寒區(qū)輸油管道正反輸溫降規(guī)律分析

周剛，張偉，楊林,3，李哲，劉鳳榮，王佳楠，王蒙

（1. 東北石油大學(xué)提高采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163318； 2. 大慶油田有限責(zé)任公司第三采油廠，黑龍江 大慶 163113；3. 大慶油田有限責(zé)任公司儲運(yùn)銷售分公司，黑龍江 大慶 163453； 4. 大慶油田化工有限公司東昊表活劑公司，黑龍江 大慶 163453）

石油化工

寒區(qū)輸油管道正反輸溫降規(guī)律分析

周剛1，張偉2，楊林1,3，李哲1，劉鳳榮1，王佳楠1，王蒙4

（1. 東北石油大學(xué)提高采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163318； 2. 大慶油田有限責(zé)任公司第三采油廠，黑龍江 大慶 163113；3. 大慶油田有限責(zé)任公司儲運(yùn)銷售分公司，黑龍江 大慶 163453； 4. 大慶油田化工有限公司東昊表活劑公司，黑龍江 大慶 163453）

采用SPS仿真軟件建立寒區(qū)埋地?zé)嵊凸艿赖恼摧敺抡婺Ｐ停瑢φ摧斔凸に嚨臏亟底兓M(jìn)行仿真。分析正反輸運(yùn)行時(shí)沿線油溫隨時(shí)間變化規(guī)律，首站油溫隨時(shí)間變化規(guī)律及不同時(shí)刻加熱后的油頭在管道中流動時(shí)的溫降變化規(guī)律。仿真結(jié)果分析表明，反輸開始后，反輸首站油溫先迅速降低后升高，最后達(dá)到穩(wěn)定，且反輸運(yùn)行溫降變化在20h左右達(dá)到穩(wěn)定；對于保溫管道，反輸最低溫度出現(xiàn)在冷油頭到達(dá)首站時(shí)，在制定正反輸運(yùn)行方案時(shí)需特別注意。通過運(yùn)用SPS軟件對埋地?zé)嵊凸艿勒摧敎亟捣治觯蓪σ院笾贫ㄕ摧斶\(yùn)行方案具有一定指導(dǎo)意義。

寒區(qū)；輸油管道；正反輸；SPS仿真軟件；溫降

目前國內(nèi)大部分油田已處于開發(fā)中后期，尤其是大慶油田、呼倫貝爾油田等寒區(qū)油田，油田產(chǎn)能下降，導(dǎo)致原油管道處于低輸量運(yùn)行狀態(tài)。由于寒區(qū)原油具有高凝點(diǎn)、高含蠟、高粘度的“三高”特點(diǎn)，低輸量運(yùn)行會使管道溫降增大，凝管概率大大升高

[1]。正反輸送工藝是解決低輸量運(yùn)行的一種有效方法[2-3]，本文運(yùn)用油氣管道仿真軟件SPS[4]建立寒區(qū)輸油管道的正反輸仿真模型，對正反輸過程的溫降規(guī)律進(jìn)行仿真，并對反輸運(yùn)行時(shí)的溫降進(jìn)行分析。

1 SPS軟件簡介

(Stoner Pipeline Simulator)SPS能夠?qū)艿垒斔偷膯我环N流體，批次流體或單相混合流體進(jìn)行模擬，是先進(jìn)的瞬態(tài)水力模擬軟件。SPS通過計(jì)算流量、壓力、密度、溫度和其它一些沿管線隨時(shí)間變化的變量來建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，以此來對復(fù)雜的工況調(diào)節(jié)進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真，是國內(nèi)外公認(rèn)的高精度長輸管道工藝仿真計(jì)算軟件，已經(jīng)在國內(nèi)秦京線[5]、烏蘭線[6]等多條管道中成功得到應(yīng)用。

2 正反輸運(yùn)行模型的建立

2.1 基礎(chǔ)仿真參數(shù)

東北某原油管道全長39.5 km，管徑DN200，全線設(shè)有首站、末站，輸送介質(zhì)為原油，末站壓力為 0.3 MPa。根據(jù)現(xiàn)場正反輸運(yùn)行方案，正輸運(yùn)行時(shí)首站溫度為82℃，輸量為80 m3/h，反輸運(yùn)行時(shí)末站溫度為75 ℃，輸量為97 m3/h，正輸切反輸操作流程按80 min計(jì)算。管道、環(huán)境相關(guān)參數(shù)及沿線高程示意圖如表1和圖1所示。

表1 管道和環(huán)境相關(guān)參數(shù)Table 1 The related parameters of pipes and environment

圖1 沿線高程示意圖Fig.1 The schematic diagram of elevation

2.2 正反輸送工藝模型建立

假設(shè)條件：在現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行中，正反輸送工藝流程切換需進(jìn)行大量設(shè)備操作和流程切換，由于復(fù)雜的流程切換主要是為了保證正反輸切換過程的安全性，本文在運(yùn)用SPS進(jìn)行仿真模擬時(shí)將正反輸送工藝切換流程進(jìn)行簡化，在MODEL BUILDER中建立簡化后的正反輸送模型如圖2所示。

圖2 正反輸送工藝簡化模型Fig.2 The simplified model of right and reverse transportation

將管道高程-距離曲線及相關(guān)參數(shù)輸入到軟件中，正反輸送溫降計(jì)算選擇TRANSTHERMAL傳熱計(jì)算模型，土壤邊界選擇等效圓筒模型邊界。

3 正反輸運(yùn)行溫降規(guī)律分析

3.1 正輸運(yùn)行及正輸切反輸過程中沿線溫度變化

在相關(guān)參數(shù)輸入及模型建立以后，首先需要對模型進(jìn)行正輸穩(wěn)態(tài)運(yùn)行仿真。將多組現(xiàn)場運(yùn)行實(shí)測數(shù)據(jù)輸入軟件，在INTRAN文件中編寫正輸控制程序，使正輸達(dá)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，通過INGRAF文件編寫相關(guān)程序?qū)⒂?jì)算結(jié)果在OUTGRF中進(jìn)行輸出。

在INTRAN文件中編寫正輸切反輸流程控制程序，為了避免水擊造成壓力波動過大現(xiàn)象出現(xiàn)，緩慢依次關(guān)閉閥B1，閥B3，并依次打開閥B4，閥B2，切換到反輸運(yùn)行狀態(tài)。，正輸穩(wěn)態(tài)運(yùn)行及正輸切反輸過程管道沿線油溫變化仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 正輸穩(wěn)態(tài)運(yùn)行及正輸切反輸過程管道沿線油溫變化仿真結(jié)果Fig.3 The simulation results of oil temperature variation along pipes on steady operation of right transportation and the process of right transportation switched to reverse transportation

由表2分析可知，由于管道保溫層具有很好的隔熱作用，阻礙了管道中存油向周圍土壤的散熱，使得正輸穩(wěn)態(tài)運(yùn)行與正輸切反輸流程結(jié)束后的管道沿線油溫變化不大。

3.2 反輸運(yùn)行冷油頭及沿線溫度變化

圖4 反輸運(yùn)行油溫隨時(shí)間變化仿真結(jié)果Fig.4 The simulation results of oil temperature variation of reverse transportation

正輸切反輸過程結(jié)束后，進(jìn)入反輸運(yùn)行狀態(tài)，反輸運(yùn)行模型的初始條件為正輸切反輸過程結(jié)束后的管道沿線油溫，周圍土壤溫度為穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)所建立的土壤溫度場。反輸運(yùn)行油溫隨時(shí)間變化仿真結(jié)果如圖4所示。由圖4，通過分析整個(gè)反輸運(yùn)行過程中管道各距離處每一時(shí)刻管內(nèi)原油沿線油溫隨反輸運(yùn)行時(shí)間的變化可知，反輸開始后冷油頭反向推進(jìn)，最終冷油頭到達(dá)首站處的溫度要低于正輸時(shí)的末站溫度，這是由于管道保溫層的隔熱特性引起的，反輸時(shí)保溫層隔絕了土壤向冷油頭傳熱，使冷油頭在管道輸送過程中沒有出現(xiàn)溫升現(xiàn)象，反而出現(xiàn)了進(jìn)一步的溫降。

另外，反輸開始后末站油溫與土壤溫度之間的溫差較大，出現(xiàn)較大的溫降梯度使油溫迅速降低，隨著運(yùn)行時(shí)間的積累，由于熱油頭在管道不斷向前推移，出現(xiàn)溫降梯度較大的管段部分也隨之向前推移，同時(shí)，不斷有新的熱油頭對周圍土壤進(jìn)行傳熱，進(jìn)而使熱油頭與土壤之間的溫差減小，最終在20 h左右反輸運(yùn)行管道內(nèi)油溫達(dá)到穩(wěn)態(tài)。

3.3 反輸首站油溫分析

反輸首站油溫隨時(shí)間變化仿真結(jié)果如圖 5所示。

圖5 首站油溫隨時(shí)間變化仿真結(jié)果Fig.5 The simulation results of oil temperature variation of initial station

由圖5分析可知，反輸開始后，首站附近處存留的原油溫度較高，與土壤溫差較大，使首站處油溫迅速下降，當(dāng)管內(nèi)全部存油排出管道時(shí)，首站油溫達(dá)到最低點(diǎn)，這也是正反輸送整個(gè)過程中出現(xiàn)的最低油溫點(diǎn)，是需要特別注意的。之后，隨著熱油不斷經(jīng)過首站，使首站處油溫不斷升高，最終在20h左右首站油溫達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

3.4 加熱后的末站原油在管道中的溫度變化

不同時(shí)刻加熱后的油頭在管道中流動時(shí)的溫降變化過程如圖6所示。

由圖6分析可知，0 h末站的熱油頭油溫較高，而由于正輸結(jié)束時(shí)此處的土壤溫度較低，使末站熱油頭油溫迅速下降，將熱量傳遞給周圍土壤系統(tǒng)，使周圍土壤溫度升高，進(jìn)一步使下一時(shí)刻的熱油頭與周圍土壤之間的溫差減小，由此驗(yàn)證了之前溫降分析的準(zhǔn)確性。最終在5 h時(shí)的熱油頭流過管道時(shí)油溫變化趨于穩(wěn)定，由于模擬反輸流量為97 m3/h，經(jīng)計(jì)算熱油頭需要15 h左右流經(jīng)整個(gè)管道，這與前述所分析的反輸運(yùn)行20 h左右達(dá)到穩(wěn)定是一致的。

圖6 加熱后油頭在管道中溫度變化Fig.6 The oil temperature variation of hot oil head in pipeline

4 結(jié)論與建議

（1）運(yùn)用SPS仿真軟件構(gòu)建正反輸送工藝仿真模型，對正反輸送工藝的管道油溫溫降變化進(jìn)行仿真。

（2）通過對正反輸運(yùn)行時(shí)沿線油溫隨時(shí)間的變化進(jìn)行分析，得出反輸開始后，所選管道在20h左右達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行，且對于保溫管道，最低溫度出現(xiàn)在冷油頭到達(dá)首站時(shí)，制定反輸方案時(shí)需特別留意。

（3）通過對反輸首站油溫隨時(shí)間的變化進(jìn)行分析，得出反輸首站油溫先降低再升高，最后達(dá)到穩(wěn)定的溫降規(guī)律。

（4）通過分析加熱后油頭在管道中溫度變化，得出反輸時(shí)，熱油頭對周圍土壤系統(tǒng)進(jìn)行傳熱的規(guī)律，進(jìn)一步驗(yàn)證了之前溫降分析的準(zhǔn)確性，并對寒區(qū)輸油管道制定正反輸送運(yùn)行方案提供一定指導(dǎo)。

［1］董有智,吳明,繆娟,王昆,趙名師,劉寶明,吳東旭. 低輸量運(yùn)行管道的不穩(wěn)定性分析[J]. 管道技術(shù)與設(shè)備,2007,02:15-16+19.

［2］戢運(yùn)波. 原油管道低輸量運(yùn)行影響因素分析與優(yōu)化措施[J]. 長江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版),2013,25:101-103.

［3］馬偉平,李立,徐海紅,等. 任京輸油管道加降凝劑正反輸運(yùn)行規(guī)律研究[J]. 油氣儲運(yùn),2006,02:27-30+62+3+2.

［4］Advantica. Stoner Pipeline Simulator(SPS)9.7.2[R].2009

［5］熊輝. 原油管道仿真系統(tǒng)的開發(fā)[D].青島：中國石油大學(xué),2010.

［6］霍連風(fēng). 順序輸送管道調(diào)度計(jì)劃動態(tài)模擬研究[D].成都：西南交通大學(xué),2006.

Analysis of the Temperature Drop During the Process of Right and Reverse Transportation in Cold Region

ZHOU Gang1，ZHANG Wei2，YANG Lin1,3，LI Zhe1，LIU Feng-rong1，WANG Jia-nan1，WANG Men4
（1. Key Laboratory of Enhanced Oil Recovery of Education Ministry, Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318, China; 2. Daqing Oilfield Company NO.3 Oil Production Plant, Heilongjiang Daqing 163113, China; 3. Daqing Oilfield Company Storage & Transportation and Marketing Branch, Heilongjiang Daqing 163453, China; 4. Daqing Oilfield Chemical Limited Company Donghao Surface Active Agent Branch, Heilongjiang Daqing 163453, China）

Pipeline simulation software SPS was adopted to establish the simulation model of right and reverse transportation of buried oil pipelines in cold region. The law of the temperature drop during the process of right and reverse transportation was analyzed, including temperature variation along pipes and in initial station over time, and temperature drop variation when oil head floating after heating at different moments. The simulations suggest that oil temperature in initial station drops rapidly and then increases when reverse transportation beginning, keeps stable finally. The temperature variation during reverse transportation is little after 20 h. The lowest temperature of insulated pipeline during reverse transportation appears as cold oil head reaches to initial station. Analysis of the temperature drop during the process of right and reverse transportation of buried hot oil pipeline based on SPS has guiding significance to make the plan of right and reverse transportation in future.

Cold region；Oil pipeline；Right and reverse transportation；SPS；Temperature drop

TE 832

A

1671-0460（2016）03-0542-03

國家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目，項(xiàng)目編號：2012BAH28F00中國石油科技創(chuàng)新基金研究項(xiàng)目，項(xiàng)目編號：2014D-5006-0607

2015-12-02

周剛（1988-），男，山東省濰坊市人，碩士研究生，油氣儲運(yùn)工程專業(yè)，研究方向：油氣長距離管輸技術(shù)。E-mail：zhougang2017@163.com