高黏含水原油外輸管道優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

曲 虎， 王新華， 劉 靜， 周秀云， 朱海云， 劉 丹

(1.中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司華北分公司，河北任丘 062522； 2.華北油田公司第三采油廠，河北河間 062450)

?

高黏含水原油外輸管道優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

曲 虎1， 王新華1， 劉 靜1， 周秀云2， 朱海云1， 劉 丹1

(1.中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司華北分公司，河北任丘 062522； 2.華北油田公司第三采油廠，河北河間 062450)

以項(xiàng)目實(shí)例為基礎(chǔ)，對(duì)高黏含水原油外輸管道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。對(duì)單管道連續(xù)輸送、雙管道油水分別輸送及單管道油水間歇輸送三種輸送方案進(jìn)行模擬計(jì)算，并對(duì)每種方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比選。通過方案比選結(jié)果可知，單管道油水間歇輸送方案為最優(yōu)方案，并確定最佳管徑；通過分析外輸溫度對(duì)管道能耗損失的影響，可知外輸系統(tǒng)耗氣量隨著外輸溫度的升高而增加，耗電量隨著外輸溫度的升高而降低；運(yùn)行費(fèi)用隨著摻水溫度的升高先降低后升高，在溫度為50～55 ℃時(shí)運(yùn)行費(fèi)用最低。

原油； 外輸管道， 優(yōu)化； 能耗； 運(yùn)行費(fèi)用

通常，一些小的油田計(jì)量站或接轉(zhuǎn)站只具有氣液分離或簡單的脫水功能，而不具有將含水油處理成合格原油的能力[1]，如果分離出的污水不能全部回注或回灌到地層，就需要將污水和原油全部運(yùn)送到處理站進(jìn)行處理。運(yùn)送方式目前主要有兩種，一種是通過汽車?yán)\(yùn)方式，由罐車將含水原油拉運(yùn)到處理站[2-4]；另一種是建設(shè)外輸管道，通過泵將含水原油輸送到處理站，通過以往的相關(guān)項(xiàng)目和相關(guān)研究可知，相對(duì)于汽車?yán)\(yùn)，管道輸送具有一次性投資少、運(yùn)輸成本低、安全性高、利于環(huán)保等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，因此，在地理?xiàng)l件允許的情況下，一般優(yōu)先考慮通過管道進(jìn)行輸送[5-8]。

本文通過項(xiàng)目實(shí)例對(duì)高黏原油外輸管道進(jìn)行研究，通過對(duì)不同的外輸管道建設(shè)方案進(jìn)行計(jì)算和經(jīng)濟(jì)對(duì)比，對(duì)高黏原油外輸管道的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。文中原油外輸管道將含水油從接轉(zhuǎn)站的分離緩沖罐或儲(chǔ)油罐輸送到處理站，管道全長5 km，外輸量為950 m3/d，通過對(duì)三種不同的原油外輸管道設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對(duì)比，選擇最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

1 計(jì)算參數(shù)

20 ℃時(shí)原油密度0.901 1 g/cm3，50 ℃黏度52 mPa·s，凝固點(diǎn)30 ℃，外輸液量為950 m3/d，綜合含水率為50%，控制進(jìn)站溫度45 ℃，進(jìn)站壓力0.3 MPa，埋地管道土壤溫度為5 ℃，傳熱系數(shù)根據(jù)《油氣集輸設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50350—2005附錄中取值。本文中工況通過PIPESIM軟件進(jìn)行模擬計(jì)算。

原油的黏度隨含水率和溫度變化曲線如圖1、2所示。由圖1、2可知，含水原油的黏度一般隨著含水率的升高先上升后下降，在含水率截?cái)帱c(diǎn)(圖1中為70%)處黏度最高；含水原油黏度一般隨著溫度的上升而下降。

圖1 50 ℃不同含水率原油的黏度

Fig.1 The crude viscosity of different water content in 50 ℃

圖2 不同含水率的原油黏度隨溫度的變化曲線

Fig.2 The change of crude viscosity with the temperature curve in different water content

2 研究方法

設(shè)計(jì)三種含水原油輸送方案，分別為單管道連續(xù)輸送、雙管道油水分別輸送及單管道油水間歇輸送方案，對(duì)每種輸送方案進(jìn)行不同管徑模擬計(jì)算，并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比選。

將外輸管道的熱負(fù)荷和電負(fù)荷折算成耗氣量和耗電量作為管道的運(yùn)行費(fèi)用，將管道20年運(yùn)行費(fèi)用現(xiàn)值和建設(shè)工程費(fèi)用之和定義為對(duì)比投資，作為不同方案比選的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 單管道連續(xù)輸送

采用單條外輸管道連續(xù)輸送全部含水油，外輸量為950 m3/d，在保證進(jìn)站壓力和進(jìn)站溫度的條件下，選用不同管徑的管道進(jìn)行模擬計(jì)算，具體計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 不同管徑的管道運(yùn)行參數(shù)表

由表1可知，管徑變大，外輸系統(tǒng)的熱負(fù)荷增加，管道壓降減小，泵的軸功率下降。這是因?yàn)殡S著管徑的增加，流體流速下降，管道沿程溫降變大，根據(jù)杜克勒公式[9]可知，管道的沿程摩阻下降，由式(1)可得，泵的軸功率下降[10]。

(1)

其中：Ne為泵的軸功率，kW；Q為流體流量，m3/s；H為泵的揚(yáng)程，m；ρ為流體平均密度，kg/m3；η為泵的效率。

管道管徑規(guī)格與投資費(fèi)用對(duì)比如圖3所示。由圖3可知，通過經(jīng)濟(jì)對(duì)比，D219的管徑規(guī)格對(duì)比投資最低，為單管道連續(xù)輸送的最佳管徑。

圖3 管道對(duì)比投資柱狀圖

Fig.3 Comparison of pipeline investment column

3.2 雙管道油水分別輸送

采用兩條獨(dú)立管道分別對(duì)油水進(jìn)行輸送，輸送原油時(shí)，控制原油含水率≤20%，最大外輸油量為590 m3/d，其余污水采用另一條污水管道進(jìn)行輸送，具體計(jì)算結(jié)果見表2和表3、圖4和圖5。

表2 不同管徑的原油管道運(yùn)行參數(shù)表

圖4 原油管道對(duì)比投資柱狀圖

Fig.4 Comparison of crude pipeline investment column

由表2和圖4可知，在輸送低含水原油時(shí)，D114的管徑規(guī)格對(duì)比投資最低，為輸送低含水原油的最佳管徑。

表3 不同管徑的污水管道運(yùn)行參數(shù)表

圖5 污水管道對(duì)比投資柱狀圖

Fig.5 Comparison of effluent pipeline investment column

由表3和圖5可知，在輸送含油污水時(shí)，D89的管徑規(guī)格對(duì)比投資最低，為輸送低含水原油的最佳管徑。

3.3 單管道油水間歇輸送

采用一條管道輸送全部含水油，同含水油連續(xù)輸送方案不同，本方案管道采用低含水原油和污水間歇輸送，以降低輸送時(shí)的黏度，輸油時(shí)控制含水率≤20%，無論輸油還是輸水，外輸量均為950 m3/d，具體計(jì)算結(jié)果見表4和表5。

表4 輸送低含水油時(shí)管道運(yùn)行參數(shù)表

表5 輸送含油污水時(shí)管道運(yùn)行參數(shù)表

根據(jù)管道輸送低含水油和含油污水的運(yùn)行時(shí)間來綜合計(jì)算對(duì)比投資，結(jié)果如圖6所示。

圖6 管道綜合對(duì)比投資柱狀圖

Fig.6 Comprehensive comparison of pipeline investment column

通過對(duì)不同管徑外輸管道輸油和輸水時(shí)的計(jì)算結(jié)果可知，隨著管徑的增大，輸油和輸水時(shí)，泵的軸功率降低，熱負(fù)荷變大，而且管線投資也相應(yīng)增加，通過圖6中綜合對(duì)比投資可知，外輸管道選用D114管徑時(shí)對(duì)比投資最低。

3.4 方案比選結(jié)果

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，三種含水原油輸送方案的比選結(jié)果見圖7。

圖7 管道輸送方案對(duì)比投資柱狀圖

Fig.7 Pipeline transportation scheme comparison of investment column

由圖7可知，對(duì)于高黏含水原油，采用單管道油水間歇輸送方案最合理，可以有效地降低管道輸送時(shí)流體的黏度，降低管道管徑和外輸泵的揚(yáng)程，使工程費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用都有所降低，綜合對(duì)比投資在三個(gè)方案中最低；雙管道油水分別輸送方案雖然也降低了管道輸送時(shí)的黏度，但增加管道長度及外輸泵的數(shù)量，分開輸送后，流體溫降比較大，造成運(yùn)行費(fèi)用也較高，綜合對(duì)比投資是三個(gè)方案中最高的，單管道連續(xù)輸送方案對(duì)比投資介于其它兩個(gè)方案之間。

3.5 外輸溫度對(duì)輸油能耗的影響

根據(jù)方案比選結(jié)果，確定管道的最優(yōu)管徑為D114 mm×4 mm，設(shè)定管道進(jìn)站壓力為0.3 MPa，研究不同外輸溫度對(duì)輸油管道能耗損失的影響，具體結(jié)果見表6。

不同外輸溫度管道耗氣量和耗電如圖8所示。由圖8可知，隨著外輸溫度的升高，耗電量越來越小，耗氣量越來越大，這是因?yàn)殡S著外輸溫度的升高，導(dǎo)熱系數(shù)越來越大，管道沿線散失的熱量就會(huì)越大，從而需要更多的天然氣來提供熱量[11]。相反，隨著溫度的升高，流體黏度下降，從而降低了管道的沿程摩阻，由式(1)可知，耗電量會(huì)降低。

圖8 不同外輸溫度管道耗氣量和耗電量

Fig.8 The air consumption and power consumption curve of the pipeline with different output temperature

不同外輸溫度管道的運(yùn)行費(fèi)用如圖9所示。由圖9可知，外輸管道的運(yùn)行費(fèi)用隨著摻水溫度的升高，先減少后增多，在50～55 ℃達(dá)到最小，這是因?yàn)椋谕廨敎囟容^低時(shí)，耗電量的下降是運(yùn)行費(fèi)用變化的主導(dǎo)因素，運(yùn)行費(fèi)用隨著外輸溫度的升高而下降，當(dāng)外輸溫度較高時(shí)，耗氣量的增加成為運(yùn)行費(fèi)用變化的主導(dǎo)因素，運(yùn)行費(fèi)用隨著外輸溫度的升高而增加。綜合考慮，外輸溫度在50～55 ℃運(yùn)行費(fèi)用最低。

圖9 不同外輸溫度管道的運(yùn)行費(fèi)用

Fig.9 Operation cost curve of the pipeline with different output temperature

續(xù)表6

4 結(jié)論

通過管道輸送方案比選結(jié)果可知，在輸送高黏含水原油時(shí)，單管道油水間歇輸送方案為最優(yōu)方案，并根據(jù)經(jīng)濟(jì)比選確定最佳管徑。

通過分析外輸溫度對(duì)管道能耗損失的影響，可知外輸系統(tǒng)耗氣量隨著外輸溫度的升高而增加，耗電量隨著外輸溫度的升高而降低；運(yùn)行費(fèi)用隨著摻水溫度的升高先降低后升高，在溫度為50～55 ℃時(shí)運(yùn)行費(fèi)用最低。

[1] 汪笑楠，馬貴陽，孫皓，等.高含水期水平管油氣水三相流動(dòng)數(shù)值模擬[J].石油化工高等學(xué)校學(xué)報(bào)，2013,26(5):78-82.

Wang Xiaonan,Ma Guiyang,Sun Hao, et al.Numerical simulation of oil-gas-water three phase flow in horizontal pipeline during the high water-cut period [J].Journal of Petrochemical Universities, 2013,26(5):78-82.

[2] 寧雯宇. 高含蠟油水體系流變特性研究[J]. 石油化工高等學(xué)校學(xué)報(bào)，2015，28(2):87-90.

Ning WenYu.The research of rheological properties of the high waxy oil water system[J].Journal of Petrochemical Universities, 2015，28(2):87-90.

[3] 馮叔初,郭揆常.油氣集輸與礦場加工[M].東營:中國石油大學(xué)出版社, 2006:1-20.

[4] 曲虎，劉欣，劉靜，等.環(huán)狀摻水集油系統(tǒng)能耗損失影響因素研究[J]. 石油化工高等學(xué)校學(xué)報(bào)，2015,28(1):55-58.

Qu Hu,Liu Xin,Liu Jing et al.The research on factors affecting the energy losses in cyclic watered oil gathering system [J].Journal of Petrochemical Universities, 2015,28(1):55-58.

[5] 楊筱蘅.輸油管道設(shè)計(jì)與管理[M]. 東營:中國石油大學(xué)出版社, 2005:1-5.

[6] 曹喜文.原油外輸管道低數(shù)量運(yùn)行技術(shù)研究[D]. 大慶：大慶石油學(xué)院，2010.

[7] 王梓丞，馬貴陽，翟美玉.原油物性對(duì)裸露管線停輸溫降規(guī)律的影響[J].遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報(bào), 2014,34(5):28-31.

Wang Zicheng,Ma Guiyang,Zhai Meiyu.Crude oil property impacts on the rule of shutdown temperature drop for exposed pipeline[J].Journal of Liaoning Shihua University, 2014,34(5):28-31.

[8] Moussa Kane, Madeleine Djabourov, Jean-Luc Volle. Rheology and structure of waxy crude oils in quiescent and under shearing conditions[J].Fuel,2004,83: 1591-1605.

[9] 中國石油天然氣集團(tuán)公司.GB 50350—2005油氣集輸設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京：中國計(jì)劃出版社，2005:40-51.

[10] 李陽初，劉雪暖.石油化學(xué)工程原理(上冊(cè))[M].北京：中國石化出版社，2008:86-115.

(編輯 王亞新)

The Research on Optimization Design for Export Pipeline of Watercut Crude Oil with High Viscosity

Qu Hu1, Wang Xinhua1, Liu Jing1, Zhou Xiuyun2, Zhu Haiyun1, Liu Dan1

(1.ChinaPetroleumEngineeringHuabeiCompany,RenqiuHebei062552,China; 2.TheThirdExploitFactoryofHuabeiOilfieldCompany,HejianHebei062450,China)

The design for export pipeline of high viscous crude oil was optimized based on the engineering project. The simulation and economic comparison of continuous transportation in the single pipeline, continuous transportation of oil and water respectively in two pipelines and batch transportation of oil and water in a same pipeline was performed. According to the analysis results, the batch transportation of oil and water in a same pipeline was the optimal scheme and the optimal diameter was determined. The results can be concluded that gas consumption increased with the rising of transmission temperature and power consumption decreased with rising of transmission temperature by analyzing the influence of the transmission temperature on the energy consumption of pipeline. The operation cost of water blending system rised first and reduced later with rising of transmission temperature,and reached the lowest point when the transmission temperature was between 50 ～ 55 ℃.

Crude oil； Export pipeline； Optimization； Energy consumption； Operation cost

1006-396X(2015)04-0081-05

2015-01-05

2015-06-20

中國石油集團(tuán)華北油田公司科研基金項(xiàng)目(HBYT-2013-JS-333)。

曲虎(1986-)，碩士，工程師，從事油氣田地面工程方面的設(shè)計(jì)與研究;E-mail:qh915gf1@163.com。

TE832

A

10.3969/j.issn.1006-396X.2015.04.017