熱油管道結(jié)蠟厚度與經(jīng)濟(jì)清管周期計(jì)算

王繼平 王馨藝 郝寶健 等

摘 要：對熱油管道來說，結(jié)蠟到一定厚度時(shí)，易造成清管過程中蠟堵事故的發(fā)生。另外，結(jié)蠟還對熱油管道的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行存在兩方面的影響，即增加動力費(fèi)用和降低熱力費(fèi)用。因此合理預(yù)測熱油管道的結(jié)蠟厚度和經(jīng)濟(jì)清管周期尤為重要。介紹了一種普適性結(jié)蠟?zāi)Ｐ秃徒?jīng)濟(jì)清管周期計(jì)算模型，在此基礎(chǔ)上以日均運(yùn)行費(fèi)用最低為目標(biāo)，開發(fā)了熱油管道結(jié)蠟厚度與經(jīng)濟(jì)清管周期預(yù)測程序，并以鐵嶺—新民段管線為例計(jì)算說明。指出了該程序的不足和今后研究方向。

關(guān) 鍵 詞：熱油管道；結(jié)蠟；經(jīng)濟(jì)清管周期；運(yùn)行費(fèi)用

中圖分類號：TE 832 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1671-0460（2016）03-0545-04

Abstract： For hot oil pipelines， wax plugging accident easily happens when the wax deposition reaches a certain thickness. The wax deposition has two aspects of effect on the economic operation of waxy hot oil pipeline， including increasing the power cost and reducing the heating cost. So it is especially important to predict wax deposition thicknesses and economic pigging cycles of hot oil pipeline. In this paper， a general wax model and an economic pigging cycle model were introduced， and prediction program of the wax deposition thickness and economic pigging cycle was developed by using average daily operating minimum charges as the target. Taking Tieling-Xinmin pipeline calculation as a case， the calculation was carried out. Meanwhile， the shortage of this program and the direction of the future research were pointed out.

Key words： Hot oil pipeline； Wax deposition； Economic pigging cycle； Operating cost

我國所產(chǎn)原油80%以上為含蠟原油，世界范圍內(nèi)含蠟原油的產(chǎn)量也在不斷增加[1]，此類原油輸送主要采用加熱輸送工藝。熱油管道由于油溫與管壁溫度的差異很容易結(jié)蠟，當(dāng)結(jié)蠟到一定厚度時(shí)，在清管過程中易造成蠟堵事故發(fā)生，對管道的安全運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重的威脅。另外，結(jié)蠟還對管道運(yùn)行費(fèi)用有兩方面相互矛盾的影響：一方面結(jié)蠟會減小有效管徑，增大流動阻力，從而增加動力費(fèi)用；另一方面結(jié)蠟?zāi)軠p小管道傳熱系數(shù)，降低散熱損失，從而降低熱力費(fèi)用[2]。在一個(gè)清管周期內(nèi)管道運(yùn)行費(fèi)用主要包括：動力費(fèi)用、熱力費(fèi)用以及一次性清管費(fèi)用。隨著運(yùn)行時(shí)間延長，結(jié)蠟增厚導(dǎo)致每天動力費(fèi)用增加熱力費(fèi)用降低，同時(shí)平均到每天的清管費(fèi)用也降低，因而必然存在某個(gè)時(shí)間使得管道每天平均運(yùn)行費(fèi)用最低，該時(shí)間段即為經(jīng)濟(jì)清管周期。因此合理估算管道結(jié)蠟厚度與經(jīng)濟(jì)清管周期對于熱油管道的經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行顯得尤為重要。

1 蠟沉積模型介紹

蠟沉積模型的建立是基于蠟沉積機(jī)理、影響因素與實(shí)驗(yàn)方法研究的基礎(chǔ)之上的。國內(nèi)外對蠟沉積機(jī)理的研究已經(jīng)有相當(dāng)長的時(shí)間，對其認(rèn)識也基本成熟。目前，蠟沉積主要考慮分子擴(kuò)散、剪切彌散、重力沉降、布朗運(yùn)動四種機(jī)理，更多關(guān)于蠟沉積機(jī)理介紹的可參考文獻(xiàn)[3，4]。對于蠟沉積的影響因素，普遍認(rèn)為油溫、原油與管壁溫差、原油組成、剪切速率等是其主要影響因素[5，6]。除了以上理論的研究，模型的建立還依賴于試驗(yàn)方法，主流的實(shí)驗(yàn)方法包括：冷指法[7]、旋轉(zhuǎn)圓盤法[8]、環(huán)道法[9]。

基于以上理論研究與試驗(yàn)方法，國內(nèi)外學(xué)者對原油蠟沉積進(jìn)行了系統(tǒng)研究， 提出了多個(gè)的蠟沉積模型[10-12]。黃啟玉[13]在分析了這些模型優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，基于其實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，提出了一個(gè)普適性結(jié)蠟?zāi)Ｐ停⒗迷撃Ｐ皖A(yù)測中銀線管道結(jié)蠟情況，與現(xiàn)場數(shù)據(jù)對比平均誤差僅為6.32%。劉楊等[14]利用該模型研究了大慶原油兩個(gè)聯(lián)合站之間管道結(jié)蠟規(guī)律。王鳳輝等[15]利用該模型分析了阿賽管道輸送不同原油時(shí)的結(jié)蠟情況?？梢?，該模型在預(yù)測國內(nèi)熱油管道結(jié)蠟規(guī)律上得到了普遍認(rèn)可。

在文獻(xiàn)[13]中利用逐步線性回歸的方法建立了適合含蠟原油的結(jié)蠟?zāi)Ｐ腿缦拢?/p>

（1）

式中，k、m、n為常數(shù)，通過線性回歸得到。利用該模型，預(yù)測任意熱油管道結(jié)蠟規(guī)律需要確定的參數(shù)和大致計(jì)算過程如下：

（1）線性回歸得到k、m、n，得到具體的結(jié)蠟?zāi)Ｐ停?/p>

（2）利用蘇霍夫公式，計(jì)算沿線油溫；

（3）根據(jù)熱平衡關(guān)系，確定管線運(yùn)行條件下不同管段的徑向溫度梯度，具體計(jì)算公式如式（2）所示：

（2）

（4）依據(jù)牛頓流體紊流狀態(tài)下的管壁剪切率公式（3），計(jì)算管壁剪切率；

（3）

（5）依據(jù)原油粘溫關(guān)系計(jì)算不同溫度下原油粘度；

（6）根據(jù)各管段的平均油溫，計(jì)算不同管段管壁處蠟分子濃度梯度；

（7）計(jì)算原油密度；

（8）由試驗(yàn)測得的蠟晶溶解度系數(shù)與溫度關(guān)系曲線（ ）進(jìn)行插值計(jì)算管壁處蠟晶的溶解度系數(shù)；

（9）由公式（4）計(jì)算結(jié)蠟后的總傳熱系數(shù)。

（4）

2 經(jīng)濟(jì)清管周期

所謂經(jīng)濟(jì)清管周期是指按照管道平均日運(yùn)行費(fèi)用最低的標(biāo)準(zhǔn)確定的清管時(shí)間。對于熱油管道來說，運(yùn)行費(fèi)用包括：動力費(fèi)用、熱力費(fèi)用以及一次性清管費(fèi)用。

在一個(gè)清管周期內(nèi)，隨著結(jié)蠟厚度的增加，管道的有效流通面積減小，油流流速增加，沿程摩阻增加，動力費(fèi)用上升；同時(shí)，由于結(jié)蠟厚度的增加，管道的總傳熱系數(shù)減小，沿線溫降變緩，出站溫度可以適當(dāng)?shù)慕档?，從而使得管道的熱力費(fèi)用減小（假設(shè)進(jìn)站溫度一定）。因此計(jì)算過程需要考慮結(jié)蠟厚度對管道動力費(fèi)用和熱力費(fèi)用兩個(gè)因素的影響。另外一次性清管費(fèi)用是固定的，隨著清管周期的延長，平均到每天的費(fèi)用越小。將以上三個(gè)因素耦合，可以得到平均運(yùn)營費(fèi)用的最低點(diǎn)，該點(diǎn)對應(yīng)的天數(shù)即為經(jīng)濟(jì)清管周期。具體計(jì)算過程如下：

以1 d為單位計(jì)算結(jié)蠟速率，分天計(jì)算動力費(fèi)用和熱力費(fèi)用，再加上平均到每天的清管費(fèi)用，找到費(fèi)用最低點(diǎn)即可判斷為經(jīng)濟(jì)清管周期。

（1）動力費(fèi)用：

式中： SP — 單位為（元/d）；

ed — 電力價(jià)格，元/（kW·h）；

H — 泵站提供的揚(yáng)程，m；

G — 輸量，t/d；

ηpe — 泵機(jī)組效率。

（2）熱力費(fèi)用：

式中： SR — 單位為（元/d）；

cy — 油品的比熱容，kJ/（kg·℃）；

ηR —加熱爐效率；

ey — 燃料油價(jià)格，元/噸；

BH — 燃料油熱值，kJ/kg；

G — 輸量，t/d。

（3）總平均費(fèi)用： （元/d）

式中：SP — 平均每天的動力費(fèi)用，元/d；

SR —平均每天的熱力費(fèi)用，元/d；

SQ — 一次清管費(fèi)用，元；

day —運(yùn)行天數(shù)，d。

3 計(jì)算程序介紹

基于以上的理論分析和計(jì)算過程介紹，開發(fā)了含蠟原油管道結(jié)蠟厚度與清管周期計(jì)算程序。該程序適用不同季節(jié)的計(jì)算，在輸入界面需要輸入的參數(shù)包括：管道分段距離、季節(jié)、計(jì)算時(shí)間等，經(jīng)過程序運(yùn)行，可輸出數(shù)據(jù)包括：各站進(jìn)出站溫度、管壁結(jié)蠟厚度和經(jīng)濟(jì)清管周期等。

運(yùn)算過程中默認(rèn)第一天的結(jié)蠟厚度為0，而此以后計(jì)算新一天的結(jié)蠟厚度時(shí)，均取前一天蠟沉積厚度進(jìn)行累積計(jì)算。程序輸出的蠟沉積厚度為輸入天數(shù)累積的厚度。輸出的熱力費(fèi)用和電力費(fèi)用值，都是假設(shè)在該天進(jìn)行清管，以往每天的平均動力費(fèi)用和熱力費(fèi)用。

計(jì)算過程采用迭代算法，具體計(jì)算過程為：首先將管道分成距離為1 km的小段，設(shè)定進(jìn)站油溫已知，根據(jù)蘇霍夫公式計(jì)算上個(gè)1 km處的溫度，然后將此溫度當(dāng)做上1 km的進(jìn)站溫度依次向上計(jì)算，直至計(jì)算到出站溫度為止。依據(jù)公式 計(jì)算每段的平均油溫，然后確定每一下段在平均溫度下的物性參數(shù)，包括：粘度、密度、徑向溫度梯度、管壁剪切率、蠟分子溶解度系數(shù)、總傳熱系數(shù)等，利用結(jié)蠟速率公式計(jì)算結(jié)蠟速率，進(jìn)而求出結(jié)蠟厚度。計(jì)算框圖如圖1所示。

4 計(jì)算案例

以鐵秦線鐵嶺—新民段冬季運(yùn)行為例，利用以上程序，模擬該段管道沿線蠟沉積分布規(guī)律與經(jīng)濟(jì)清管周期。鐵嶺—新民全線距離92.19 km，輸量

4 000 t/d，冬季低溫-5 ℃。其他相關(guān)數(shù)據(jù)如下：管徑：720 mm×8 mm；原油熱容：2 150 J/（kg·℃）；原油燃燒熱：41 400 kJ/kg；原油價(jià)格：3 200元/t；加熱爐的效率：88%；泵效率：81%；電費(fèi)：0.60元/（kW·h）；一次清管費(fèi)用：6 500元；20 ℃密度：852.5 kg/m3；最低進(jìn)站溫度：37 ℃；最高出站溫度：67℃；蠟沉積層的導(dǎo)熱系數(shù)：0.135 W/（m·℃）；管輸原油結(jié)蠟速率[16]： ；黏溫關(guān)系如圖2所示；析蠟量與溫度關(guān)系如圖3所示。

通過程序計(jì)算得到鐵嶺—新民段冬季結(jié)蠟厚度沿線分布規(guī)律與日平均費(fèi)用分別如圖4，圖5所示。

從圖4可看出，鐵嶺站入口處結(jié)蠟厚度最大，沿線結(jié)蠟厚度不斷減小。這是由于進(jìn)站油高與管壁的溫差大，隨著原油向前流動過程中不斷散熱，原油與管壁溫差變小，結(jié)蠟速率降低。從圖5可看出，在現(xiàn)階段油價(jià)和相應(yīng)運(yùn)行參數(shù)下，該段管線冬季的經(jīng)濟(jì)清管周期為80 d。

5 結(jié)束語

蠟沉積對熱油管道的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著重要的影響，國內(nèi)外學(xué)者在蠟沉積機(jī)理研究的基礎(chǔ)上，提出了很多蠟沉積計(jì)算模型。但是，能夠直接適用于國內(nèi)熱油管道蠟沉積預(yù)測的并不多，直到文獻(xiàn)[13]提出一種普適性的蠟沉積模型。目前，該模型已經(jīng)被用來預(yù)測國內(nèi)多條熱油管道的蠟沉積情況。

任何一條管道，在安全的基礎(chǔ)上都要求經(jīng)濟(jì)利益最大化，因此就有了經(jīng)濟(jì)清管周期概念的提出。筆者在借鑒普適性結(jié)蠟?zāi)Ｐ偷幕A(chǔ)上，引入經(jīng)濟(jì)清管周期計(jì)算模型，開發(fā)了含蠟原油結(jié)蠟厚度與經(jīng)濟(jì)清管周期預(yù)測程序，并以鐵嶺—新民段管線為例計(jì)算說明。

當(dāng)然，該計(jì)算程序并未考慮清管之后余蠟厚度的影響。同時(shí)，由于季節(jié)參數(shù)的不同該程序還不能用來預(yù)測全年的結(jié)蠟情況，一次計(jì)算只能用來預(yù)測一個(gè)季度的情況。這些都是今后開發(fā)更普適性計(jì)算方法的方向。

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