原油順序輸送工藝混油問題探討

許昊東

（中海油國(guó)際貿(mào)易有限責(zé)任公司，北京 100027）

不同性質(zhì)的原油具有不同的煉化特點(diǎn)，對(duì)應(yīng)著不同的加工方案。煉廠的裝置結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式由加工原油的性質(zhì)決定，盲目摻煉會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量下降、裝置效率降低、裝置壽命縮短。分輸分煉已成為業(yè)內(nèi)共識(shí)，能夠充分發(fā)揮不同原油的加工優(yōu)勢(shì)，提升煉廠經(jīng)濟(jì)效益，考慮到我國(guó)龐大的常減壓加工能力，分輸分煉避免了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

原油分輸是通過管道順序輸送實(shí)現(xiàn)，順序輸送是指在同一條管道內(nèi)，將不同物性的原油按照一定批量和次序連續(xù)輸送。順序輸送在滿足分輸?shù)那疤嵯?，使管道得到最大程度的?yīng)用，提升管道運(yùn)營(yíng)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。在順序輸送過程中，在兩種不同原油的接觸區(qū)不可避免地發(fā)生混油現(xiàn)象，影響原油的質(zhì)量指標(biāo)，造成一定的混油損失。目前順序輸送研究多集中于成品油領(lǐng)域[1-3]，研究原油順序輸送的混油問題，對(duì)生產(chǎn)活動(dòng)具有重要實(shí)際意義。

1 工藝應(yīng)用

1901年管道順序輸送工藝得到應(yīng)用，順序輸送工藝至今已非常普遍。國(guó)內(nèi)較早使用順序輸送技術(shù)的原油管道是湛茂輸油管道，湛茂管道1980年投產(chǎn)，起自湛江輸油站，終至茂名石化，全長(zhǎng)115 km，管道外徑529 mm。在20世紀(jì)80年代便應(yīng)用順序輸送技術(shù)分輸大慶油、勝利油和中東進(jìn)口原油，輸送油種達(dá)20 余種。東黃復(fù)線是我國(guó)第一條自動(dòng)化輸油管道，1986年投產(chǎn)，起自東營(yíng)首站，終至黃島油庫，全長(zhǎng)248.5 km，管道外徑711 mm，從1998年開始，東黃復(fù)線停輸勝利油而改輸進(jìn)口油，中東地區(qū)阿曼、沙特、科威特、伊拉克及阿聯(lián)酋等國(guó)進(jìn)口油從黃島上岸，通過順序輸送，去往齊魯石化，到達(dá)東營(yíng)站后繼續(xù)向西去往濟(jì)南、滄州、洛陽等地?zé)拸S。魯寧輸油管道起自臨邑縣，終至儀征市，全長(zhǎng)657.5 km，具有重要戰(zhàn)略意義，2002年9月進(jìn)行了混合原油（勝利油與進(jìn)口原油混合）與進(jìn)口原油順序輸送的實(shí)驗(yàn)，能夠?qū)ⅫS島上岸的進(jìn)口原油純凈地輸送至下游煉廠。甬滬寧輸油管道2004年建成投用，全長(zhǎng)666 km，與魯寧管道相接，共同形成了貫通南北的輸油大動(dòng)脈，采用常溫密閉順序輸送工藝，向鎮(zhèn)海石化、上海石化、高橋石化、金陵石化、揚(yáng)子石化等煉油廠輸送40 余種進(jìn)口原油，鑒于高橋石化以加工高硫原油為主，揚(yáng)子石化、金陵石化以加工低硫原油為主，甬滬寧輸油管道主要按原油含硫量劃分批次輸送。我國(guó)西部原油管道均采用順序輸送工藝。服務(wù)獨(dú)立煉廠的管道運(yùn)營(yíng)企業(yè)，順序輸送更是必不可少，山東境內(nèi)煙淄管道2016年建成投用，起自煙臺(tái)西港首站庫區(qū)，全長(zhǎng)540 km，服務(wù)華星、正和、京博、金誠(chéng)、匯豐等獨(dú)立煉廠，輸送原油品類近60 種?？傊?，原油管道順序輸送技術(shù)是發(fā)展的需要，具備廣闊的應(yīng)用前景，而混油問題需要更加精細(xì)化的研究[4-10]。

2 混油的計(jì)算與檢測(cè)

2.1 混油影響因素

管道順序輸送過程中的混油包括初始混油、沿程混油、過站混油、停輸混油和意外混油。正常輸送條件下，沿程混油是最主要的混油方式。

2.1.1 原油流態(tài)影響

管道中原油流態(tài)對(duì)混油量的影響至關(guān)重要。原油在管道中以兩種流態(tài)形式存在，即層流和紊流。

層流流動(dòng)時(shí)，管道軸心原油的流速大于管道內(nèi)壁處原油的流速，形成速度楔形，后行原油鉆入前行原油形成楔形油頭，在油品比重差作用下，楔形油頭偏離管道軸心，在分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)作用下，油品交界區(qū)域濃度趨于均勻，形成大量混油，混油量可能是管道容積的若干倍。順序輸送不應(yīng)在層流狀態(tài)下運(yùn)行。

紊流流動(dòng)時(shí)，管道截面上流速可以接近平均流速，抑制楔形油頭的形成。理論和實(shí)踐表明，隨著雷諾數(shù)的增加，紊流中層流邊層的厚度變薄，紊流核心部分逐漸占據(jù)管道截面，混油量開始下降；當(dāng)雷諾數(shù)超過某數(shù)值時(shí)，混油量幾乎不隨雷諾數(shù)變化，層流邊層的厚度極薄，紊流核心部分基本占據(jù)管道截面，此時(shí)造成混油的主要原因是紊流擴(kuò)散作用。順序輸送應(yīng)在紊流狀態(tài)下運(yùn)行。

2.1.2 輸送次序影響

在其他管輸條件一致的情況下，黏度小的原油頂替黏度大的原油產(chǎn)生的混油量，大于黏度大的原油頂替黏度小的原油產(chǎn)生的混油量，差值在10%～15%之間。這是由于黏度大的原油在管壁上附著油層厚，當(dāng)黏度小的原油為后行油時(shí)，附著在管壁上的黏度大的原油容易混入黏度小的原油，增大混油量。

2.1.3 初始混油影響

在輸油首站交替輸送原油時(shí)，先開啟后行原油儲(chǔ)罐閥門，在后行原油油罐閥門打開的過程中，逐漸關(guān)閉前行原油油罐閥門，因此在油罐切換短暫的時(shí)間內(nèi)，形成初始混油。初始混油量的大小取決于切換油罐的速度、油泵入口處管道的布置和首站輸量。初始混油對(duì)短距離管道末站的混油量影響很大，對(duì)長(zhǎng)距離管道末站的混油量影響不明顯。

2.1.4 中間泵站影響

混油段經(jīng)過中間泵站或分輸站時(shí)，受站內(nèi)管道存油、站內(nèi)管道閥件和過濾器擾動(dòng)、泵內(nèi)葉輪剪切等作用影響，混油段長(zhǎng)度會(huì)增加。

2.1.5 停輸影響

事故或計(jì)劃內(nèi)維修都會(huì)造成管道停輸，此時(shí)管道內(nèi)紊流脈動(dòng)消失，在前行油和后行油密度差的作用下，混油段截面上的油品會(huì)在垂直方向上移動(dòng)，表現(xiàn)為輕油向上運(yùn)動(dòng)，重油向下運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致混油量增加。如果停輸時(shí)混油界面所處地勢(shì)海拔高差較大，且密度大的油品處在高處，混油量會(huì)有較大增加。

2.1.6 其他影響因素

由于紊流擴(kuò)散作用，混油段長(zhǎng)度會(huì)隨著輸送距離的增大而增加。原油在輸油管道中通過翻越點(diǎn)時(shí)，容易在翻越點(diǎn)后出現(xiàn)液柱分離現(xiàn)象，即在翻越點(diǎn)后的管道內(nèi)發(fā)生不滿流現(xiàn)象，混油流量增多。

2.2 混油量計(jì)算

Austin 和Palfrey 統(tǒng)計(jì)分析順序輸送管道大量生產(chǎn)數(shù)據(jù)，不考慮輸送次序?qū)煊偷挠绊?，將前行原油體積分?jǐn)?shù)為99%～1%范圍內(nèi)的混油長(zhǎng)度定義為混油段的長(zhǎng)度，給出混油量的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。

式中：Re是—混油段雷諾數(shù)；

Rel是—臨界雷諾數(shù)；

C—混油段長(zhǎng)度，m；

d—管道內(nèi)直徑，m；

L—管道長(zhǎng)度，m；

e—自然對(duì)數(shù)的底；

Q—流量，m3·s-1；

υ—混油段運(yùn)動(dòng)黏度，m2·s-1；

υA、υB—前行和后行原油的運(yùn)動(dòng)黏度，m2·s-1。

管道生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)企業(yè)，可根據(jù)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，建立適合所屬管道的混油段長(zhǎng)度計(jì)算公式，如甬滬寧管道就建立了適合自身的混油段經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。

2.3 混油界面檢測(cè)

可以通過公式計(jì)算，對(duì)混油界面進(jìn)行跟蹤和到達(dá)終點(diǎn)站時(shí)間預(yù)報(bào)?；煊徒缑娴狡疠斒渍镜木嚯xL（km）與起輸站累計(jì)流量∑Q （m3）、管道內(nèi)徑d（mm）有如下關(guān)系：

如果此時(shí)起輸首站瞬時(shí)流量為Q，混油界面到達(dá)管道終點(diǎn)末站所需時(shí)間為T（h），首站到末站管道容積為V（m3），有如下關(guān)系：

混油界面的檢測(cè)主要通過密度檢測(cè)實(shí)現(xiàn)，根據(jù)不同原油的密度確定混油界面是最常用的方法。在進(jìn)站端安裝線密度分析儀，通過線密度儀對(duì)來油密度進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)視，分析來油密度變化確定混油界面。也可以在進(jìn)站端安裝超聲波密度檢測(cè)儀判斷來油密度變化，其原理是聲波在不同原油中的傳播速度不同，但由于聲波在油品中傳播速度與溫度、壓力有關(guān)系，需要提前對(duì)輸送油品進(jìn)行不同溫度、壓力下的聲波速度標(biāo)定，目前超聲波檢測(cè)方法作為最先進(jìn)的界面檢測(cè)技術(shù)被應(yīng)用廣泛。

若進(jìn)站端沒有安裝線密度儀或超聲波密度檢測(cè)裝置，可以通過檢測(cè)來油進(jìn)站壓力變化的方式判斷管道內(nèi)混油段，并通過人工取樣密度測(cè)定進(jìn)行驗(yàn)證分析，通過壓力判斷混油段的原理是，在輸送條件一致的情況下，管道內(nèi)壓力與來油密度成正比，東臨復(fù)線順序輸送混油段檢測(cè)便通過此方式完成。

混油界面的檢測(cè)還可通過檢測(cè)記號(hào)物質(zhì)實(shí)現(xiàn)。將作為記號(hào)的物質(zhì)溶解到與管輸原油類似的有機(jī)溶劑中，再將溶劑從首站注入前行油和后行油的界面，通過檢測(cè)記號(hào)物質(zhì)，掌握混合油段。常見的記號(hào)物質(zhì)分為熒光型和氣體型。

3 混油的切割

混油的切割方案需要根據(jù)前行油和后行油是否為同一貨主，進(jìn)行區(qū)分討論，合理的切割方案能夠提高原油加工經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)避免糾紛。

當(dāng)前行油和后行油為不同貨主擁有時(shí)，如果前行油和后行油物性相近，一般情況下可輕微降低對(duì)原油品質(zhì)的要求，以保障不同貨主的貨物數(shù)量為主，在混油體積分?jǐn)?shù)為50%的界面切割即可。如果前行油和后行油物性差異或商業(yè)價(jià)值差距較大，以原油和石腦油順序輸送為例，在混油體積分?jǐn)?shù)在50%的界面切割，將原油和混油切入原油貨主原油罐，將石腦油切入石腦油貨主石腦油罐，將另一部分混油切入石腦油貨主原油罐，如此可保證不同貨主貨物數(shù)量、石腦油貨主石腦油的純凈度，但石腦油貨主不可避免地?fù)p失一部分石腦油。

混油切割方案需要混油量計(jì)算、跟蹤預(yù)測(cè)、識(shí)別等手段作為支撐，同樣需要考慮貨主實(shí)際油品罐容情況，做出最優(yōu)的切割方案。

4 減少混油的措施

順序輸送原油時(shí)，應(yīng)盡量提高輸送流量，確保在紊流狀態(tài)下輸送原油，杜絕在層流狀態(tài)下輸送原油，減小沿程混油段長(zhǎng)度。

合理安排油品輸送的次序。應(yīng)該用黏度較大的油品頂送黏度較小的油品；盡量安排物性相近的原油順序輸送，油品性質(zhì)越接近，兩種油品允許的互相混入量就越大，產(chǎn)生的混油易于處理；盡量加大每種油品的一次輸送量，減小順序輸送的批次。

在首站切換油品時(shí)，在不造成水擊的前提下，盡量縮短開關(guān)閥門時(shí)間，如用球閥代替閘板閥，采用快速遙控的電動(dòng)或液動(dòng)閥門，由操作熟練的工人進(jìn)行油品切換，最大程度降低初始混油段長(zhǎng)度。

管道應(yīng)盡量減少旁接油罐，采用密閉輸油工藝，簡(jiǎn)化中間站流程，減少中間泵站對(duì)混油量的影響。

盡可能避免在管道運(yùn)行時(shí)中途停輸，在順序輸送過程中，停泵次數(shù)越多混油量越大；如果無法避免中途停輸，應(yīng)將混油界面控制在平坦地段，如果停泵時(shí)混油界面必須處于坡度較大的地段，應(yīng)使密度小的油品在上，密度大的油品在下，避免高差和密度疊加作用差導(dǎo)致停泵混油量增加。

可以在前后油品界面加入隔離物，將前后油品隔離開，常見的隔離物是隔離球和隔離液。隔離球是一種彈性球，但需要管道直徑統(tǒng)一；隔離液是一種聚合物，其擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)小于交替油品的擴(kuò)散系數(shù)，操作簡(jiǎn)便，對(duì)管道無特別要求。