原油管道停輸溫降模擬研究

楊宇博，楊 光

（東北石油大學(xué)， 黑龍江 大慶 163318）

原油管道停輸溫降模擬研究

楊宇博，楊 光

（東北石油大學(xué)， 黑龍江 大慶 163318）

原油在管道輸送的過程中不可避免會(huì)出現(xiàn)停輸現(xiàn)象。針對(duì)原油管道停輸再啟動(dòng)存在的技術(shù)難題。以熱力水力分析為基礎(chǔ)，應(yīng)用仿真模擬的方法利用pipeline Studio(TLNET)軟件模擬管道停輸溫降過程。以慶哈管道為例，模擬管道停輸溫降過程，根據(jù)模擬結(jié)果繪制了三維溫降圖，以原油凝固點(diǎn)以上 3 ℃為判據(jù)確定了安全停輸時(shí)間。最終確定慶哈輸油管道冬季安全停輸時(shí)間為 24 h，為管道安全運(yùn)行提供了可靠的理論依據(jù)。

原油管道；溫降；停輸時(shí)間；TLNET 軟件

熱油管線的停輸溫降問題將直接影響到管線運(yùn)行的安全與成本。在低溫條件下管道停輸一段時(shí)間會(huì)析出蠟晶，形成空間三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使原油的流動(dòng)性不斷惡化。當(dāng)油溫降低到凝點(diǎn)以下，原油便會(huì)凝固，明顯增加了管道再啟動(dòng)的阻力[1]。若停輸時(shí)間過長，導(dǎo)致油品發(fā)生較大的溫降造成“凝管”事故。這種嚴(yán)重生產(chǎn)事故在油田集輸管線和長距離大口徑輸油管線上都曾發(fā)生過。以慶哈原油管道為例，因?yàn)橥涤?、漏油、管道維修等因素，很容易造成管道停輸問題[2]。應(yīng)用 TLNET 仿真軟件，模擬研究慶哈管道的停輸溫降規(guī)律，確定安全停輸時(shí)間，進(jìn)而指導(dǎo)該管線的安全操作與管理。因此，研究該含蠟原油管道停輸溫降規(guī)律，確定管道安全停輸時(shí)間，對(duì)于保障成功啟動(dòng)、避免凝管具有重要意義。

1 管道概況及油品物性

1.1 管道概況

慶哈（大慶—哈爾濱）輸油管道全長 182.8 km，管徑為Φ377 mm×6.4 mm，保溫層厚度為 40 mm[2]，埋深 1.5 m。慶哈輸油管道年輸量為 200～300 萬 t，根據(jù)管道實(shí)際運(yùn)行的情況知，目前該管道最大年輸量是 280 萬 t[3]。全線共有四座輸油站。本文以首站至中一站最冷月為例，全長 62 km。管道運(yùn)行工況參數(shù)見表 1。慶哈輸油管道的設(shè)計(jì)出站壓力范是為4.0～6.5 MPa，當(dāng)最大壓力達(dá)到 6.5 MPa 時(shí)泵站的安全閥自動(dòng)打開[4]。

表1 首站—中一段工況Table 1First-period - condition

1.2 油品物性

大慶原油含蠟量較高、含硫低、凝點(diǎn)較高，50℃時(shí)粘度為 23.79 mPa?s。粘度隨溫度升高而降低，當(dāng)溫度達(dá)到 60 ℃粘度顯著降低。大慶原油組成及基本物性見表2。

表2 大慶原油物性參數(shù)Table 2physicalpropertyparameters of Daqing crude oil

2 模擬研究

在原油物性、流變性研究及現(xiàn)場調(diào)研分析的基礎(chǔ)上，對(duì)輸油管道進(jìn)行水力、熱力條件的分析及經(jīng)濟(jì)比較確定管道的輸送工藝參數(shù)。需要確定原油密度、比熱容、動(dòng)力粘度等物性參數(shù)。輸入原油流量G=0.088 6 m3/s、管道結(jié)構(gòu)參數(shù)、熱物理參數(shù)等基本參數(shù)；同時(shí)還需輸入泵的特性曲線及原油物性參數(shù)。并以管道運(yùn)行的穩(wěn)態(tài)過程為初始狀態(tài)，控制停泵時(shí)間和閥門關(guān)閉的先后順序，使用pipeline Studio 軟件的 TLNET 模擬器模擬管道停輸溫降過程。TLNET軟件可選用的狀態(tài)方程有兩種：Table 方程和 BWRS狀態(tài)方程。BWRS狀態(tài)方程引入了更多的修正參數(shù)，適用范圍更廣，在處理停輸非穩(wěn)態(tài)變化過程時(shí)精度相對(duì)于其他方程較高。在模型建立過程中選用BWRS真實(shí)液體狀態(tài)方程。其狀態(tài)方程組如下：

質(zhì)量平衡方程

動(dòng)量平衡方程

能量平衡方程

式中：A 為管道橫截面積，m2；υ為速度，m/s；t為時(shí)間（t≥0），s；x 為沿線位置（0≤x≤L），m；f為摩阻系數(shù)；Di為管道內(nèi)徑，m；Uw為總傳熱系數(shù)，W/(m2?K)。 在 計(jì) 算 摩 阻 系 數(shù) 時(shí) 采 用 常 見 的Colebrook-White 方程，它是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：ε為管內(nèi)壁粗糙度，m；Re為雷諾數(shù)，無量綱。

由于影響計(jì)算的因素很多，可作以下假設(shè)[4]：

①將大地周圍各向異性的土壤性質(zhì)簡化為各向同性的均勻介質(zhì)。

②當(dāng)管道靜止時(shí)，管道中原油沿軸向的傳熱較小，故忽略不計(jì)，并忽略高程差[5]。

③管道沿線初始地溫為當(dāng)?shù)啬昶骄販亍?/p>

④管道內(nèi)為一維流動(dòng)，沿截面速度均勻。

含蠟原油管道在停輸溫降過程是一個(gè)伴隨相變的三維非穩(wěn)態(tài)傳熱問題[4]。研究管道正常運(yùn)行到停輸過程，模擬計(jì)算管道停輸后沿程溫降規(guī)律，并根據(jù)模擬結(jié)果繪制三維溫降圖[6],如圖 1所示。

圖1 管道停輸三維溫降圖Fig.1Three-dimensional temperature drop figurepipeline

圖1中是慶哈含蠟原油管道停輸過程管道全線溫度的變化情況。管道沿程溫降成曲線遞減，熱泵站出口處油流溫度較高，油流與周圍介質(zhì)溫差較大，溫降快，曲線陡。隨著油流的前進(jìn)，溫降慢，曲線變平，模擬結(jié)果符合蘇霍夫溫降規(guī)律[7]。由圖可知終點(diǎn)溫度最低，停輸后在終點(diǎn)處最容易發(fā)生凝管。

3 結(jié)論及建議

（1）以原油凝固點(diǎn)以上 3 ℃為判據(jù)，根據(jù)對(duì)慶哈管道模擬，可知其管道不同停輸時(shí)間 8、16、24、25 h 時(shí)，管道末端出口處油溫分別為 43.5、36.8、31.8、28 ℃。確定慶哈輸油管道一月份安全停輸時(shí)間為 24 h。

（2）上述 TLNET 軟件對(duì)含蠟原油管道模擬結(jié)果還只處于理論階段，還需通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，進(jìn)而為管道安全運(yùn)行提供了可靠的理論依據(jù)[6]。

（3）該溫降模擬過程只考慮了停輸非穩(wěn)態(tài)一種工況，還應(yīng)進(jìn)一步研究不同工況下管道停輸再啟動(dòng)過程[6]。采用以上停輸溫降方法確定熱油管道的安全停輸時(shí)間，為管道的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了依據(jù)。

［1］劉曉燕,龐麗萍,王振. 慶哈埋地管道允許停輸時(shí)間的計(jì)算[J]. 油氣儲(chǔ)運(yùn),2003,05:18-21+61-63.

［2］劉揚(yáng),袁亮,魏立新. 慶哈埋地管道安全停輸時(shí)間模擬[J]. 油氣儲(chǔ)運(yùn),2009,04:16-18+84.

［3］郭小倩. 慶哈輸油管道安全停輸再啟動(dòng)技術(shù)研究[D].東北石油大學(xué),2014.

［4］宇波,付在國,李偉,毛珊. 熱油管道大修期間停輸與再啟動(dòng)的數(shù)值模擬[J]. 科技通報(bào),2011,06:890-894.

［5］康凱. 埋地?zé)嵊凸艿佬迯?fù)過程熱力分析及模擬計(jì)算[D].大慶石油學(xué)院,2010.

［6］沈曉燕,姚玉萍,熊小琴,丁超. 風(fēng)城特稠油管線停輸再啟動(dòng)模擬研究[J]. 石油天然氣學(xué)報(bào),2009,03:327-329.

Simulation Study on Temperature Drop of Crude oilpipeline During Shutdown

YANG Yu-Bo, YANG Guang
（Northeastpetroleum University, Heilongjiang Daqing 163318，China）

In the transportationprocess of crude oil, it is inevitable that there will be a shutdownphenomenon of thepipeline. In view of the technicalproblems of shutdown and restart of crude oilpipeline, theprocess of temperature drop after shutdown was simulated by using the Studiopipeline (TLNET) software based on the thermal-hydraulic analysis. Taking thepipeline from Daqing to Harbin as an example, the temperature drop after shutdown was simulated. According to the simulation result, the three-dimensional temperature drop diagram was drawn, and the safe shutdown time was determined. The results show that the safe shutdown time of thepipeline from Daqing to Harbin is 25 h, which canprovide a reliable theory basis for the safe operation of thepipeline.

Crude oilpipeline; Temperature drop; Shutdown time; TLNET software

TE 832

： A

： 1671-0460（2017）02-0257-02

2016-09-10

楊宇博（1992-），男，黑龍江省綏化市人，碩士，研究方向：油氣儲(chǔ)運(yùn)工程。E-mail：18745955353@163.com。