含蠟原油管道安全經(jīng)濟清管周期模型的建立與計算分析＊

田 震 敬加強 靳文博 趙紅艷 王雷振

（西南石油大學(xué)油氣消防四川省重點實驗室 四川成都 610500）

含蠟原油管道安全經(jīng)濟清管周期模型的建立與計算分析＊

田 震 敬加強 靳文博 趙紅艷 王雷振

（西南石油大學(xué)油氣消防四川省重點實驗室 四川成都 610500）

在滿足安全運行的基礎(chǔ)上，以動力費用、熱力費用及清管費用的總和為目標(biāo)函數(shù)，建立了含蠟原油管道安全經(jīng)濟清管周期模型。基于中寧—銀川輸油管道清管后的運行數(shù)據(jù)，分析了不同進站溫度、輸量和余蠟厚度對管道安全經(jīng)濟清管周期的影響，結(jié)果表明：進站溫度的升高會使管道運行日平均費用增加和清管周期延長，輸量的增加會使管道運行日平均費用降低和清管周期縮短；進站溫度為16、18℃時預(yù)留的余蠟厚度為0.4～0.6 mm，進站溫度為14℃時可以不預(yù)留余蠟厚度；不同進站溫度及輸量下余蠟厚度對清管周期的影響規(guī)律基本一致，即清管周期均是隨著余蠟厚度的增加而逐漸縮短，且進站溫度改變時余蠟厚度對清管周期影響的變化較顯著。

含蠟原油管道；清管周期；安全經(jīng)濟；計算模型；影響因素

對于凝固點高、粘度大、流動性差的含蠟原油，一般采用加熱輸送工藝，但是這種輸送工藝普遍存在輸油能耗高、輸量變化范圍小及停輸再啟動困難等缺點。這是因為，含蠟原油在加熱輸送過程中會在管壁處形成蠟沉積層，使得管道的流通截面減小、摩阻增大、輸送能力降低，增大了管道輸送的安全隱患［1－3］。當(dāng)蠟沉積增長到一定程度后，如果保持輸量基本不變，則管道的動力消耗將增加，總傳熱系數(shù)將減小。為了恢復(fù)管道的輸送能力，降低含蠟原油加熱輸送的單位能耗，就必須在管道運行一段時間后進行清管，因此確定安全經(jīng)濟的清管周期就顯得尤為重要。

國內(nèi)對于含蠟原油管道清管周期的確定至今尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，實際操作中有時根據(jù)管道壓降變化來確定，但此種方法常會造成管道運行熱力或動力的浪費［4－5］。管道清蠟后，摩阻損失減少，動力消耗降低，但總傳熱系數(shù)增加，從而導(dǎo)致輸送單位油品的熱力消耗增加。因此，在確定管道清管周期時，管道的熱力費用和動力費用存在一個最優(yōu)的組合，綜合考慮清管過程中的總能量消耗是確定清管周期的關(guān)鍵?；谶@一原則，許多學(xué)者對管道的清管周期進行了探討［6－13］，有些學(xué)者認(rèn)為在管道清管過程中可以不將結(jié)蠟層徹底清掉，而是保留一部分的結(jié)蠟層（余蠟厚度），利用管道結(jié)蠟層的保溫作用來減少管道的散熱，進而降低管道的熱力消耗。由此可見，在清管過程中預(yù)留一定的結(jié)蠟厚度有利于管道的安全經(jīng)濟運行，但目前專門針對余蠟厚度對清管周期影響的研究成果較少，一些學(xué)者討論了預(yù)留一定蠟沉積層后輸油費用的變化規(guī)律，但并沒有就余蠟厚度這一關(guān)鍵因素對清管周期的影響進行具體分析［14－17］。

本文利用理論計算和實際運行數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法，以輸送一定量的原油所需熱力費用、動力費用為目標(biāo)函數(shù)，通過建立清管周期模型，探討了實際管道熱力費用和動力費用隨運行天數(shù)的變化規(guī)律，確定了實際管道的安全經(jīng)濟清管周期，并著重討論了余蠟厚度對安全經(jīng)濟清管周期的影響。這些研究結(jié)果對于管道清管方案的制定及降低輸油成本均具有一定的借鑒作用。

1 模型的建立

清管周期的確定除了考慮管道運行的經(jīng)濟性外，還應(yīng)兼顧輸油管道的安全性。在歐美，當(dāng)管道中蠟沉積層厚度達到2～3 mm時就須進行清管操作［1819］。俄羅斯清管技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：應(yīng)根據(jù)輸油管道實際情況和油品物性確定清管周期，且每季度不少于1次；當(dāng)管道輸送能力下降3%及以上時，應(yīng)進行緊急清管［4］。對于我國含蠟原油輸送管道而言，其沉積的蠟層厚度很容易達到2～3 mm。本文借鑒俄羅斯的清管標(biāo)準(zhǔn)，以輸量下降3%作為確定管道清管周期的安全極限。

含蠟原油管道運行總費用為動力費用、熱力費用以及清管費用的總和。管道的動力消耗增長與燃料消耗減小存在著一個優(yōu)化問題，在保證管道安全輸送的前提下，找到管道運行日平均費用最低時的周期即為安全經(jīng)濟清管周期。所建立的清管周期模型如下。

1）熱力費用。熱力費用即原油出站時加熱爐為原油加熱所消耗的燃料費用，計算公式為

式（1）中：SR為熱力費用，元/d；G為質(zhì)量流量，kg/s；cy為油品比熱容，kJ/（kg·℃）；TC為出站溫度，℃；TZ為進站溫度，℃；ey為燃料油價格，元/t；q為燃料油熱值，kJ/kg；ηR為加熱爐效率。

2）動力費用。動力費用即原油出站時輸油泵為原油加壓所消耗的電費，計算公式為

式（2）中：SP為動力費用，元/d；ρ為油品密度，kg/m3；g為重力加速度，取9.81 m/s2；V為體積流量，m3/h；H為壓頭損失，m；ed為電力價格，元/（kW·h）；ηb為泵組合效率；ηd為電機效率。

由于清管費用SC與當(dāng)?shù)氐氖袌鰞r格有關(guān)（文中參照當(dāng)年的市場價格取5 000元/次），則管道運行t天后的日平均費用為

式（3）中：S為日平均費用，元/d；t為管道運行時間，d；SC為清管費用，元。

除了滿足以上經(jīng)濟方面的條件外，還應(yīng)該滿足以下安全約束條件，即式（4）中：pZ為進站壓力，MPa；pmin為最低進站壓力，MPa；pC為出站壓力，MPa；pmax為最高出站壓力，MPa；Tmin為最低進站溫度，℃；Tmax為最高出站溫度，℃；Q為輸量，m3/h；ΔQ為輸量降低幅度。

在滿足上述安全約束的前提下，該清管模型是以熱力費用、動力費用及清管費用的總和為目標(biāo)函數(shù)，通過分別計算管道運行t天后的日平均費用，找出日平均費用最低時的周期即為管道的安全經(jīng)濟清管周期。

2 實例計算分析

2.1 管道沿線蠟沉積厚度分布規(guī)律預(yù)測

為了計算管道的安全經(jīng)濟清管周期，須先了解管道沿線蠟沉積厚度分布規(guī)律，國內(nèi)外學(xué)者對此已進行大量的研究［20－24］。本文采用黃啟玉普適性結(jié)蠟?zāi)Ｐ停?4］進行現(xiàn)場蠟沉積厚度預(yù)測，其計算公式為

式（5）中：W為蠟沉積速率，g/（m2·h）；τW為管壁處剪切應(yīng)力，Pa；μ為原油動力粘度，為管壁處蠟晶溶解度系數(shù)，10－3/℃；為管壁溫度梯度，℃/mm。

利用該模型，結(jié)合中寧—銀川輸油管道（以下簡稱中銀線）實際數(shù)據(jù)［24－25］，選擇石空—大壩站間2004年1—4月份剛清管后的運行參數(shù)進行計算。石空—大壩站間距為58 km，管徑為273 mm，平均壁厚為7 mm，所輸原油凝點為4℃。為了便于分析，給出了石空—大壩站間工藝參數(shù)，如表1所示?；谠撃Ｐ停嬎愕贸隽耸铡髩握鹃g不同時間沿線蠟沉積厚度分布規(guī)律（圖1、2），從而為清管周期的計算奠定基礎(chǔ)。

表1 中銀線石空—大壩站間工藝參數(shù)Table 1 Process parameters between Shikong and Daba stations of Zhongning－Yinchuan pipeline

圖1 中銀線石空—大壩站間輸油管2004年第1次清管后沿線蠟沉積厚度變化規(guī)律Fig.1 Variation of wax deposition thickness between Shikong and Daba stations of Zhongning－Yinchuan pipeline after the first pigging in 2004

圖2 中銀線石空—大壩站間輸油管2004年第2、3次清管后沿線蠟沉積厚度變化規(guī)律Fig.2 Variation of wax deposition thickness between Shikong and Daba stations of Zhongning－Yinchuan pipeline after the second and third piggings in 2004

2.2 進站溫度及輸量對安全經(jīng)濟清管周期的影響

要計算不同運行條件下管道的安全經(jīng)濟清管周期，還須知道管道運行的費用等參數(shù)。中銀線管道運行費用等參數(shù)如表2所示，其中各費用按照2004年市場價格選取。

表2 中銀線管道運行參數(shù)Table 2 Operation parameters of Zhongning－Yinchuan pipeline

輸油管道運行規(guī)范一般要求進站溫度至少高于凝點3～5℃［14］，進站壓力不低于0.2 MPa［14］。本文取出站溫度最高為80℃，取進站溫度分別為14、16、18℃進行分析；進站壓力取0.2 MPa，最高出站壓力取5 MPa。利用表1的數(shù)據(jù)，分別探討進站溫度及輸量對安全經(jīng)濟清管周期的影響。

1）進站溫度對安全經(jīng)濟清管周期的影響。

利用表1第1次清管后的數(shù)據(jù)，取進站溫度分別為14、16、18℃來分析進站溫度對安全經(jīng)濟清管周期的影響，結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出：隨著運行天數(shù)的增加，管道運行日平均費用不斷降低；隨著進站溫度的升高，管道運行日平均費用不斷增加，這是由于管道的熱力費用增加所致；當(dāng)進站溫度分別為14、16、18℃時，經(jīng)計算當(dāng)運行天數(shù)分別為7、10、13天時輸量下降3%，同時其他安全約束條件均滿足，故此時的運行天數(shù)即為安全經(jīng)濟清管周期。

圖3 中銀線石空—大壩站間輸油管不同進站溫度下的安全經(jīng)濟清管周期Fig.3 Economic and safe pigging frequencies at different inlet temperatures between Shikong and Daba stations of Zhongning－Yinchuan pipeline

2）輸量對安全經(jīng)濟清管周期的影響。

由表1可以看出，中銀線石空—大壩站間輸油管前3次清管后的傳熱系數(shù)和地溫基本一致，輸量分別為127.5、132.0、119.0 m3/h，因此以這3次的運行數(shù)據(jù)來分析輸量對安全經(jīng)濟清管周期的影響，結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，隨著運行天數(shù)的增加，管道運行日平均費用不斷降低，這主要是因為隨著運行天數(shù)的增加，蠟沉積厚度增大，管道總傳熱系數(shù)減小，熱力費用降低；隨著輸量的增加，管道運行日平均費用也不斷降低，這是由于輸量增大時，管道總能量增加，而出站油溫及環(huán)境溫度不變的情況下，沿線損失的熱量接近一個定值，所以熱量損失所占比例減小，另外，隨著輸量的增加，摩擦阻力增大，從而對管道的保溫起到一定的促進作用，故熱力費用降低。經(jīng)計算，當(dāng)輸量分別為119.0、127.5、132.0 m3/h，運行天數(shù)分別為10、10、9天時輸量下降3%，同時其他約束條件均滿足，故此時的運行天數(shù)即為對應(yīng)的安全經(jīng)濟清管周期。

圖4 中銀線石空—大壩站間輸油管不同輸量下的安全經(jīng)濟清管周期Fig.4 Economic and safe pigging frequencies at different transportation rates between Shikong and Daba stations of Zhongning－Yinchuan pipeline

綜上可見，本文提出的安全經(jīng)濟清管周期計算方法（以輸量下降3%作為一個安全極限條件）的計算結(jié)果較為合理，所得結(jié)論符合實際經(jīng)驗，且可使管道運行日平均費用達到最低。若按以前方法計算得出的清管周期為幾個月甚至半年以上，這樣長時間不清管會在實際管道運行中帶來許多不安全因素。

2.3 余蠟厚度對安全經(jīng)濟清管周期的影響

保留一定的蠟沉積層厚度，利用其保溫作用可以在一定程度上降低管道的熱力費用。在滿足輸量下降3%這一安全條件下，分別取余蠟厚度為0、0.4、0.6、1.0 mm（1.0 mm以上規(guī)律類似，不再給出）來分析余蠟厚度對安全經(jīng)濟清管周期的影響。具體做法為：在保證輸油管道安全運行的前提下，計算不同余蠟厚度下的管道運行日平均費用并優(yōu)選出最低費用下的余蠟厚度。

石空—大壩站間輸油管前6次清管后不同運行條件下余蠟厚度對安全經(jīng)濟清管周期的影響的計算結(jié)果如表3、圖5所示。由表3可見，當(dāng)進站溫度為14℃時，隨著余蠟厚度的增加，各清管周期內(nèi)對應(yīng)的管道運行日平均費用變化規(guī)律不盡相同，但余蠟厚度為0時的管道運行日平均費用最低，即在此進站溫度下可以不預(yù)留余蠟厚度；當(dāng)進站溫度分別為16℃和18℃時，在滿足安全約束的條件下可以適當(dāng)預(yù)留一定的蠟沉積層厚度以使各清管周期內(nèi)的費用最低，由表3可知，此時可預(yù)留的余蠟厚度為0.4～0.6mm，對應(yīng)的清管周期即為考慮余蠟厚度時的安全經(jīng)濟清管周期。由圖5可以看出，不同進站溫度及輸量下余蠟厚度對清管周期的影響規(guī)律基本一致，即隨著余蠟厚度的增加，清管周期均逐漸縮短，這是因為預(yù)留的余蠟厚度越大，達到輸量下降3%的時間越短。但進站溫度改變時余蠟厚度對清管周期影響的變化較顯著。

表3 中銀線石空—大壩站間前6次清管后不同運行條件下不同余蠟厚度對應(yīng)的管道運行費用Table 3 Corresponding pipeline operation cost of the remnant wax thicknesses under different operation conditions after the first 6piggings between Shikong and Daba stations of Zhongning－Yinchuan pipeline

圖5 中銀線石空—大壩站間輸油管不同進站溫度及輸量下余蠟厚度對清管周期的影響Fig.5 Influence of remnant wax thickness on the pigging frequency under different inlet temperatures and transportation amount between Shikong and Daba stations of Zhongning－Yinchuan pipeline

3 結(jié)論

1）以輸量下降3%作為確定含蠟原油管道清管周期的安全極限，分析了不同運行條件對管道安全經(jīng)濟清管周期的影響，結(jié)果表明：進站溫度的升高會使管道運行日平均費用增加和清管周期延長，而輸量的增加會使管道運行日平均費用降低和清管周期縮短。

2）余蠟厚度對管道運行費用有一定影響。對中銀線石空—大壩站間輸油管的計算結(jié)果表明：一定的余蠟厚度可以降低管道的運行費用；當(dāng)進站溫度為14℃時，可以不預(yù)留余蠟厚度；當(dāng)進站溫度分別為16℃和18℃時，預(yù)留的余蠟厚度為0.4～0.6 mm。不同進站溫度及輸量下余蠟厚度對清管周期的影響規(guī)律基本一致，即隨著余蠟厚度的增加，清管周期均逐漸縮短，但進站溫度改變時余蠟厚度對清管周期影響的變化較顯著。

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Development and computational analysis of the safe and economic pigging frequency model for waxy crude oil pipelines

Tian Zhen Jing Jiaqiang Jin Wenbo Zhao Hongyan Wang Leizhen
（Oil and Gas Fire Protection Key Laboratory of Sichuan Province，Southwest Petroleum University，Chengdu，Sichuan610500，China）

With safe operations ensured，taking the sum of power，thermal and pigging costs as the objective function，a safe and economic pigging frequency model for waxy crude oil pipelines was developed.Based on the operation data of Zhongning－Yinchuan pipeline upon being pigged，the influence of inlet temperature，throughput and remnant wax thicknesses on the safe and economic pigging frequency were analyzed.The results show that the average daily costs of pipeline operation will increase while the pigging frequency will be extended with the inlet temperature increasing；and conversely，the average daily costs of pipeline operation will decrease while the pigging frequency will be shortened with the throughput rising.The reserved remnant wax thickness is 0.4 to 0.6 mm when the inlet temperature is 16 or 18℃；but it is not necessary when the inlet temperature is 14℃.The influencing patterns of remnant wax thickness on pigging frequency at different inlet temperatures and throughputs are basically the same，i.e.the increase of remnant wax thickness can shorten the pigging frequency.In addition，the influence of remnant wax thickness on pigging frequency is more significant when the inlet temperature changes.

waxy crude oil pipeline；pigging frequency；safe and economic；computational model；influencing factor

TE832.3＋3

A

2014－06－27改回日期：2014－07－24

（編輯：張喜林）

田震，敬加強，靳文博，等.含蠟原油管道安全經(jīng)濟清管周期模型的建立與計算分析［J］.中國海上油氣，2015，27（2）：120－126.

Tian Zhen，Jing Jiaqiang，Jin Wenbo，et al.Development and computational analysis of the safe and economic pigging frequency model for waxy crude oil pipelines［J］.China Offshore Oil and Gas，2015，27（2）：120－126.

1673－1506（2015）02－0120－07

10.11935/j.issn.1673－1506.2015.02.021

＊國家自然科學(xué)基金面上項目“稠油流動邊界層在水基泡沫作用下的阻力特性研究（編號：51074136）”部分研究成果。

田震，男，西南石油大學(xué)在讀碩士研究生，研究方向為油氣集輸工藝?yán)碚撆c技術(shù)。E－mail：believemetoo＠sina.com。