基于PipePhase軟件管道最小輸量計算

陳思奇，魏立新，趙健，潘峰，王輝，付曉明，楊廣仁(．東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，黑龍江大慶6338;．大慶油田有限責(zé)任公司儲運(yùn)銷售分公司，黑龍江大慶6338)

基于PipePhase軟件管道最小輸量計算

陳思奇1，魏立新1，趙健1，潘峰1，王輝2，付曉明2，楊廣仁2
(1．東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，黑龍江大慶163318;2．大慶油田有限責(zé)任公司儲運(yùn)銷售分公司，黑龍江大慶163318)

目前，國內(nèi)大部分油田產(chǎn)量逐漸下降，外輸管道處于低輸量運(yùn)行的狀態(tài)，為了保障管道的安全運(yùn)行，綜合考慮管道的熱力和水力特性，采用PipePhase軟件建立埋地?zé)嵊凸艿赖姆抡婺Ｐ停岢隽斯艿雷钚≥斄康挠嬎惴椒?。以某段原油外輸管道為例，計算了全年不同月份管道的熱力最小安全輸量及水力最小輸量，最終確定了管道的最小安全輸量，為低輸量狀態(tài)下的管道安全運(yùn)行提供依據(jù)。

PipePhase軟件;最小輸量;安全運(yùn)行;輸油管道

管道運(yùn)輸作為一種主要的原油運(yùn)輸方式，具有輸送距離長、輸送量大等優(yōu)點［1］。而國內(nèi)的大部分油田現(xiàn)在正處于開發(fā)的中后期，油田的產(chǎn)量不斷下降，使外輸管道處于較低輸量的運(yùn)行狀態(tài)［2-4］。我國盛產(chǎn)的原油普遍具有高凝點、高含蠟、高黏度的“三高”特點，當(dāng)熱油管道在較低輸量運(yùn)行時，管道內(nèi)原油流速較低，管道內(nèi)原油的熱損失增加，管道溫降增大，原油的流動性變差，此時若管道外部的條件發(fā)生某些變化，在低輸量狀態(tài)下運(yùn)行的管道會很快進(jìn)入不穩(wěn)定工作狀態(tài)，導(dǎo)致凝管和停輸?shù)母怕蚀蟠笤黾印榱嗽诘洼斄繝顟B(tài)下保障管道的安全運(yùn)行，最小安全輸量的計算提供了重要的參考依據(jù)。本文運(yùn)用管網(wǎng)模擬計算分析軟件PipePhase［5］建立輸油管道仿真模型，計算熱油管道最小安全輸量。

1 PipePhase軟件簡介

PipePhase作為一種嚴(yán)格的穩(wěn)態(tài)多相流模擬軟件，將現(xiàn)代油氣生產(chǎn)方法與軟件分析技術(shù)進(jìn)行有效的結(jié)合，形成了具有魯棒、高效特性的油田設(shè)計規(guī)劃工具。PipePhase軟件擁有易于操作的用戶界面和豐富詳盡的物性數(shù)據(jù)，可用于處理各種流體類型，包括組成混合物、二氧化碳、蒸汽、黑油以及單相的氣液體等，被全球油氣生產(chǎn)、設(shè)計公司作為首選的解決方案軟件。因為PipePhase軟件具有嚴(yán)格的多相流分析和詳盡的熱力學(xué)計算，使其廣泛應(yīng)用于管網(wǎng)模擬計算，例如油氣生產(chǎn)和地面管網(wǎng)、管線的傳熱分析等。

2 仿真模型建立及最小輸量計算

2．1基礎(chǔ)參數(shù)

東北某輸油管道全長43 km，管徑DN629，全線設(shè)有首站、末站，輸送介質(zhì)為原油。用PipePhase軟件建立該段輸油管道模型，選取的基本參數(shù)如表1所示。

表1 管線運(yùn)行基本參數(shù)及PVT數(shù)據(jù)Table 1 The basic parameters of the pipeline operation and PVT data

2．2管道周圍土壤溫度及總傳熱系數(shù)計算

考慮地表面溫度的年周期性變化，采用傳熱學(xué)中表面溫度隨時間周期性變化的半無限大物體非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)的分析結(jié)果，土壤溫度隨深度及時間變化可按地表溫度推算［6-7］。

式中，hl為從地表垂直向下的深度，m;Tam為年平均溫度，℃;Tamax為全年中的日平均最高氣溫，℃;τ為從日平均最高氣溫開始計算的時間，h;τ0為低溫的波動周期，h;αa為土壤與大氣的換熱系數(shù)，W/(m2·℃);at為土壤導(dǎo)溫系數(shù)，m2/h;λt為土壤導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2·℃)。

根據(jù)式(1)可求得管道埋深處周圍的土壤溫度變化。

對于埋地保溫、介質(zhì)流動狀態(tài)為紊流流態(tài)的管道，總傳熱系數(shù)主要取決于管道至土壤的放熱系數(shù)、管道保溫層的導(dǎo)熱系數(shù)，由于這兩個導(dǎo)熱系數(shù)不容易獲取，難以得到準(zhǔn)確的計算結(jié)果，因此本文主要采用管道實際運(yùn)行時的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用反算插值法［8］求得全年不同月份管道的總傳熱系數(shù)K，插值多項式可表示為:

根據(jù)上述方法對該輸油管道確定埋深處周圍的土壤溫度變化和不同月份總傳熱系數(shù)，結(jié)果如表2所示。

表2 管道埋深地溫分布及總傳熱系數(shù)Table 2 Temperature distribution of buried pipeline and total heat transfer coefficient

選擇模擬類型為Network Model，流體模型選擇Blackoil，度量單位選擇SI。建立模型如圖1所示。

圖1 計算模型Fig．1 Calculation model

2．3模型計算

熱油管道的最小安全輸量，需要考慮熱力和水力兩部分因素，其中熱力因素是管道在正常工況下運(yùn)行時，極限條件即最高出站溫度和最低進(jìn)站溫度下決定的最小安全輸量;而水力因素是在考慮管道工作特性的基礎(chǔ)上，避免管道進(jìn)入不穩(wěn)定工作區(qū)時管道的最小安全輸量［9-11］。

2．3．1熱力安全輸量當(dāng)一條管道的總傳熱系數(shù)K、外直徑D、管道埋深處周圍溫度T0確定后，在管長LR、允許的最高出站油溫TRmax和最低進(jìn)站溫度Tzmin確定的情況下，可由(3)式求得熱油管道的最小輸量Gmin。

對于一條已建管道，熱油管道的最小輸量Gmin是不斷發(fā)生變化的。冬季，當(dāng)?shù)販豑0下降，或者雨雪等其他原因?qū)е峦寥赖臐穸仍黾?，這將會增大管道的總傳熱系數(shù)K，使熱油管道的延程散熱量增大，導(dǎo)致Gmin相對增加。而在夏季，由于埋深處地溫較高，熱力最小輸量相對冬季的值更小一些。對于相同的一段管道，若加熱站之間的站間距不同，或者管道在運(yùn)行中的散熱情況不同，即每個加熱站的管道傳熱系數(shù)K值不同時，則站間距LR或K值較大的站間管道，其熱力最小輸量相應(yīng)較大。在這種情況下，整個線路管段的允許最低輸量應(yīng)該通過各個站間計算得出最小輸量較大的值為準(zhǔn)。

建立模型后，取最高出站溫度為72℃，進(jìn)站溫度為凝點以上3℃即35℃，分別計算不同月份管道運(yùn)行時熱力允許最小輸量，結(jié)果如表3所示。

表3 全年不同月份熱力最小輸量Table 3 Them inimum thermal safety output in differentmonths of the year

2．3．2管道工作特性允許輸量所謂管道的工作特性是指當(dāng)管道輸送油品時，油品的壓降與油品流量的關(guān)系。熱油管道的水力特性和熱力特性是相互影響的，隨著流量的變化管道的工作特性曲線可以分為3個區(qū)域［12-13］，如圖2所示。

圖2熱油管道的工作特性Fig．2 Operation characteristics of hot oil pipeline

圖2 中的Ⅱ區(qū)通常被稱為不穩(wěn)定工作區(qū)。若輸油管道在該輸量范圍內(nèi)運(yùn)行時，由于某些原因使管道內(nèi)原油流量減小，摩阻反而不斷增加，查看管道工作特性曲線可知，這將進(jìn)一步導(dǎo)致流量減小，使泵的排量減小，最終可能導(dǎo)致管道停輸。Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)的分界流量即為熱油管道工作特性允許的最小輸量。為了保障管道的安全運(yùn)行，必須使輸量大于管道工作特性允許的最小輸量。

在利用PipePhase軟件建立的模擬管段計算管道工作特性允許的最小輸量時，需要選擇一些基準(zhǔn)參考點，通過建立的管道模型，首先隨機(jī)選取一些參考點，計算不同輸量下管道的壓降，從而粗略的繪制管道工作特性曲線，確定臨界輸量的范圍后，通過改變步長計算該流量范圍內(nèi)的壓降，壓降最小的點對應(yīng)的輸量即為管道工作特性允許的最小輸量［14］。

通過建立模型分別計算全年不同月份管道特性允許最小輸量，結(jié)果如表4所示。

表4 管道工作特性允許最小輸量Table 4 M inimum allowable throughput of pipeline operating characteristics

2．4管道最小輸量確定

根據(jù)該管道水力及熱力最小輸量的計算結(jié)果，取水力和熱力輸量中較大的作為管道最小安全輸量，以此來確定該管道全年不同月份的最小安全輸量，用來指導(dǎo)實際生產(chǎn)的運(yùn)行，計算原油管道安全輸量的具體流程如圖3所示。最終計算結(jié)果如圖4所示。

圖3 最小安全輸量計算過程Fig．3 The calculation process of them inimum safety throughput

圖4 輸油管道全年最小輸量Fig．4 Them inimum annual throughput of oil pipeline

2．5結(jié)果分析

由圖4可知，輸油管道工作特性允許輸量隨著季節(jié)變化發(fā)生明顯變化，在9月外輸管道的最小安全輸量最小值為160 m3/h，在2月外輸管道的最小安全輸量達(dá)到最大值為239 m3/h。外輸管道的最小安全輸量在夏季時小，在冬季時較大，這是由于夏季環(huán)境溫度較高，沿線油溫溫降較小，進(jìn)而使最小安全輸量較小;而冬季時，環(huán)境溫度較低，管道沿線溫降較大，限制了最小安全輸量的取值，因此最小安全輸量較大。

另外，外輸管道在夏季，特別是春夏交替時，最小安全輸量有一定的增大。這是由于春夏交替時此管道所處地區(qū)土壤濕度變大，管道總傳熱系數(shù)增大，導(dǎo)致了管道的沿線溫降變大，使最小安全輸量有一定幅度的升高。

3 結(jié)論

運(yùn)用PipePhase軟件構(gòu)建熱油管道輸送仿真模型，綜合考慮管道的水力和熱力特性，基于PipePhase軟件建立了管道熱力最小輸量和水力最小輸量的計算方法。

在對熱油管道運(yùn)行全年最小輸量計算時，發(fā)現(xiàn)管道最小安全輸量隨季節(jié)而不斷發(fā)生變化，冬季時最小輸量較高，夏季時最小輸量較低。對于目前大部分油田產(chǎn)量下降，外輸管道處于較低輸量的運(yùn)行狀態(tài)時，最小輸量的計算對于保障管線安全運(yùn)行有一定的指導(dǎo)作用。

［1］楊筱衡．輸油管道設(shè)計與管理［M］．東營:中國石油大學(xué)出版社，2006．

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

［3］陳從磊，黃啟玉，王乾坤．正反輸送管道停輸再啟動數(shù)值模擬分析［J］．石油化工高等學(xué)校學(xué)報，2015，28(2):77-82．Chen Conglei，Huang Qiyu，Wang Qiankun．Numerical simulation analysis of shutdown and restart procedure in normal and opposite direction transportation pipeline［J］．Journal of Petrochemical Universities，2015，28(2):77-82．

［4］曲虎，王新華，劉靜，等．高黏含水原油外輸管道優(yōu)化設(shè)計研究［J］．石油化工高等學(xué)校學(xué)報，2015，28(4):81-85．Qu Hu，Wang Xinhua，Liu Jing，et al．The research on optimization design for export pipeline of watercut crude oil with high viscosity［J］．Journal of Petrochemical Universities，2015，28(4):81-85．

［5］王鑫宇．Pipephase在葡萄花油田單管集輸設(shè)計中的應(yīng)用［J］．油氣田地面工程，2013，32(4):52．Wang Xinyu．Application of pipephase in design of single pipe gathering in Putao hua oilfield［J］．Oil-Gas Field Surface Engineering，2013，32(4):52．

［6］劉素枝．熱油管道溫降及土壤溫度場數(shù)值模擬［J］．遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報，2009，29(2):42-45．Liu Suzhi．Numerical simulation of temperature drop and soil temperature field ofhotoil pipeline［J］．Journalof Liaoning Shihua University，2009，29(2):42-45．

［7］Duan Jimiao，Wang Wei，Deng Daoming，et al．Predicting temperature distribution in the waxy oil-gas pipe flow［J］．Journal of Petroleum Science＆Engineering，2013，101(12):28-34．

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

［9］李海娜，吳家勇，嚴(yán)佳偉，等．老舊熱油管道的低輸量安全運(yùn)行技術(shù)［J］．管道技術(shù)與設(shè)備，2016(1):42-44．Li Haina，Wu Jiayong，Yan Jiawei，et al．Safey operation technology of low though-put old hot oil pipeline［J］．Pipeline Technology and Equipment，2016(1):42-44．

［10］許康，張勁軍，陳?。愣訜崃繒r熱油管道工作特性研究［J］．油氣儲運(yùn)，2008，27(2):16-17．Xu Kang，Zhang Jinjun，Chen Jun．Study on operation characteristics of pipelinewith constantheat［J］．Oil＆Gas Storage and Transportation，2008，27(2):16-17．

［11］李玉春．海拉爾油田集輸油管道安全運(yùn)行技術(shù)研究［D］．大慶:東北石油大學(xué)，2011．

［12］張燈貴，李明凱，梁見新．順序輸送管道的水力特性分析［J］．油氣儲運(yùn)，2003，22(11):25-27．Zhang Denggui，LiMingkai，Liang Jianxin．Analysis on hydraulic performance of batch transportation pipelines［J］．Oil＆Gas Storage and Transportation，2003，22(11):25-27．

［13］Yu Pengfei，Zhang Jinjun，Yu Bo，et al．Study on low flow rate operating characteristics of hotwaxy crude oil pipelines based on an unsteady-state calculation method［J］．Advances in Mechanical Engineering，2014(8):620848-620848．

［14］張璐瑩．蘇嵯輸油管道停輸再啟動問題研究［D］．大慶:東北石油大學(xué)，2012．

(編輯王亞新)

Calculation of the Minimum Throughput of Crude Oil Pipeline Based on PipePhase Software

Chen Siqi1，Wei Lixin1，Zhao Jian1，Pan Feng1，Wang Hui2，F(xiàn)u Xiaoming2，Yang Guangren2
(1．School of Petroleum Engineering，Northeast Petroleum University，Daqing Heilongjiang 163318，China; 2．Storage and Transportation Sales Branch of Daqing Oil Field，Daqing Heilongjiang 163318，China)

At present，the production of crude oil inmany domestic oil fields is gradually declining and the pipeline is in the state of low-volume operation．In order to ensure the safe operation of the pipeline，the thermal and hydraulic characteristics of the pipeline are considered，and the simulation model of buried hot oil pipeline is established by PipePhase software．The calculation method of the minimum flow of pipe is put forward．Taking a certain crude oil pipeline as an example，the minimum thermal and hydraulic safety output of the pipeline in differentmonths are calculated．Finally，the minimum safe output of the pipeline is determined，which is provided for the safe operation of the pipeline．

PipePhase software;Minimum throughput;Safe operation;Oil pipeline

TE832

A

10．3969/j．issn．1006-396X．2017．04．014

1006-396X(2017)04-0077-04

2017-03-29

2017-04-18

國家自然科學(xué)基金資助項目(51674086);國家基金重點項目“含蠟原油管道安全經(jīng)濟(jì)輸送的基礎(chǔ)問題研究”(51534004);中國石油創(chuàng)新基金項目(2014D-5006-0607)。

陳思奇(1993-)，男，碩士研究生，從事長距離管道輸送方面研究;E-mail:519636772@qq．com。

魏立新(1973-)，男，博士，教授，從事油田地面工程優(yōu)化與節(jié)能方面研究;E-mail:weilixin73@163．com。