基于SPS的長輸管道減阻效果分析

劉 波 張曉莉 尚增輝 李憲昭 賈光猛 雷 莎

（中國石油工程建設(shè)有限公司華北分公司）

目前，長輸管道領(lǐng)域在油氣輸送工藝、主要耗能設(shè)備節(jié)能技術(shù)、優(yōu)化運行及能源綜合利用等方面均有不同程度的發(fā)展。 工藝方面采用注入減阻劑、降凝劑的方法增加管輸量、改善介質(zhì)流動特性，結(jié)合順序輸送、間歇輸送、富氣輸送及高壓輸送等方法降低生產(chǎn)能耗［1，2］。

減阻劑是一種具有粘彈性的高分子聚合物，可通過阻止油品形成湍流，從而減少流動阻力達到減阻效果。 在已建或新建管道中注入減阻劑，可以提高管輸量，保障管道安全，減少輸油主泵運行臺數(shù)，節(jié)約管道輸油成本等［3～6］。

筆者依托某長輸成品油管道項目，利用Stoner Pipeline Simulator（簡稱SPS）軟件中的減阻劑加注模型，對管道加注減阻劑前后的減阻效果進行對比分析。

1 項目概況及減阻效果評價方法

1.1 項目概述

某長輸成品油管道，全長364 km，全線共設(shè)4座站場，其中首站、2#站、3#站為輸油泵站。 管道材料為API 5L X52，首站至2#站距離為150 km，設(shè)計壓力為7.17 MPa，管徑為DN450 mm；2#站至3#站距離為134 km，設(shè)計壓力為7.17 MPa，管徑為DN450 mm；3#站至末站距離為80 km，設(shè)計壓力為8.07 MPa，管徑為DN400 mm；首、末站高程差為84.8 m。

1.2 減阻效果評價方法

SPS是國際上長距離輸送管道常用的模擬分析軟件， 該軟件本身自帶減阻劑 （簡稱DRA）模塊，通過將DRA廠家提供的減阻實驗數(shù)據(jù)輸入模型，模擬并驗證其減阻效果。

減阻劑的減阻效果由減阻率DR定量表示（文中的減阻率曲線基于減阻劑注入量一定的條件下，減阻率取各站間減阻率的平均值），減阻率DR可表示為［6～8］：

式中 Δp0——不加減阻劑時的摩阻壓降，MPa；

ΔpDR——加減阻劑時的摩阻壓降，MPa。

注入減阻劑后管輸量的增輸比例用管道的增輸率ΔQ表示，增輸率ΔQ可表示為：

式中 Q1——未加減阻劑的管輸量，m3/h；

Q2——加減阻劑后的管輸量，m3/h。

2 模擬結(jié)果分析

影響減阻劑減阻效果的因素主要有：減阻劑注入位置、減阻劑濃度、管內(nèi)流體流速、管道長度、油品的物性等［6，8，9］。筆者主要從減阻劑注入位置、減阻劑注入濃度和不同種類油品方面分析對減阻效果的影響。

2.1 減阻劑注入位置的影響

減阻劑的減阻效果不僅與減阻劑分子結(jié)構(gòu)、摩爾質(zhì)量及其在油品中的注入量有關(guān)，還與管輸油品的流態(tài)、軸向摩擦切應(yīng)力及其分布有關(guān)［6，8，10，11］。 減阻劑注入在各站場輸油主泵入口與注入在各站場出站管線上的減阻效果對比如圖1所示。圖中各站場名稱，1代表首站，2代表2#泵站，3代表3#泵站，下同。

圖1 減阻劑注入位置對減阻效果的影響

由圖1可知， 當(dāng)減阻劑注入位置在輸油主泵入口時，各站場出站壓力曲線與未注入減阻劑時的曲線重合，說明減阻劑未起到減阻作用；當(dāng)減阻劑注入位置在各輸油站場的出站管線上時，各站場出站壓力明顯降低， 說明減阻劑發(fā)揮作用，且各站間管道減阻率變化程度基本一致。

分析原因可能是由于高速剪切產(chǎn)生的摩擦剪切應(yīng)力較大，會剪斷減阻劑分子長鏈，使其發(fā)生降解并失去或降低減阻能力。 因此，加劑油品應(yīng)盡量避免流經(jīng)泵、閥門、過濾器及彎頭等易產(chǎn)生高速剪切的部件。

2.2 減阻劑濃度的影響

對于同一種油品， 通過在SPS模型中改變減阻劑的注入量（減阻劑濃度）來分析其減阻效果，具體的減阻效果如圖2所示。 圖中減阻率和增輸率為各站場減阻率和增輸率的算術(shù)平均值，下同。

圖2 減阻劑注入量對減阻效果的影響

由圖2a、b可以看出，隨著減阻劑注入量的增加， 各輸油站場的出站壓力呈現(xiàn)逐漸遞減的趨勢，減阻率呈現(xiàn)遞增的趨勢，說明減阻劑注入量越多減阻效果越明顯。 這主要是由于減阻劑濃度的增加使其分子呈現(xiàn)較長鏈的大分子，從而使流體流動更加規(guī)則， 減少了輸送過程中的摩阻損失，從而降低各站場的出站壓力，減少各輸油站場泵的負荷； 同時由于加入的減阻劑濃度越高，其在管道內(nèi)形成彈性底層越厚，所能提供的維持流體正?？焖倭鲃拥哪芰烤驮蕉?， 減阻效果就越好。 由圖2c、d可以看出， 隨著減阻劑注入量的增加，管道的管輸量呈現(xiàn)遞增的趨勢，當(dāng)減阻劑的注入量增加到一定程度時，管輸量不再增加。分析原因可能是：減阻劑的注入改變了油流的流動狀態(tài)，隨著減阻劑注入量的增加， 流體的流動變得更加規(guī)則并呈現(xiàn)一定的流態(tài)， 使一部分徑向力轉(zhuǎn)變?yōu)轫樍飨虻妮S向力，從宏觀上減少了摩阻損失，管輸量呈現(xiàn)增加的趨勢。 同時考慮到隨著減阻劑濃度的增加， 一方面影響它在管道內(nèi)形成彈性底層的厚度， 當(dāng)彈性底層達到管軸中心時， 減阻達到極限；一方面因減阻劑濃度增加，使減阻劑分子鏈加長但同時降低了自身的抗剪切性， 加上管輸量受管徑、壁厚及雷諾數(shù)等因素影響，因此其增輸率有一個極大值， 當(dāng)管輸量達到后就不再隨濃度增加而發(fā)生變化［11，12］。

2.3 減阻劑對不同油品減阻效果的影響

2.3.1 減阻劑對汽柴油的減阻效果

依托SPS軟件， 在減阻劑種類和注入量一定時，模擬分析減阻劑對不同種類油品（汽油密度748 kg/m3，粘度0.5；柴油密度870 kg/m3，粘度6.5）的減阻和增輸效果，結(jié)果如圖3、4所示。

圖3 減阻劑注入前后各站場出站壓力的變化

由圖3和圖4a可知， 當(dāng)注入管道中的減阻劑種類和注入量一定的條件下，管輸汽油時的減阻率（29.5%）比輸送柴油時的減阻率（14.8%）高近一倍，可看出管輸汽油比管輸柴油的減阻效果更顯著。 單純從各站場出站壓力來看，加入減阻劑后輸送汽油比輸送柴油時，各站場的出站壓力降低得更明顯， 分析原因可能是減阻劑的注入，使得管輸汽油中的流體相對于柴油來說處在紊流區(qū)的比例相對較高［10，11］，因此摩阻相對較小。由圖4b可知，當(dāng)注入管道中的減阻劑種類和注入量一定的條件下，輸送柴油時管道的增輸率達15.1%，而輸送汽油時管道的增輸率僅為2.88%， 分析原因可能是：未注入減阻劑前，輸送汽油比輸送柴油時流體形態(tài)更為規(guī)則，不規(guī)則分子較少；當(dāng)加入減阻劑后，不規(guī)則分子逐漸變規(guī)則，其中柴油中流體分子變化的較多，因此，輸送柴油時的管輸量比輸送汽油時變化更為明顯［13］。

圖4 管輸汽柴油工況下管道減阻率和增輸率的變化

2.3.2 減阻劑對不同種類柴油的減阻效果

依托SPS軟件， 在減阻劑種類和注入量一定的條件下，對不同種類（1#～4#）柴油（粘度分別為4.5、5.5、6.5、7.5）的減阻效果進行分析，模擬分析結(jié)果如圖5、6所示。

圖6 管輸不同粘度柴油工況下管道增輸率和減阻率的變化

由圖5、6可知：當(dāng)管道內(nèi)未注入減阻劑時，隨著柴油粘度的增加，各站場出站壓力越高，說明各站間管段摩阻損失越大；當(dāng)管道內(nèi)注入的減阻劑量一定時，隨著柴油粘度的增加，各站場出站壓力逐漸增加，與未注入減阻劑時的變化趨勢一致。 此外，在減阻劑的注入量一定時，隨著管輸柴油粘度的增加，管輸量呈增加的趨勢。

造成上述現(xiàn)象的原因可能是由于：在未注入減阻劑前， 流體分子相對不規(guī)則的比例較高；當(dāng)注入減阻劑后，不規(guī)則分子逐漸變規(guī)則。 在減阻劑注入量一定時，隨著柴油粘度的增加，流體分子中由不規(guī)則變規(guī)則的比例越高，管輸量增加的相對較為明顯，而減阻率受減阻劑濃度的限制而呈現(xiàn)下降的趨勢。

3 結(jié)束語

依托某長輸成品油管道項目， 利用SPS軟件建立SPS加減阻劑模型，并分別從減阻劑注入點、減阻劑注入量、不同種類油品對減阻效果的影響等方面進行模擬分析，由分析結(jié)果可知：減阻劑應(yīng)注入在各輸油站場的出站端，以減少站內(nèi)設(shè)備等部件的剪切力；對同一種油品，隨著減阻劑濃度的增加，管輸量呈現(xiàn)遞增的趨勢，當(dāng)增加到一定程度后保持不變，本項目中減阻劑注入量達到0.015 m3/h以上時，管輸量最大可提高25.7%；在減阻劑種類和注入量一定時，汽柴油對減阻劑的減阻效果影響差異較大，其中管輸柴油時管道增輸率達15.1%， 而同種工況下汽油增輸率僅為2.88%；在減阻劑種類和注入量一定時，隨著油品粘度的增加，管道增輸率呈增加的趨勢，減阻率呈現(xiàn)下降的趨勢。

上述模擬結(jié)果與現(xiàn)場減阻試驗結(jié)果基本吻合， 說明利用SPS軟件進行模擬對管道輸送過程中確定減阻劑注入位置和添加濃度具有一定的指導(dǎo)意義，為管道工程設(shè)計、增輸改造、節(jié)能運行提供了重要的參考。