沿程磁處理管道輸油實驗研究

吳曉濤，李 薇，許中奇，張幫亮，施 雯

(1.廣東省茂名市質(zhì)量計量監(jiān)督檢測所，廣東茂名 525000；2.廣東石油化工學(xué)院，廣東茂名 525000；3.中燃宏大能源貿(mào)易有限公司華東銷售中心，浙江杭州 310000)

0 引言

目前，國內(nèi)加熱輸送高黏易凝原油普遍燃料消耗量大、占用的設(shè)備多，事故停輸后存在安全隱患等問題[1]，帶來的經(jīng)濟(jì)效益低[2]。為此國內(nèi)已開始將注意力轉(zhuǎn)移至原油磁化降黏方面，并進(jìn)行了大量研究。2004年，馬秀波[3-4]提出：磁場對蠟晶分子間色散力的影響只是蠟晶膠體之間的范德華力增大，從而促使原油中蠟晶膠體的聚結(jié)，達(dá)到降黏效果；2019年，李文超等[5]得出磁場促進(jìn)了含蠟原油中小蠟晶顆粒的聚集，進(jìn)而降低了含蠟原油的黏度，改善了含蠟原油的流動性。

磁處理可以使輸油管道減少蠟沉積，抑制蠟晶在管道壁的生長。因此根據(jù)對非磁鐵性流體進(jìn)行電子切割的磁力運動所產(chǎn)生的附加磁矩[6]，可利用沿程磁處理裝置模擬長輸原油管道輸送實驗，同時安裝無紙化記錄儀，減小讀數(shù)誤差。通過對比實驗壓力數(shù)據(jù)和油品黏度數(shù)據(jù)可得磁處理降黏效果，若將該磁處理降黏技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)中，可減少原油的運輸成本，并且可通過降黏防蠟來減少堵管事故發(fā)生[7]，確保輸送安全。

1 模擬磁化管道輸送海洋石油

本次實驗采用輸油方法為“水頂油”法：先由TST-UPB-10純水機(jī)制備的超純水通過HAD-42MPa型號的精密平流泵，再通過3個中間罐。將罐內(nèi)南海原油通過長120 m的長距離輸送海洋原油管道模擬裝置，然后將4臺恒溫水浴設(shè)置在管道中，對油品進(jìn)行水浴加熱。

1.1 模擬磁鐵擺放位置

磁鐵在不同擺放形式下的磁化作用效果不同，此次實驗對其采取平面對放形式。通過使用ANSYS軟件模擬，鐵銣硼磁鐵平面對放的模型如圖1所示，進(jìn)行軟件處理后得兩磁鐵平面對放的感應(yīng)強(qiáng)度分布(圖2)，其中磁鐵接觸面積為600 mm2，間距為20 mm。從圖中可知，磁鐵平面對放模擬的磁感應(yīng)強(qiáng)度呈對稱變化趨勢，并且感應(yīng)強(qiáng)度分布合理。

圖1 2個磁鐵模擬平面對放示意圖

圖2 磁鐵磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖

1.2 實驗管道搭建

實驗樣品為南海原油，相關(guān)物性參數(shù)為：密度842 g/cm3；瀝青質(zhì)含量1.42%；傾點33 ℃；膠質(zhì)含量6.59%；含水率0.165%；含蠟量19.2%；初餾點55 ℃；含硫量0.121%。

為完全模擬管內(nèi)流體的運動狀態(tài)，根據(jù)管道中流體的流動條件，結(jié)合實驗室流變儀的相關(guān)物性參數(shù)，綜合考量后分別采用輸量為71、141、211、281、352 rad/min來對應(yīng)管道中流體流量為50、100、150、200、250 mL/min。流變實驗相關(guān)儀器與設(shè)備如表1所示。

表1 流變實驗儀器與設(shè)備參數(shù)

模擬管道進(jìn)行沿程磁化處理，在管道上均勻布置250組磁鐵，分別設(shè)立4個站點，依次為首站、1號站、2號站和末站，站場溫度分別為80、70、60、50 ℃。精密平流泵分別設(shè)置跨度為50 mL/min的5種流量，即50、100、150、200、250 mL/min。將3個裝滿南海原油的中間罐放入電熱鼓風(fēng)干燥箱中。管道實驗相關(guān)儀器與設(shè)備如表2所示。模擬的長輸管線實驗裝置示意圖如圖3所示。

圖3 模擬長輸管線裝置示意圖

表2 管道實驗儀器與設(shè)備參數(shù)

1.3 實驗結(jié)果與分析

為了體現(xiàn)出油品在理論最佳降黏條件的降黏效果，在結(jié)束空白組與磁處理組的模擬輸油管道輸送南海原油實驗后，使用流變儀測得未磁化和磁化后的油品黏度，直觀反映油品的降黏效果。得到的實驗后不同輸量磁處理油品黏度對比如表3所示。

表3 不同輸量油品磁處理降黏數(shù)值表

經(jīng)計算，其平均降黏率可達(dá)17%，若將該技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)化，可降低的成本預(yù)估在20%左右。

通過記錄每組的開啟與停止泵的時間和穩(wěn)定時各站壓力示數(shù)與無紙化記錄儀上的示數(shù)，使用歷史數(shù)據(jù)管理軟件，以實驗時記錄的啟停泵等時間節(jié)點為基準(zhǔn)提取實驗數(shù)據(jù)。對比磁化前和磁化后輸油管道輸送海洋石油壓力參數(shù)，如圖4～圖7所示。

圖4 流量為50 mL/min下各站的壓力

圖5 流量為100 mL/min下各站的壓力

圖6 流量為150 mL/min下各站的壓力

圖7 流量為200 mL/min下各站的壓力

實驗主要通過壓力的下降與黏度的下降驗證磁處理技術(shù)對原油黏度降低的效果。在實驗中，未磁化的實驗組比磁化實驗組更易出現(xiàn)堵管現(xiàn)象，其壓力峰值更接近壓力表極限量程。原油受剪切應(yīng)力越大，磁化后壓力降低的效果越顯著。

2 降黏技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用

湛江-茂名(湛茂線)實際輸送柴油參數(shù)：管線外徑406.4 mm；壁厚7.1 mm；管道埋深(地表至軸心)約為1.2 m；湛江站出站油溫TR=30.6 ℃，終點站油溫TZ=25.8 ℃；平均地溫T0=20 ℃；輸送介質(zhì)為0#柴油；20 ℃時油品密度為840 kg/m3；管道材質(zhì)型號為X60；管壁的絕對當(dāng)量粗糙度e= 0.2 mm；熱膨脹系數(shù)取a=1.2×10-5/℃；彈性模量取Ek=2×1011Pa；輸送流量G=615 t/h。

在輸送油品的過程中能耗的大小主要取決于油品管道的高差以及管道輸送油品時的摩阻損失。在長距離輸送南海原油的過程中主要的能耗為電能耗。因此，降黏效果所帶來的經(jīng)濟(jì)性以及能耗的減少就以電的損耗量來體現(xiàn)。

根據(jù)表4數(shù)據(jù)可計算使用磁處理技術(shù)后湛茂線能減少的動力損耗費用。

表4 湛茂線摩阻及壓降(磁處理)

平面對放沿程磁化方式(磁感應(yīng)強(qiáng)度為113.6 mT)可減少的摩阻損失1.961 m。假設(shè)管道可以延長，則磁化處理后可以使油品多輸送16.2 km。湛茂線成品油管道全長110 km，動力損耗費用會減少14.72%；平面對放磁感應(yīng)強(qiáng)度140 mT沿程磁化百公里能節(jié)省動力損耗約為13.38%。

3 結(jié)論

通過使用250組鐵銣硼磁鐵模擬長輸管道輸送南海原油進(jìn)行沿程磁化實驗，對比油品的壓力變化與黏度變化，得出磁處理對南海原油黏度有降黏效果。但未對磁處理降黏效果的影響因素進(jìn)行機(jī)理分析，可從磁場強(qiáng)度、磁化溫度和磁效果持續(xù)時間等方面對磁化降黏機(jī)理進(jìn)一步研究。使用沿程磁處理模擬湛茂線輸送南海原油可在理論上降低輸送過程中的動力損耗費用，但對于沿程最佳磁處理磁感應(yīng)強(qiáng)度的數(shù)值還有待研究。