管道運行費用受流態(tài)變化的影響

邵文欣 大慶油田儲運銷售分公司

鑒于國內(nèi)生產(chǎn)原油的性質(zhì)，其運輸?shù)闹饕绞绞峭ㄟ^管道進行加熱輸送，在此方式下會出現(xiàn)特別大的能耗。以東北地區(qū)為例，管道直徑為720mm，設(shè)定運行的過程中為滿負(fù)載，每千公里管道上每年的熱能耗油量達到總運輸量的0.4%左右，因此，對原油管道輸送從理論方面探討流態(tài)變化顯得更為必要。

國內(nèi)生產(chǎn)的原油普遍存在易凝、高黏度的特點，在低溫下其流動性較差，為了對其流動性進行改善就需要通過加熱來升溫，以此降低原油黏度，減小原油和管內(nèi)壁之間的摩擦阻力。在管道內(nèi)，油流動過程中會出現(xiàn)沿管道軸向溫度降低的情況，這就需要提高進站油的油溫來保障運行過程的安全，提高的溫度為3~5℃，否則會發(fā)生凝管事故。但是，如果油溫處于凝點和反相點內(nèi)，其性質(zhì)不再符合牛頓內(nèi)摩擦定律，為非牛頓流體溫度范圍；同時還需要通過分區(qū)來對熱油管道摩阻進行計算，以此來確定是否將泵提供的壓能按同一流態(tài)計算[1-3]。所以，要想對管道運輸進行優(yōu)化計算，就需要對多管道原油在不同溫度下所處的流態(tài)變化進行探討，提供相關(guān)理論依據(jù)。

1 數(shù)學(xué)模型

在熱油運輸?shù)墓艿老到y(tǒng)中，泵運行電費以及油品加熱所需要的燃料費用構(gòu)成了運行費用，對管道系統(tǒng)進行優(yōu)化主要目的是減少其運行費用。在優(yōu)化管道運行費用前，首先要對相關(guān)數(shù)據(jù)進行確定，包括進出站原油的溫度、牛頓液體的長度、非牛頓液體的長度等，這些都是相關(guān)優(yōu)化的理論基礎(chǔ)。在對費用進行計算時，設(shè)定兩泵站之間不存在旁接輸油管道的情況。

油品加熱所消耗的燃料費用為MR

泵運行所需的費用為MP

兩者之和為熱油管道的總運行費用，即M=MR+MP。

其中，c(T)、ρ(T)是溫度為T時原油的比熱容密度，單位分別為kJ(kg·c)和kg/m3；QV是管道的體積流量，單位為m3/h；Ti和Ti+1分別為i段出站溫度和i+1段進站溫度，單位為℃；ER、EP為燃料價格和電費價格，單位分別為元/公斤和元/度；q是管道質(zhì)量流量，單位為kg/s；ηR、ηP分別為熱爐和泵的效率。

對流體的流態(tài)進行雷諾數(shù)Re判斷

對于非牛頓流體，其臨界雷諾數(shù)為ReMR

在上述公式中，d是管道內(nèi)徑，單位為m；γ是原油在T溫度時的黏度，單位為m2/s；n和k分別為非牛頓流體回歸系數(shù)。

在管線方向，各流態(tài)油流長度為

上式中，D、L分別為管道的外徑和總長，單位為m；Li、Li（i=1~3）分別為Ti~Ti+1油溫間的管道長度和各流態(tài)的油流長度，單位為m；K是站間傳熱系數(shù)，單位為kJ/（m2·h·c）；Td是沿線的平均溫度，單位為℃。

牛頓流體和非牛頓流體管段的摩阻損失分別為

Δh1、Δh2和Δh3分別為牛頓流體和非牛頓流體的紊流管段摩阻，單位為m；L1、L2、L3分別為流態(tài)1、2、3的油流長度，單位為m；qv是管道的體積流量，單位為m3/s；m和β是牛頓流體的流變系數(shù)；λ是沿程摩阻因數(shù)；v是管內(nèi)的油流平均流速，單位為m/s；g是重力加速度，單位為m/s2。

總摩阻損失為Δh=Δh1+Δh2+Δh3

對上述公式進行帶入運算可得到管道運行費用的數(shù)學(xué)模型。

對該模型按照圖1所示程序進行求解。

圖1 熱油管道運行費用數(shù)學(xué)模型求解程序

2 實際應(yīng)用分析

選取某一段熱油管道作為分析對象，基本情況如下：泵站之間的距離為132.433 km，該管道區(qū)域的地勢為平緩，可忽略站間的高度差，在出站處安裝4臺動力泵。出站的上限壓力為8MPa，出站油的溫度低于70℃，進站油的油溫高于27℃，油壓高于0.25MPa；管道的保溫材料為50mm厚的聚氨酯泡沫保溫材料，沿線的地溫平均值為18℃，兩站之間的傳熱系數(shù)為3.5 kJ/(h·c·m2)，設(shè)定電費價為1元/度，燃料為4元/公斤的價格，輸送的任務(wù)為147×104t/a。根據(jù)輸送任務(wù)和原油的物性對各參數(shù)進行確定，包括不同溫度下的流態(tài)管段長度和摩阻變化，再對最低費用方案進行計算。

對油溫和比熱容、油溫和密度、油溫和黏度之間的關(guān)系進行計算，將牛頓流體按黏溫曲線化分為兩個區(qū)（Ⅰ、Ⅱ區(qū)），油溫分別在42~60℃、33~42℃之間。對進站的油溫進行設(shè)定，隨著溫度的降低，牛頓流體Ⅰ區(qū)會縮短，牛頓流體Ⅱ區(qū)以及非牛頓流體的層流區(qū)和紊流區(qū)的油流長度加長。在曲線的平緩程度上，牛頓流體Ⅰ區(qū)比其他三個區(qū)的斜率更加明顯，非牛頓流體的層流區(qū)最為平緩，其長度變化程度也較小。在摩阻方面，隨著溫度逐漸降低，變化最明顯的是非牛頓流體紊流段，為較陡的曲線，而牛頓流體紊流段則呈線性變化，曲線斜率變化較為平緩；非牛頓流體層流段則受溫度的影響不大。如果將出站的油溫設(shè)定在固定值，尋求最低運行費用時，進站的溫度越低越好，如果設(shè)定進站油溫在固定值，則隨著出站油溫的降低，管道的運行費用會逐漸減少，在此基礎(chǔ)上對最佳方案進行確定。在本次所選管段中的最優(yōu)化方案為進站油溫27℃，出站溫度56℃，牛頓流體Ⅰ區(qū)油流長度為42 678.5m，牛頓流體Ⅱ區(qū)油流長度為43 176.1m，非牛頓紊流區(qū)油流長度為38 832.0m，非牛頓層流區(qū)油流長度為7 746.2m，運行費用為1 504.1元/h。

3 結(jié)語

隨著熱油的輸送，黏度、密度和比熱容都會不停的發(fā)生變化，對管道運行情況進行分析就要對牛頓流體和非牛頓流體的摩阻損失、管段長度進行分析。再對各個參數(shù)進行綜合計算，對運行費用的變化規(guī)律進行分析，以尋求更接近實際情況的數(shù)據(jù)，得到最優(yōu)化的運行方案。

[1]于濤，鄧中華，郭曄，等．石空—蘭州含蠟原油管道運行方案優(yōu)化[J]．油氣儲運，2014，33（3）：332-334.

[2]高輝，李宏偉．油氣長輸管道的運行管理[J]．油氣田地面工程，2014，33（1）：75-76.

[3]李小月，劉德俊，馬焱，等．含蠟熱油管道結(jié)蠟區(qū)對整體運行工況的影響[J]．油氣儲運，2014，33（1）：46-49.