中俄成品油管道運(yùn)行技術(shù)對比研究

代曉東 王余寶 李晶淼 張 超 孫海燕 劉 峰

1.中國石油大學(xué)勝利學(xué)院油氣工程學(xué)院, 山東 東營 257061；2.中國石油管道公司, 河北 廊坊 065000；3.山東港聯(lián)化管道石油輸送有限公司, 山東 青島 266500

0 前言

近年來，中國成品油管道快速發(fā)展,先后建設(shè)運(yùn)營了中國石油蘭成渝管道、西部管道、蘭鄭長管道和中國石化西南、珠江三角、華南成品油管道,截止2016年12月,中國成品油管道已超過2.4×104km。目前,中國成品油管道運(yùn)行水平與國外相比還存在較大差距,主要表現(xiàn)在僅能輸送有限種類油品，部分管道混油處理裝置設(shè)計(jì)能力不足，管道數(shù)據(jù)誤差和意外停輸?shù)纫蛩貙?dǎo)致界面檢測精度差等問題。通過查閱國外成品油管道技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和運(yùn)行管理規(guī)范,其成熟經(jīng)驗(yàn)和推薦做法主要在自動(dòng)控制、泄漏檢測、混油界面監(jiān)測跟蹤和切割等方面[1-10]。因此,為提高中國成品油管道的運(yùn)行效率和管理水平,應(yīng)開展國外成品油管道運(yùn)行管理技術(shù)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)研究[11-12]。

本文在總結(jié)中國成品油管道實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上,闡述了國外成品油管道在油品批次原則、混油控制、界面檢測、混油切割和油品質(zhì)量檢驗(yàn)等方面的技術(shù)現(xiàn)狀、推薦做法和發(fā)展趨勢,此外選取了俄羅斯成品油管道綜合性標(biāo)準(zhǔn),研究了與國內(nèi)成品油管道標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6695-2014《成品油管道運(yùn)行規(guī)范》(以下簡稱SY/T 6695)、Q/SYGD 0228-2013《成品油儲(chǔ)運(yùn)過程質(zhì)量控制技術(shù)規(guī)程》(以下簡稱Q/SYGD 0228)和Q/SY 1178-2014《成品油管道運(yùn)行與控制原則》(以下簡稱Q/SY 1178)的關(guān)鍵技術(shù)差異。研究成果對于提高中國成品油管道建設(shè)和運(yùn)行水平具有重要意義。

1 俄羅斯成品油管道標(biāo)準(zhǔn)

俄羅斯成品油管道輸送有限公司的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CO 06-16-AKTHП-003-2004《AK燃油管輸有限公司成品油管道順序輸送燃油規(guī)程》(以下簡稱CO 06),由俄羅斯古勃金石油天然氣大學(xué)和AK公司石油天然氣流體動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室起草,主要內(nèi)容包括：油品物性參數(shù)、相鄰油品排序原則、混油切割方法和減少混油控制措施等。該標(biāo)準(zhǔn)整合數(shù)十項(xiàng)蘇聯(lián)成品油管道相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn),具有較高的綜合性和權(quán)威性,一定程度上反映了現(xiàn)在俄羅斯成品油管道運(yùn)行管理的水平。

2 多種油品順序輸送排序原則

隨著成品油管道順序輸送技術(shù)的進(jìn)步,其技術(shù)內(nèi)容已得到很大的拓展,包括多種牌號(hào)油品順序輸送，成品油與原油順序輸送，多種原油差溫順序(冷熱油交替)輸送，成品油與LPG順序輸送以及成品油與化工產(chǎn)品的順序輸送等。例如，美國Colonial成品油管道設(shè)計(jì)10個(gè)注入站和281個(gè)分輸站,輸送汽油、柴油、航空燃油共計(jì)118種油品[13-14]；加拿大Lakehead管道順序輸送46種油品；加拿大Enbridge管道系統(tǒng)曾進(jìn)行不同種類原油的常溫順序輸送；加拿大貫山管道系統(tǒng)和法國拉費(fèi)爾-巴黎管道系統(tǒng)曾實(shí)現(xiàn)原油與成品油的順序輸送。中國成品油管道只能實(shí)現(xiàn)有限種類油品的順序輸送,包括車用柴油(-35#～0#)、車用汽油(90#～97#)和車用乙醇汽油組分油等,較少輸送航空燃油,不涉及不同型號(hào)的柴油/柴油排序問題,而且不同型號(hào)汽油-柴油排序原則也較簡單。

國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6695規(guī)定油品順序應(yīng)考慮相鄰油品有較好的相容性,以保證油品質(zhì)量要求；Q/SYGD 0228和Q/SY 1178規(guī)定順序宜選擇密度和物性參數(shù)相近的油品相鄰輸送。俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)CO 06規(guī)定，順序輸送不同牌號(hào)汽油時(shí),應(yīng)安排相鄰汽油的辛烷值差值較小值；順序輸送不同型號(hào)的柴油時(shí),應(yīng)安排相鄰柴油的閉口閃點(diǎn)值差值較小者,若2種柴油閉口閃點(diǎn)值差值相同,應(yīng)選擇相鄰柴油的含硫值差值較小者。

目前,中國成品油管道還不涉及多種油品順序輸送的排序原則,考慮國外成品油多品種、多系列油品的管道輸送技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢,可以借鑒俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)的油品批次排序原則作為技術(shù)儲(chǔ)備。

3 成品油管道混油控制技術(shù)現(xiàn)狀

管道順序輸送過程中產(chǎn)生初始混油、過站混油和沿程混油,此外管道停輸時(shí)形成停輸混油,異常工況下形成意外混油,其中沿程混油是最主要的。目前,世界成品油管道行業(yè)普遍公認(rèn)且廣泛應(yīng)用的減少混油措施有[15-18]：

1)管道設(shè)計(jì)階段應(yīng)基于相近性安排油品批次順序，設(shè)置最低允許批次量容積，中間站設(shè)置混油摻混流程。

2)管道設(shè)計(jì)階段盡可能減少變徑管、旁通管、盲管和支管造成死油管段,轉(zhuǎn)換油品儲(chǔ)罐的閥門和過濾器應(yīng)設(shè)置在靠近管道干線,優(yōu)先采用電動(dòng)閥門,不產(chǎn)生水擊情況下縮短開關(guān)時(shí)間,減少人為因素導(dǎo)致的初始混油量。

3)管道投產(chǎn)階段管道掃線、放空應(yīng)徹底消除管道內(nèi)殘留積液。

4)管道運(yùn)行通過調(diào)壓控制管道流速,消除不滿流管段,特別是翻越點(diǎn)后的自流管段；利用SCADA系統(tǒng)對全線進(jìn)行監(jiān)控,避免管道在輸送過程中局部高點(diǎn)出現(xiàn)負(fù)壓,產(chǎn)生氣液分離。

5)成品油管道運(yùn)行應(yīng)盡量提高輸送流量,特別是兩種油品交替時(shí)宜在高于臨界雷諾數(shù)的情況下切換油品。

6)成品油管道如有中間注入站,監(jiān)控注入站油品質(zhì)量指標(biāo),末站嚴(yán)格控制混油段切割濃度,在油品質(zhì)量許可條件下,混油頭和混油尾應(yīng)收入大容量的純凈油品罐中,以減少進(jìn)入混油罐的混油量。

3.1 停輸混油

國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)Q/SYGD 0228規(guī)定，管道計(jì)劃停輸宜將混油段停在地勢平坦區(qū)域,在地勢起伏區(qū)域停輸時(shí),應(yīng)將密度較小的輕質(zhì)油品停在管道上方側(cè),密度較大的重質(zhì)油品位于管道下方側(cè)；SY/T 6695規(guī)定若為管道意外停輸,停輸時(shí)間較長且前后油品界面位置不符合上述要求,宜關(guān)閉界面上下游管道線路的截?cái)嚅y。

3.2 過站混油

3.3 初始混油

在首站前行油品和后行油品儲(chǔ)罐閥門切換的時(shí)間內(nèi),2種油品同時(shí)進(jìn)入泵的入口管道,形成初始混油。初始混油量取決于切換儲(chǔ)罐的速度、首站泵吸入管的布置和首站的排量。研究表明,管道越長初始混油對管道終點(diǎn)總的混油量影響越小,例如管徑DN 500的管道長度300 km以上時(shí)初始混油影響已不明顯。國內(nèi)成品油管道初始混油措施，主要是2種油品切換時(shí)利用調(diào)節(jié)閥或調(diào)速泵盡可能保證流量平穩(wěn)；優(yōu)先采用電動(dòng)閥門減少開閉時(shí)間等。中國西部成品油管道烏魯木齊首站通過掌握最佳切換時(shí)機(jī),采用電動(dòng)球閥可在10 s內(nèi)完成油品切換。

俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)CO 06規(guī)定，控制在管道首站形成的初始工藝混油,并建議從以下幾個(gè)方面進(jìn)行限制：減少不同油品儲(chǔ)罐流程切換時(shí)間,避免工藝管道(匯管)內(nèi)殘留油品,防止儲(chǔ)罐儲(chǔ)存油品時(shí)間過長導(dǎo)致質(zhì)量變差,定期檢測儲(chǔ)罐油品雜質(zhì)含量,減少操作人員閥門誤關(guān)斷,避免站內(nèi)工藝管道水擊等。

3.4 泵啟動(dòng)方式

管道停泵操作方式：1)關(guān)閉離心泵的進(jìn)泵閥門和出泵閥門；2)打開離心泵的進(jìn)口閥門,關(guān)閉離心泵的出口閥門；3)打開離心泵的進(jìn)泵閥門和出泵閥門。國內(nèi)成品油管道一般采用第2種方式,泵進(jìn)出口管路和泵體內(nèi)形成“死區(qū)”,當(dāng)泵處于停止?fàn)顟B(tài),啟泵時(shí)如進(jìn)口管路和泵體內(nèi)油品不一致,則產(chǎn)生混油。北美成品油管道一般采用第3種方式,停泵狀態(tài)下進(jìn)出口管路和泵體還處于“沖刷”狀態(tài),如進(jìn)口管路和泵體內(nèi)油品不一致,可以部分地利用罐靜壓或者吸入泵將前行油品排除泵體外,減少了下次啟泵產(chǎn)生的混油量。建議國內(nèi)成品油管道改進(jìn)泵啟動(dòng)方式以減少初始工藝混油。

3.5 液體隔離

國外成品油管道輸送性質(zhì)相差較大的兩種油品時(shí),多采用隔離輸送方式,即在2種交替油品之間注入緩沖液以減少混油量,適用于緩沖液的液體有水、醇類、丙酮、二乙基胺等。例如汽油-柴油交替可放入一段煤油,汽油或柴油中允許摻混煤油的比例相對汽油和柴油允許摻混比例大得多,可減少需要處理的混油量；加拿大Interprovincial Pipeline管道采用加“合成油”[19](加拿大阿爾伯塔省瀝青砂的加工產(chǎn)品)隔離段的輸送方式；俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)CO 06允許向相鄰油品界面注入部分首站的工藝混油作為隔離段,以減少到達(dá)末站的最終混油量；俄羅斯的蘇爾吉特-帕諾茨克管道應(yīng)用凝膠體隔離油品；中國石化魯皖管道在97# 清潔汽油與93# 組分汽油之間注入97# 組分汽油作為隔離液。隔離液技術(shù)在國外較為成熟,但該技術(shù)在國內(nèi)成品油管道的適用性和應(yīng)用效果還有待驗(yàn)證。

3.6 成品油儲(chǔ)存溫度

國外成品油管道推薦的油品儲(chǔ)存溫度為16～20℃,通常采用制冷方式、空調(diào)方式、蓄冷方式或復(fù)合方式達(dá)到成品油長期儲(chǔ)存對儲(chǔ)油溫度的控制要求。當(dāng)來油溫度較高時(shí),應(yīng)優(yōu)先選擇蓄冷方式在地上鋼油罐中儲(chǔ)存成品油[20]。國內(nèi)在油品儲(chǔ)存方面,主要采用“存新發(fā)舊”原則,油品在儲(chǔ)罐內(nèi)儲(chǔ)存時(shí)間一般不超過半年,幾乎不涉及溫度控制措施,建議根據(jù)所處地區(qū)大氣常年統(tǒng)計(jì)溫度,確定是否采用溫度控制措施。

4 成品油管道界面檢測技術(shù)現(xiàn)狀

國外成品油管道批次為一個(gè)或多個(gè)煉油企業(yè)的系列產(chǎn)品時(shí),批次內(nèi)相鄰油品不產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性混油,或者混油量較少,應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)完成批次內(nèi)相鄰油品界面跟蹤,相鄰批次的界面檢測采用多種特性測量法,例如美國Colonial成品油管道系統(tǒng)一個(gè)批次順序周期為5 d,利用光學(xué)界面儀、密度儀、重度儀，并輔以色度、濁度人工取樣方法檢測相鄰批次界面和進(jìn)行油品批次切割[21]。美國帕蘭特遜管道公司在貝卡羅納州的格林斯伯勒至華盛頓的哥倫比亞特區(qū)的成品油管道使用了熒光劑檢測油品界面,取得了較好的效果。國外成品油管道還應(yīng)用了超聲波、色度檢測法、氣體示蹤劑、放射元素檢測法等界面檢測方法。

中國成品油管道只能實(shí)現(xiàn)若干油品的順序輸送,批次概念與國外成品油管道存在差異,定義為不同循環(huán)周期的同一種油品,界面檢測主要用于切割混油段和純凈油品段。中國西部地區(qū)的成品油管道,包括蘭鄭長管道、蘭成渝管道,以及東部的港棗管道都采用了在線密度計(jì)和光學(xué)界面檢測儀進(jìn)行界面檢測,并開發(fā)了配套軟件進(jìn)行油品界面跟蹤。

國內(nèi)外成品油界面檢測技術(shù)基本一致,但由于國內(nèi)外成品油管道設(shè)計(jì)差異,國內(nèi)外成品油管道界面檢測技術(shù)和方法,都存在著由管道線路數(shù)據(jù)錯(cuò)誤、輸油計(jì)劃改變、人為誤操作和管道意外停輸?shù)纫蛩兀鸬慕缑骖A(yù)測時(shí)間誤差大、批次界面相提前到達(dá)或滯后等問題[22]。因此,如何提高界面檢測準(zhǔn)確性需要繼續(xù)深入研究。

5 成品油管道混油切割原則

5.1 不同標(biāo)號(hào)同種油品混油段(汽油-汽油)

國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)Q/SYGD 0228規(guī)定，不同標(biāo)號(hào)同種油品混油段應(yīng)采用兩段切割,即富含前行油品的混油切入存儲(chǔ)前行油品的儲(chǔ)罐,富含后行油品的混油切入存儲(chǔ)后行油品的儲(chǔ)罐,混油段切割后通過儲(chǔ)罐自然摻混方式處理,不產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的混油?；煊投吻懈铧c(diǎn)通過混油長度確定,在滿足質(zhì)量合格的前提下宜將更多的混油切入高標(biāo)號(hào)油品中。但富含高標(biāo)號(hào)油品的混油長度與富含低標(biāo)號(hào)油品的混油長度比不宜超過7∶3。

針對不同型號(hào)汽油-汽油的混油段切割問題,中國標(biāo)準(zhǔn)同俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)要求的方法完全一致：兩段切割法,在保證高標(biāo)號(hào)等級(jí)油品質(zhì)量要求下,富含相應(yīng)型號(hào)汽油的混油段注入對應(yīng)的汽油儲(chǔ)罐。

5.2 不同種類油品混油段(汽油-柴油)

國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)Q/SYGD 0228規(guī)定，不同種類油品混油段宜采用兩點(diǎn)切割(三段切割)。

1)富含前行油品的混油切入存儲(chǔ)前行油品的儲(chǔ)罐,中間混油段切入混油罐,富含后行油品的混油注入后行油品的儲(chǔ)罐。中間混油段進(jìn)混油分餾裝置,剩余的前混油頭和后混油尾進(jìn)罐摻混。

針對不同種類油品混油段(汽油-柴油),中國標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6695規(guī)定采用三段切割法,即將能夠摻入前后2種純凈油品罐內(nèi)的混油切入2種純凈油品的儲(chǔ)罐內(nèi),其余混油進(jìn)入混油罐。中國標(biāo)準(zhǔn)存在的問題是：

俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)CO 06規(guī)定不同種類油品混油段切割原則如下：

針對不同種類油品混油段切割方法,中俄標(biāo)準(zhǔn)差異：

2)針對中間混油段,國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)和管道企業(yè)普遍做法是進(jìn)入混油罐進(jìn)行拔頭處理,僅在設(shè)置較多混油罐時(shí)才進(jìn)行中間混油段三段切割和分輸摻混處理；俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定成品油管道應(yīng)設(shè)計(jì)較多混油儲(chǔ)罐或者專用摻混儲(chǔ)罐,中間混油段優(yōu)先進(jìn)行三段切割和分輸摻混處理。分輸摻混處理雖然在設(shè)計(jì)階段會(huì)增加管道儲(chǔ)罐建設(shè)投資,但相對采用拔頭裝置,可省去建設(shè)混油處理裝置費(fèi)用,且更有利于管道投產(chǎn)后的生產(chǎn)運(yùn)行管理。

6 成品油管道臨界雷諾數(shù)

一般不允許在層流狀態(tài)下進(jìn)行順序輸送,且要求在較高流速下運(yùn)行。研究表明，超過臨界雷諾數(shù),相對混油量(混油量與管容比值)隨雷諾數(shù)改變很小。中國標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6695規(guī)定，成品油管道最低允許流速應(yīng)保證紊流狀態(tài)；成品油管道存在最低運(yùn)行輸量和臨界雷諾數(shù),不同管徑(DN 300、DN 400、DN 500、DN 600、DN 700、DN 800)對應(yīng)的臨界雷諾數(shù)不同(44 300、55 800、68 400、82 200、97 300、114 000)。文獻(xiàn)[23]規(guī)定管徑DN 300和DN 500對應(yīng)的臨界雷諾數(shù)為46 000和72 000。文獻(xiàn)[24]推薦成品油管道臨界雷諾數(shù)為73 000。

俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)CO 06規(guī)定，成品油管道應(yīng)以不低于0.75 m/s的流速在紊流狀態(tài)下進(jìn)行順序輸送,以汽油(運(yùn)動(dòng)黏度0.62～0.76 mm2/s)和管徑DN 600管道為例,對應(yīng)雷諾數(shù)為60 000。調(diào)研國外成品油管道設(shè)計(jì)時(shí)，臨界雷諾數(shù)不區(qū)分管徑大小,臨界雷諾數(shù)取值不低于70 000,Enbridge公式的臨界雷諾數(shù)取值為90 000；成品油管道管徑DN 600～700成為主流發(fā)展趨勢。建議從管道高效運(yùn)行和減少混油量角度出發(fā),成品油管道運(yùn)行輸量對應(yīng)的臨界雷諾數(shù)應(yīng)適當(dāng)提高,建議取值70 000～80 000 較為適宜。

7 結(jié)論和建議

1)中國成品油管道未來發(fā)展趨勢是管道網(wǎng)絡(luò)化程度提高,增強(qiáng)成品油管道對市場變化適應(yīng)性,提高管道輸送效率；另一方面,整合調(diào)度優(yōu)化、界面檢測、混油處理等技術(shù),實(shí)現(xiàn)管道管理平臺(tái)化、統(tǒng)一化。

2)針對油品批次排列原則,對于新建成品油管道,在設(shè)計(jì)階段應(yīng)采用“分儲(chǔ)分輸”模式,從輸送方式上保證油品質(zhì)量指標(biāo)要求；對于在役成品油管道,建議參考俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于多種油品順序輸送排序原則作為技術(shù)儲(chǔ)備。

3)研究在交替油品之間注入緩沖液或工藝混油的適用性。

4)成品油管道設(shè)計(jì)階段減少混油措施是站場工藝設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能減少變徑管、旁通管、盲管和支管,合理安排油品批次順序,設(shè)置最低允許批次量；運(yùn)行階段減少混油的措施主要是盡可能在高于臨界雷諾數(shù)條件下運(yùn)行,消除不滿流管段。

5)完善改進(jìn)輸油首站設(shè)備操作(儲(chǔ)罐、工藝管道、閥門、輸油泵等),盡可能減少初始工藝混油。

6)減少由于數(shù)據(jù)誤差、輸油計(jì)劃改變、人為誤操作和管道意外停輸?shù)纫蛩卦斐傻慕缑鏅z測誤差。

8)推薦優(yōu)先采用分階式進(jìn)罐摻混作為處理混油的方式,新建管道在混油接收站盡可能多設(shè)置儲(chǔ)罐,對于在役且沒有混油處理能力的管道,建議考慮增設(shè)管道調(diào)和裝置,減輕混油處理壓力。

9)建議從管道高效運(yùn)行和減少混油量角度出發(fā),成品油管道運(yùn)行輸量對應(yīng)的臨界雷諾數(shù)應(yīng)適當(dāng)提高,建議取值70 000～80 000較為適宜。

10)借鑒俄羅斯標(biāo)準(zhǔn),建議規(guī)定首站、末站油品質(zhì)量檢測頻率,包括正常運(yùn)行狀態(tài)、分輸操作和混油界面到達(dá)等階段。

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