原油正反輸送停輸初始狀態(tài)安全性分析

1. 中國電建集團(tuán)山東電力建設(shè)有限公司, 山東 濟(jì)南 250014;2. 中國石化勝利油田石油開發(fā)中心有限公司, 山東 東營 257000;3. 中國石油工程建設(shè)有限公司西南分公司, 四川 成都 610041

0 前言

原油正反輸送工藝是指在原油管道低輸量運(yùn)行時(shí),為防止出現(xiàn)凝管危險(xiǎn)而提出的一種解決辦法[1-5]。國內(nèi)多條低輸量管道均已開展正反輸送工藝,如魏荊線[6]、任京線[7]等。而國內(nèi)學(xué)者多集中在對正反輸送方案制定的研究上,對正反輸送停輸安全性的研究較少[8]。向秀平等人[5]對加劑輸送與正反輸送的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析,初步探討了正反輸送管道的運(yùn)行規(guī)律;馬偉平對任京線管道進(jìn)行正反輸送現(xiàn)場試驗(yàn),確定正反輸送允許的安全輸量[1，9];謝鑫結(jié)合姬塬油田外輸管道的運(yùn)行情況,對反輸送所需的允許最大輸量及最小啟輸量進(jìn)行了研究,但未對反輸初始階段的安全性進(jìn)行深入分析[3]。正反輸送過程不僅包括流程切換后管中存留的冷油向周圍土壤的散熱,還包括之后注入管道的熱油向周圍土壤的散熱,原油溫降及土壤溫度場的變化過程較復(fù)雜,因此在原油正反輸送的不同階段進(jìn)行停輸具有不同的停輸初始狀態(tài),而不同的停輸初始狀態(tài)又具有不同的停輸安全性[10-13]。導(dǎo)致在正反輸送過程中發(fā)生停輸工況無法準(zhǔn)確預(yù)判管道最大允許停輸時(shí)間,造成再啟動困難,甚至發(fā)生凝管等嚴(yán)重后果[14-19]。因此,有必要提出一種新方法對正反輸送過程中各個(gè)時(shí)刻停輸初始狀態(tài)的安全性進(jìn)行詳細(xì)描述。

1 正反輸送過程溫降規(guī)律分析

1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

選取東北某采用正反輸送運(yùn)行的輸油管道,正反輸送工藝方案為7正2反。管道外徑219 mm,內(nèi)徑207.8 mm,保溫層40 mm,管長39.55 km,埋深1.6 m。管道正反輸送現(xiàn)場運(yùn)行參數(shù):正輸輸量85 m3/h,正輸出站油溫60℃,反輸輸量95 m3/h,反輸出站油溫55℃。所輸油品物性參數(shù)和原油黏溫曲線見表1和圖1。

表1油品物性參數(shù)

20℃密度/(kg·m-3)凝點(diǎn)/℃反常點(diǎn)/℃50℃比熱/(J·kg-1·℃-1)85027352 225

圖1 原油黏溫曲線

1.2 不同運(yùn)行階段的熱力特性

假設(shè)完成一個(gè)完整的正反輸送周期所需時(shí)間為T,由于一個(gè)正反輸送周期內(nèi)管中原油向周圍環(huán)境的散熱，既包括熱油散熱,還存在冷油向周圍環(huán)境的散熱,整個(gè)溫降過程較復(fù)雜。為了更清晰地分析正反輸送過程中不同運(yùn)行階段停輸初始狀態(tài)的安全性,根據(jù)正反輸送溫降的特點(diǎn)將一個(gè)正反輸送周期分為正輸冷油控制階段(以下簡稱Ⅰ階段)、正輸熱油控制階段(以下簡稱Ⅱ階段)、反輸冷油控制階段(以下簡稱Ⅲ階段)、反輸熱油控制階段(以下簡稱Ⅳ階段)四個(gè)階段。一個(gè)正反輸送周期內(nèi)不同運(yùn)行階段油品流動狀態(tài)見圖2。

a)Ⅰ階段

b)Ⅱ階段

c)Ⅲ階段

d)Ⅳ階段

由圖2可知,在正反輸送過程不同運(yùn)行階段,管內(nèi)原油具有不同的熱力狀態(tài)。尤其是在正反輸送切換過程及切換完成后的一段初始運(yùn)行時(shí)間,管內(nèi)原油向周圍土壤的傳熱具有非穩(wěn)態(tài)特性,溫降隨時(shí)間不斷改變,現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)見圖3。圖3中ta指Ⅰ階段的某時(shí)間點(diǎn)；tb指Ⅰ階段的ta之后、t1之間的某時(shí)間點(diǎn)；t指Ⅰ階段的未時(shí)點(diǎn)(或Ⅱ階段的起始時(shí)間點(diǎn))；t1、t2、t3分別指Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ階段的交接點(diǎn)。

a)Ⅰ階段

b)Ⅱ階段

c)Ⅲ階段

d)Ⅳ階段

由圖3可知,正反輸送過程不同運(yùn)行階段管道沿線油溫分布特點(diǎn):第Ⅰ階段,反輸結(jié)束,正輸開始。首站正輸熱油頂擠反輸結(jié)束時(shí)首站附近的冷油,向末站推進(jìn)。這一階段,首站附近油溫與周圍土壤之間的溫差較大,管內(nèi)油溫隨時(shí)間逐漸升高。雖然此時(shí)末站附近的土壤溫度場溫度較高,但由于保溫層的隔熱作用,油流受土壤溫度場的影響較小[20]。因此熱油及冷油隨時(shí)間溫度均降低,最低溫度點(diǎn)出現(xiàn)在t=t1時(shí)刻冷油到達(dá)末站時(shí)。第Ⅱ階段,反輸結(jié)束時(shí)管內(nèi)存油全部被頂擠出管道。由于靠近末站處的油溫和周圍土壤溫度場之間的溫差較大,管內(nèi)沿線各點(diǎn)油溫隨時(shí)間逐漸升高。此階段靠近首站處溫差較小,沿線油溫幾乎不變。第Ⅲ階段,正輸結(jié)束,反輸開始。末站反熱油頂擠正輸結(jié)束時(shí)末站附近的冷油,向首站推進(jìn),管道沿線油溫變化同Ⅰ階段類似。第Ⅳ階段,正輸結(jié)束時(shí)管內(nèi)存油全部被頂擠出管道,管道沿線油溫逐漸升高,分布特點(diǎn)同Ⅱ階段類似。

2 不同運(yùn)行階段的停輸安全性

2.1 定性分析

根據(jù)現(xiàn)場正反輸送運(yùn)行的測試數(shù)據(jù),可從油溫變化的角度對不同運(yùn)行階段的停輸初始狀態(tài)安全性進(jìn)行定性分析。按照上文描述的管道沿線油溫隨時(shí)間變化的特點(diǎn),只有在Ⅰ階段、Ⅲ階段管道中有冷油存在時(shí),停輸?shù)奈ｋU(xiǎn)性是逐漸增大的。由于Ⅰ階段、Ⅱ階段的油溫變化具有對稱特性,僅對正反輸送運(yùn)行一個(gè)周期中Ⅰ階段的停輸安全性進(jìn)行分析,見圖4和表2。

圖4 停輸危險(xiǎn)階段安全性分析

表2不同運(yùn)行階段停輸初始狀態(tài)及安全性分析

階段運(yùn)行狀態(tài)沿線油溫變化停輸安全性Ⅰ正輸熱油頂擠反輸存油首站附近升高,末站附近降低單調(diào)遞減Ⅱ充滿正輸油品首站附近幾乎不變,末站附近升高單調(diào)遞增Ⅲ反輸熱油頂擠正輸存油末站附近升高,首站附近降低單調(diào)遞減Ⅳ充滿反輸油品末站附近幾乎不變,首站附近升高單調(diào)遞增

由圖4和表2可知,以Ⅰ階段t=ta,t=tb時(shí)刻沿線油溫分布為例,t=tb時(shí)刻處于管道20～30 km處(CD段)的反輸結(jié)束后冷油的油溫，明顯低于t=ta時(shí)刻時(shí)反輸結(jié)束后冷油(AB段)的油溫,因此,t=tb時(shí)刻的停輸安全性低于t=ta時(shí)刻。同理可知,t=t1時(shí)刻冷油尾通過末站時(shí)是Ⅰ階段停輸安全性最低時(shí)刻。之后,末站附近油溫逐漸升高,停輸安全性單調(diào)遞增。

2.2 定量分析

定義安全停輸概率φ與正反輸送一個(gè)周期內(nèi)不同時(shí)刻的停輸初始狀態(tài)相對應(yīng)。針對輸油管道站間僅有一個(gè)冷熱油混油界面(即正反輸原油均能全部充滿整條管道)的正反輸送情況,安全停輸概率φ可定義為:

(1)

式中:φ為安全停輸概率；v為流速,m/s;t為正輸油品通過出站口(對正輸來說為首站,對反輸來說為末站)的運(yùn)行時(shí)間,s;L為管長,m;L1為一個(gè)正反輸送周期中正輸油品通過首站后的總長度,m;L2為一個(gè)正反輸送周期中反輸油品通過末站后的總長度,m。

安全停輸概率公式的意義在于:其取值表示在一個(gè)正反輸送周期內(nèi)某一時(shí)刻發(fā)生停輸時(shí),已通過出站口截面的油品體積與管道容積之差的絕對值比上正反輸送的油品總體積與管道容積之差的絕對值。其中“+、-”表示油品輸送方向,正輸時(shí)φ取正值,反輸時(shí)φ取負(fù)值。安全停輸概率的取值意義:正輸時(shí)φ∈[0,1]，反輸時(shí)φ∈[-1,-0]。其中當(dāng)正輸結(jié)束(反輸開始)時(shí),φ即可用1表示,也可用-L/(L2-L)表示;當(dāng)正輸開始(反輸結(jié)束)時(shí),φ即可用L/(L1-L)表示,也可用-1表示。除去這2個(gè)正反輸送交替時(shí)刻外,其余時(shí)刻僅有1個(gè)相對應(yīng)的φ值。各時(shí)刻φ值見表3。

表3不同時(shí)刻安全停輸概率φ值

時(shí)刻正反輸運(yùn)行狀態(tài)安全停輸概率φ0反輸結(jié)束,正輸開始0.10/-1t0-1正輸熱油油頭(反輸存油油尾)到達(dá)管道1/2處0.05t1正輸熱油油頭(反輸存油油尾)到達(dá)末站0t1-2正輸3.5 d0.45t2正輸結(jié)束,反輸開始1/-0.42t2-3反輸熱油油頭(正輸存油油尾)到達(dá)管道1/2處-0.21t3反輸熱油油頭(正輸存油油尾)到達(dá)首站-0t3-T反輸1 d-0.29tT反輸結(jié)束,正輸開始-1/0.10

由表3可知,在正輸/反輸送運(yùn)行時(shí)冷油存在的階段安全停輸概率較低,隨著冷油油尾接近進(jìn)站口,安全停輸概率單調(diào)遞減,冷油油尾到達(dá)進(jìn)站口時(shí)安全停輸概率最低為0。之后,隨著進(jìn)站口附近油溫的逐漸升高,安全停輸概率逐漸增大。

3 結(jié)論

1)通過分析正反輸送一個(gè)周期管內(nèi)原油的流動狀態(tài),創(chuàng)新性地將一個(gè)正反輸周期劃分為正輸冷油控制階段、正輸熱油控制階段、反輸冷油控制階段、反輸熱油控制階段四個(gè)階段。

2)根據(jù)不同運(yùn)行階段的管道溫降特點(diǎn),從管道沿線油溫變化的角度對不同正反輸送運(yùn)行階段停輸初始狀態(tài)的安全性進(jìn)行定性分析。

3)提出新變量“安全停輸概率”,從定量的角度對原油正反輸送不同時(shí)刻停輸初始狀態(tài)的安全性進(jìn)行分析。結(jié)果表明，±0時(shí),停輸安全性最低;±1時(shí),停輸安全性最高。