蘇北東線、蘇北北線混油頭到站時間偏差的分析

楊 光 王 劍

〔1 中國石化銷售有限公司華東分公司 上海 200050；2中國石化江蘇徐州石油分公司 江蘇徐州 221000〕

成品油長輸管道一般采用順序輸送的方式來滿足單條管道輸送多種油品的要求。然而不同批次、不同種類的油品在順序輸送的過程中，難免會產(chǎn)生一段混油，這對于管道沿線各站場的分輸、注入以及混油切割等都有著直接影響。只有準(zhǔn)確預(yù)測混油頭到站的時間，中控調(diào)度才能及時操作，從而合理控制混油量，優(yōu)化混油切割并提高回摻能力[1]。因此，準(zhǔn)確跟蹤混油到站時間是保證油品質(zhì)量，確保管輸平穩(wěn)運行的關(guān)鍵。隨著華東管網(wǎng)調(diào)控中心技術(shù)水平的不斷提高，要求跟蹤混油頭的精確性也越來越高。

目前，華東管網(wǎng)調(diào)控中心下轄多條成品油管線(浙蘇管線、蘇南管線、蘇北東線、蘇北北線、金揚支線)，在實際的管輸運行過程中，中控調(diào)度發(fā)現(xiàn)蘇北東線、蘇北北線理論計算出的混油頭到站時間與實際相比偏差較大，本文重點針對這一情況進行分析。

1 蘇北東線、蘇北北線混油頭到站時間分析

蘇北東線現(xiàn)階段投入生產(chǎn)的管段全長142.81 km，管容13 062 m3，設(shè)計壓力為9.5 MPa，設(shè)有兩個工藝站場，以揚子站為首站，泰州站為末站。蘇北北線現(xiàn)階段投入生產(chǎn)的管段全長342.85 km，管容23 226 m3，設(shè)計壓力為9.5MPa，設(shè)有三個工藝站場，以揚子站為首站，淮安站為中間泵站，新沂站為末站。主要輸送的油品為：92號汽油、95號汽油、0號車柴、0號普柴。

目前，華東管網(wǎng)調(diào)控中心對混油頭的跟蹤，主要采用理論計算與在線密度計檢測兩種方法相結(jié)合來完成。中控調(diào)度先通過理論計算預(yù)估出混油頭到站時間，提前30 min電話通知站場的內(nèi)操啟動密度計泵，然后再通過密度計在線測定油品密度的實時變化情況，這樣中控調(diào)度就可以準(zhǔn)確地跟蹤混油頭到達各站場的具體時間。混油頭跟蹤的理論計算需要通過比較注入的油品體積量和管道容積之間的關(guān)系來確定，其計算方法如式(1)。

(1)

式中：ΔT——油頭到站的剩余時間，h；

V——該管段的管容，m3；

A——已注入到該管段中的油品體積，m3；

Q——油品的體積流量，m3/h。

根據(jù)輸油運行計劃，選取了2017年4月至5月期間，蘇北東線、蘇北北線不同種油品順序輸送過程中混油頭到站時間的數(shù)據(jù)進行分析，分別如表1及表2所示。通過表1和表2的分析可知，蘇北東線、蘇北北線混油頭到站的實際時間要比理論計算出的時間晚，且偏差較大，偏差值均在10 min以上。不同油品的輸送順序，即汽油頂柴油或者是柴油頂汽油，時間偏差值近似，對混油頭到站時間的影響不是很明顯，所以考慮從油品體積和管容兩個方面做進一步分析，具體情況詳見表1、表2。

表1 蘇北東線揚子—泰州段混油頭到站時間分析

表2 蘇北北線揚子-淮安和淮安-新沂段混油頭到站時間分析

2 溫度對油品體積影響的分析

根據(jù)熱力學(xué)定律可知，油品體積會受其溫度變化的影響，溫度升高則體積增加，溫度降低則體積減小。因為油品在管輸過程中，不斷通過管壁與周圍環(huán)境進行熱交換，油品的溫度始終處于熱力不穩(wěn)定狀態(tài)[2]，所以體積也始終處于不斷變化的過程中。由于成品油管道的單向運輸是通過油品在管道內(nèi)沿著壓力方向循序移動來實現(xiàn)的，即依靠后行油品的不斷填充注入來實現(xiàn)油品運輸?shù)?，因而探討油品體積變化的影響只需要考慮后行油品即可。

根據(jù)蘇霍夫公式，假定油品從首站發(fā)出時的溫度為TR，管道中心埋深處的自然地溫為T0，則距起點x位置處的油溫為Tx，那么管道沿程的溫度分布可用式(2)表示。

Tx=(T0+b)+[TR-(T0+b)]e-ax

(2)

式中：G——油品的質(zhì)量流量，kg/s；

c——輸油平均溫度下油品的比熱容，J/(kg·℃)；

D——管道外直徑，m；

k——管道總傳熱系數(shù)，W/(·℃)；

i——油流的水力坡降，m/m。

根據(jù)管道沿線各站場的實際分布情況，將各站之間的管線劃分若干管段，此時，若管段起、終點溫差不超過5 ℃，各個管段內(nèi)的油品溫度可以用平均溫度表示，則第k個管段的平均油溫為式(3)。

(3)

因此，可將20℃時油品的標(biāo)準(zhǔn)密度換算成當(dāng)前溫度下管段內(nèi)的油品密度式(4)。

ρpjk=ρ20-(1.825-0.001 315ρ20)(Tpjk-20)

(4)

于是，可以推導(dǎo)出由于溫度變化所引起的管段內(nèi)油品體積改變的量為式(5)。

(5)

式中：Vyk——標(biāo)準(zhǔn)溫度下管內(nèi)油品體積(m3)。

假設(shè)20℃時柴油密度為840.00 kg/m3。根據(jù)某日的實際運行數(shù)據(jù)，揚子-泰州段起點30.3℃，終點20.3℃，溫差為10℃；揚子-淮安段起點32.6℃，終點22.0℃，溫差為10.6℃。兩者溫差均遠大于5℃，需要將管段分割成數(shù)段，通過式(2)來進行微分計算。計算結(jié)果分別如表3和表4所示。淮安-新沂段起、終點溫差為1.1℃，可以通過式(5)來計算，溫度對油品體積的影響見表5。

具體情況詳見表3、表4。

表3 蘇北東線揚子-泰州管段溫度對油品體積的影響

表4 蘇北北線揚子-淮安管段溫度對油品體積的影響

分析表3及表4可知，由于揚子首站緊鄰煉廠，來油溫度較高，因而出站油溫相應(yīng)較高。淮安站油品的進站溫度及出站溫度之間有0.2℃的溫差，這是因為油品經(jīng)過泵組時會引起升溫。蘇北東線的揚子-泰州段總的體積變化量為-44.39 m3，產(chǎn)生的體積變化率為-0.34 %。蘇北北線的揚子-淮安段總的體積變化量為-69.82 m3，產(chǎn)生的體積變化率為-0.46 %；淮安-新沂段總的體積變化量(見表5)為-20.45 m3，產(chǎn)生的體積變化率為-0.13 %。可見溫度對油品體積變化具有很大的影響。

3 溫度對管道容積影響的分析

同樣，溫度變化也會引起管段內(nèi)管容的變化，如式(6)所示。

ΔVgTk=αVgk(Tpjk-T0k)

(6)

式中：α——鋼材的熱膨脹系數(shù)，1/℃；

T0k——標(biāo)準(zhǔn)溫度，℃；

Tpjk——管段內(nèi)油品的平均溫度，℃；

Vgk——標(biāo)準(zhǔn)溫度下管段的管容，m3。

管線的材質(zhì)型號為L415，熱膨脹系數(shù)α=1.2×10-5/℃；根據(jù)某日的實際運行數(shù)據(jù)，進行管容的計算分析，如表5所示：

表5 溫度對管道容積影響的分析

1)柴油密度838.94 kg/m3，油品總體積變化-20.45 m3。

分析表5可知，溫度對管容的影響很小。蘇北東線揚子-泰州段總的管容變化量為0.569 5 m3，產(chǎn)生的管容變化率為0.004 36%。蘇北北線的揚子-淮安段總的管容變化量為1.006 2 m3，產(chǎn)生的管容變化率為0.006 64%；淮安-新沂段總的管容變化量為0.285 7 m3，產(chǎn)生的管容變化率為0.001 76%。

4 壓力對油品體積影響的分析

油品具有粘滯性，在管輸過程中需要不斷克服沿程摩阻，于是在管線中各點的壓力都在變化[3]。油品的壓縮系數(shù)ζ約為1/(5～7.5)×1010m3/N，油品的可壓縮性在工況條件下較小，但是管道中的油品體積較大，壓力對油品的影響值得重視。

管段壓力變化引起的油品體積變化，可以由式(7)得出：

ΔVyPk=-ξVyk[PyPk-P0k]

(7)

式中：Vyk——管段內(nèi)油品的體積，m3；

Pok——管段內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)壓力，Pa；

PyPk——管段內(nèi)油品的平均輸送壓力，Pa。

成品油管道內(nèi)的壓力分布是按拋物線的規(guī)律變化的，則第k個管段內(nèi)平均輸送壓力可以按照式(8)計算：

(8)

根據(jù)5月某日的實際運行數(shù)據(jù)，進行計算分析，如表6所示。

表6 壓力對油品體積的影響分析

分析表6可知，淮安站的出站壓力比進站壓力高4.0 MPa，這是因油品經(jīng)過泵組增壓引起的。壓力對油品體積變化的影響較大。蘇北東線的揚子-泰州段總的體積變化量為-0.698 m3，產(chǎn)生的體積變化率為0.005 34 %。蘇北北線的揚子-淮安段總的體積變化量為-1.071 m3，產(chǎn)生的體積變化率為0.007 07 %；淮安-新沂段總的體積變化量為-0.928 m3，產(chǎn)生的體積變化率為0.005 72 %。

5 壓力對管道容積影響的分析

壓力對管容的影響需要從內(nèi)外兩個方面考慮，一方面是管道外部的覆土層壓力使管容減小，另一方面是管道內(nèi)部油品輸送壓力使管容增大。

為了抵銷管外覆土壓力對管容的壓縮作用，使其恢復(fù)標(biāo)準(zhǔn)管容，管內(nèi)油品需要提供額外的壓力，將其稱為初始壓力。將埋深為Ht、直徑為2R的管道簡化為適當(dāng)?shù)耐搀w模型，忽略其自重和管內(nèi)液壓的影響。土壤壓力可以分成三個部分：均布垂直土壤壓力、胸腔垂直土壤壓力和側(cè)向土壤壓力。

(9)

式中：P0——土壤壓力引起的管內(nèi)初始壓力，Pa；

a?so——側(cè)向垂直土壤壓力系數(shù)，管道兩側(cè)埋設(shè)方式相同時a?so=0；

G?so——側(cè)向垂直土壤壓力，Pa，G?so=2γsoHtR；

γso——土壤密度，通常情況下為2.6～2.8t/m3；

R——管道內(nèi)徑，m；

Ht——管道軸心到地表的距離，m。

根據(jù)崔煙雨等人的計算，土壤壓力引起的管內(nèi)初始壓力約為-0.001MPa[4]。雖然對于壓差、輸量較大的長輸管道來說，覆土壓力相對管內(nèi)油品的實際動壓要小得多，但是為了計算的準(zhǔn)確，仍將這一數(shù)值代入到后續(xù)的計算中去。

管內(nèi)油品壓力使管容的增加需要考慮各個管段的平均動壓，即同樣將全線分為k個管段，結(jié)合管段的劃分以及管段內(nèi)地形起伏情況來確定。若管道沿線高差起伏不明顯，為了計算方便，平均動壓可以取管段起點和終點的壓力算術(shù)值。如果段內(nèi)地形起伏較大，單純的計算是平均值法會造成較大的計算誤差，則需要考慮按照段內(nèi)地形起伏情況分段計算。

油品輸送壓力條件下第k個管段的管容增量為式(10)。

(10)

式中：dk——管道的外直徑，m；

δk——壁厚，m；

Ppjk——第k個管段內(nèi)的平均動壓，Pa。

彈性模量Ek=2×1011Pa根據(jù)5月某日的實際運行數(shù)據(jù)進行計算分析，如表7所示。

表7 壓力對管容的影響分析

分析表7可知，壓力對管容變化的影響較大。蘇北東線的揚子-泰州段總的管容變化量為11.26 m3，產(chǎn)生的管容變化率為0.086 2 %。蘇北北線的揚子-淮安段總的管容變化量為17.16 m3，產(chǎn)生的體積變化率為0.113 2 %；淮安-新沂段總的管容變化量為15.09 m3，產(chǎn)生的管容變化率為0.092 97 %。

6 混油頭跟蹤理論計算公式的修正

通過分析看出，溫度對油品體積、溫度對管容、壓力對油品體積及壓力對管容四種因素對于混油頭到站時間的理論計算具有重要影響。按照影響的程度進行排序，依次為：溫度對油品體積>壓力對管容>壓力對油品體積>溫度對管容。在所選取的工況下，通過計算可知，蘇北東線的揚子-泰州段的管容增加了11.83 m3，管段內(nèi)的油品體積減少了45.09 m3。蘇北北線的揚子-淮安段的管容增加了18.16 m3，管段內(nèi)的油品體積減少了70.89 m3；淮安-新沂段的管容增加了15.38 m3，管段內(nèi)的油品體積減少了21.37 m3。如果不加以注意，將對混油頭到站時間的計算產(chǎn)生較大影響。因而需對原有混油頭到站時間的理論計算公式(1)進行修正，得到下式(11)：

(11)

可知在上述運行狀態(tài)下,修正前與修正后,蘇北東線的揚子-泰州段體積差為56.91 m3；蘇北北線的揚子-淮安段體積差為89.05 m3；淮安-新沂段體積差為36.75 m3。分析表8可知，理論計算的混油頭到站時間在修正后比修正前，蘇北東線的揚子-泰州段推遲了7.55 min，蘇北北線的揚子-淮安段推遲了11.81 min；淮安-新沂段推遲了4.87 min。通過公式修正，可以在一定程度上提高混油頭到站時間理論計算的準(zhǔn)確性。

表8 理論計算的混油頭到站時間分析

7 結(jié)語

綜上所述，可以看出，溫度對管線中各段油品體積的影響以及壓力對各管段管容的影響較為明顯，需要特別重視。壓力對管線中各段油品體積的影響以及溫度對各管段管容的影響較小，相對于里程長、輸量大的成品油管道來說，影響幾乎可以忽略不計?；煊皖^到站時間直接影響中控調(diào)度對中間站越站及末站混油切割的操作，因而根據(jù)工況進行針對性的修正，有助于提高混油頭到站時間理論計算的準(zhǔn)確度，縮小其與實際到站時間的偏差。

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