看出該計算公式結(jié)果有較高的精度，可用性比較高。

1.3.3 混合油比熱容

混合油比熱容計算公式為:

式中:cy—稠油比熱容，J/(kg·℃);

cw—輕柴油比熱容，J/(kg·℃);

1.3.4 總傳熱系數(shù)K

根據(jù)實測管道運行參數(shù)，由軸向溫降公式計算管道的總傳熱系數(shù)[6-7]由各個工況下流量值反算K：

式中：TR—出站溫度，℃；

Tz—進站溫度,℃。

1.4 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的選取

(1)設(shè)計輸量由大于最低安全起輸量開始選?。?/p>

(2)管道周圍環(huán)境溫度T0取0 ℃；

(3)首站進站壓力Pz取6 MPa ，首站進站溫度Tz取80 ℃；

(4)管道總長度L為100 km；

(5)管道直徑取DN350管徑。

1.5 耦合模型求解

用迭代法求解上述溫度及壓力的非線性方程，對管線進行網(wǎng)格劃分，給各個網(wǎng)格節(jié)點分配溫度和壓力變量值。計算步驟如下

（1）假設(shè)出口一個網(wǎng)格的溫度及壓力值分別為Ti和Pi，已知上游溫度壓力值分別為T0, P0；該節(jié)點平均溫度及平均壓力分別為

（2）利用平均溫度及平均壓力值求出混合流體各項物性參數(shù)，并通過迭代法求出Ti和Pi，將計算結(jié)果與以上假設(shè)值對比，如果差值比限定的要大，需要用所求出的Ti、Pi繼續(xù)迭代，直到收斂。

（3）對下一節(jié)點用同樣的方法進行迭代，直到最后全部收斂。

2 計算結(jié)果

由上述耦合模型及求解方法編制了計算仿真軟件，計算得到不同混輸流量下的管線終點溫度及壓力值，并將仿真計算結(jié)果與新疆鳳城油田某稠油輸送區(qū)段現(xiàn)場實測值進行了對比，如圖1、2所示。

圖1 管線終點溫度值仿真計算與現(xiàn)場實測值對比Fig.1 Comparison of simulated value and measured value of pipe end point temperature

圖2 管線終點壓力值仿真計算與現(xiàn)場實測值對比Fig.2 Comparison of simulated value and measured value of pipe end point pressure

由于計算過程中沒有考慮到現(xiàn)場管線起伏情況，是按照水平管進行計算，并且集輸管道中會有少量天然氣影響管路壓降，使得計算結(jié)果可能會與實測結(jié)果有一定偏差。

3 結(jié) 論

（1）在能量守恒的基礎(chǔ)上，推導出超稠油摻柴油管道輸送的壓力及溫度方程，并用迭代法進行了求解。該計算結(jié)果能較好的反應(yīng)稠油摻柴油技術(shù)管道的水力及熱力特性，為其運營管理提供理論指導。

（2）由圖2可已看出管道中的流量與終點進站壓力基本上成線性關(guān)系，即該流動為層流，該結(jié)論在進行摩阻系數(shù)和雷諾數(shù)的計算中也得到了證實。

（3）混合油粘度與摻稀油量及溫度呈非線性關(guān)系，因此它是計算混油管輸過程中壓降和溫降的主要參數(shù)。

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