成品油管道順序輸送現(xiàn)狀與發(fā)展研究

摘要：成品油順序輸送的發(fā)展離不開混油的研究?；煊彤a(chǎn)生機理、混油的處理、混油檢測、混油計算都是研究混油的基礎(chǔ)。文章對此進行綜述，系統(tǒng)地歸納了混油的處理方法、混油的檢測方法、混油計算模型等并說明了各個問題的研究現(xiàn)狀。并且還分析了成品油管道順序輸送的未來發(fā)展趨勢。在“雙碳”目標(biāo)下，氨、甲醇與成品油順序輸送成為研究新趨勢，同時也存在一些需要被攻克的難題。

關(guān)鍵詞：順序輸送；混油；混油檢測；發(fā)展方向

中圖分類號：TQ022.12 文獻標(biāo)志碼： J 文章編號： 1004-0935（2025）02-0288-04

在貿(mào)易市場，石油種類的需求是多樣的，現(xiàn)如今管道運輸已成為石油運輸?shù)闹饕绞剑绻糠N油品都鋪設(shè)與之對應(yīng)的管道，工程投資和輸送成本無疑巨大的，所以比較經(jīng)濟的處理方法就是將多種油品在一個輸油管道中進行順序輸送。順序輸送其實就是將不同種類的油品在同一條輸油管道中，按照規(guī)定的批次和順序，連續(xù)地輸送到目的地的輸送方法，亦稱為“交替輸送”或者“混油輸送”[1]。順序輸送在原油管道和成品油管道中均有使用。除此以外，世界上也曾有過將原油和成品油、原油與液化天然氣或者成品油與液化天然氣進行順序輸送的成功案例，如加拿大貫山管道從1993年就開始實行過原油-成品油的順序輸送[2]。目前我國暫無原油-成品油順序運輸?shù)妮斢凸艿?，順序輸送可以使管道的利用率最大化，并減低鐵路等其他運油方式的運輸壓力，從而提高經(jīng)濟效益，因而在許多國家被廣泛應(yīng)用。但是，此種方法也有一些弊端。在順序輸送過程中，后行油品與前行油品的交界處會產(chǎn)生混油，這會使石油的純度和質(zhì)量降低，浪費人力物力從而造成經(jīng)濟損失[3]。因此對混油的研究具有十分重要的意義。

1混油的產(chǎn)生與控制

1.1混油的產(chǎn)生

對于混油機理的研究，國內(nèi)外眾多學(xué)者進行了研究。蒲家寧[4]提出混油的產(chǎn)生包括初始混油、沿程混油、過站混油、停輸混油和意外混油。在通常的管輸條件下，沿程輸送拖尾混油占比最多?；煊彤a(chǎn)生的原因主要有以下幾種。

1）在流體狀態(tài)屬于層流時，流體的徑向速度分布不均會導(dǎo)致混油。油品在管道中處于滿流狀態(tài)時，流體的流速狀態(tài)是以管軸為中心的拋物面[5]。處于管軸處的流體流動速度最快，處于管壁的流體流動速度最慢，后行油品由此形成楔形油頭頂入前行油品中，接著不同的油品會存在比重差，在分子擴散的作用下，前行油品和后行油品發(fā)生混合，此外楔形油頭會逐漸偏離管道軸心，從而造成大量混油。由此造成的混油量是所有因素中最多的，因此在實際工程中，成品油的順序輸送不允許在層流狀態(tài)下進行[1]。

2）在紊流狀態(tài)下，輸油管道截面上油品的流速與油品的平均流速幾乎接近，這種狀況可以防止楔形油頭的形成，從而抑制混油的軸向發(fā)展。因此在輸送時，應(yīng)要求管內(nèi)滿流輸送。在湍流管道中，分子擴散不會造成明顯的混油。研究人員進行了大量的實驗研究發(fā)現(xiàn)，在紊流狀態(tài)下擴散傳遞是導(dǎo)致混油的主要因素[6]。紊流狀態(tài)下的混油量大大少于層流狀態(tài)下的混油量。

3）當(dāng)管段在地形起伏較大的區(qū)域時，密度差是引起混油的主要因素，對于地勢較平坦的區(qū)域，并且油品在管道中的雷諾數(shù)較大時，由此原因引起的混油量較小，可忽略不計。

4）在盲管段也會造成混油。當(dāng)長輸管道穿越過泵站和閥室時，會形成死油段，當(dāng)后行油品流過充滿前行油品的死油段時，后行油品逐漸混入死油段，在這個被替換的過程中由于重力作用，引起混油的主要因素是對流傳遞。在這個過程中，從死油區(qū)流出的前行油品會在管道中形成較長的拖尾混油。劉恩斌等提出，死油區(qū)拖尾油形成有兩個階段：重力流階段和湍流擴散階段[6]，其中湍流擴散階段進行的時間較長，形成的混油量較大。

1.2混油的控制

混油的控制應(yīng)該基于混油產(chǎn)生的原因，從人為操作方面，加快切換閥門的速度，簡化站內(nèi)流程，減少盲端死油段的存在，不在混油界面經(jīng)過時停輸?shù)确椒梢詼p少混油[7-8]。從油品本身方面，首先科學(xué)合理的批次編制可以減少混油量。對于批次的優(yōu)化，前人已經(jīng)經(jīng)過大量的探索，目前技術(shù)已比較成熟，大多數(shù)油品的最優(yōu)批次編制可用商業(yè)軟件求解。其次可以考慮采取隔離物將前行油品和后面油品隔開以減少混油。隔離物靠后行油品的推力前進，隔離物可以有固體隔離和流體隔離[9]，固體隔離物難免會和管道之間存在縫隙，會擾亂混油面，而且經(jīng)過閥室彎管等時，有堵塞管道的風(fēng)險，操作性較復(fù)雜，因此在國內(nèi)現(xiàn)場不常用。流體隔離物可以有液體隔離物和凝膠體隔離物。流體隔離物的封閉性好，而且可以順利地通過閥門、街頭、彎頭等地方，隔離液最好選擇與前后油品相容性很小并且能容易與之分離的液體。關(guān)于凝膠的制備目前研究尚少，凝膠是一種具有黏性的流體，不僅可以隔離油品，還可以吸附清除管道雜質(zhì)，具有良好的經(jīng)濟性，此方法需要解決凝膠體制備的難題。

2混油的處理

首先要對順序輸送的成品油進行科學(xué)的批次編制，確定輸送的油品順序和油品量。一般相鄰油品之間的性質(zhì)差距越大，產(chǎn)生的混油量就越大，因此相鄰輸送的油品一般是性質(zhì)相似的油品。成品油管道產(chǎn)生的混油一般進行切割處理，切割處理的方法主要有：兩段切割、三段切割、四段切割、五段切割[10]，具體切割方法依油品而定。之后在保證油品質(zhì)量的前提下，將切割后的油品直接或者經(jīng)過凈化處理再回摻到相應(yīng)的油品中出售。一般切割出來的混油不符合產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，需要進行相應(yīng)的處理。目前我國采用方法有蒸餾法、混摻法、過濾法、金屬氧化物處理法、堿處理法[11]。這些方法都各有優(yōu)缺點。目前，混摻法、蒸餾法是國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的兩種方法[12]?；鞊椒ㄊ亲罱?jīng)濟的處理方法，但有時無法達到油品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求。隨著技術(shù)的進步，蒸餾法成為最常用的處理混油的方法，且操作簡便，不造成浪費，經(jīng)濟效益良好，一般在管道末端或者就近將混油送回?zé)捇瘡S，采用常減壓蒸餾的方式將混油分離，這種方法相當(dāng)于將混油進行了重新的煉制，從而得到符合油品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的成品油。成渝管道大部分混油處理使用此方法[13]。

3混油的檢測

混油的檢測不管是對長距離管道的安全運輸還是后續(xù)混油的切割都具有重要的意義。混油的檢測方法主要有：密度計檢測法、光學(xué)界面檢測法、聲波檢測法、標(biāo)記法、放射法、電容法。當(dāng)前最常用最直接的方法是密度計檢測法和光學(xué)界面檢測法（OID）[14]。前者是被廣泛熟知的檢測方法；后者是近年來發(fā)展迅速的檢測手段，并且已在多條管道 成功應(yīng)用。

密度計檢測，其又分為浮子式密度計檢測法和震動式密度檢測法。浮子式密度檢測法使用成本低，操作方便，但是容易受到溫度，液體的影響較大，從而導(dǎo)致測量不夠準(zhǔn)確。光學(xué)界面檢測法是基于油品的透明度和折射率的差異來檢測混油界面。國家管網(wǎng)華南分公司對光學(xué)界面檢測法進行了改進，研制出國內(nèi)首套光學(xué)智能檢測儀，并運用到實際工程當(dāng)中[15]。大大提高了測量的精準(zhǔn)度，有效地解決了相似油品界面檢測的難題。聲波檢測法的原理是聲波在不同的油品中傳播速度不同實現(xiàn)批次界面追蹤的目的。此方法靈敏度高，并且安裝時不直接與油品接觸，杜絕了泄漏油品的風(fēng)險，但是測量過程易受干擾[16]。蘭鄭長成品油管道用此方法來辨別汽油和柴油界面，其他油品用此方法檢測誤差較大。標(biāo)記法是將易于被檢測到的物質(zhì)置于兩種油品的交界面處，再對被作為標(biāo)記物的物質(zhì)進行檢測，來確定混油界面。一般標(biāo)記物有惰性氣體，熒光染料，放射性物質(zhì)等。這種方法易導(dǎo)致成品油污染，而且測量結(jié)果也存在較大誤差。因此在實際工程中不常使用。電容法是利用不同的油品具有不變的介電常數(shù)來測量，此方法操作簡便成本較低，但是受溫度影響較大，測量不準(zhǔn)確，在實際工程中不常使用。精準(zhǔn)檢測是混油后續(xù)處理的基礎(chǔ)，精準(zhǔn)檢測設(shè)備的繼續(xù)研究還是十分有必要的[17]。

4混油的計算

對于順序輸送的研究，國內(nèi)相較國外而言起步較晚，混油計算的模型一直在不斷 發(fā)展?，F(xiàn)有模型主要分為經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀肜碚摪虢?jīng)驗?zāi)Ｐ?，基于流體力學(xué)（CFD）理論所建立的模型[18]。早在1945年，殼牌石油公司經(jīng)過5年大量的實驗研究，總結(jié)出了汽油與柴油，汽油與汽油混油的計算公式（Birge公式）。此公式對混油的影響因素未考慮周全，因此具有偏差。目前常見的公式有：Taylor公式。此模型忽略了黏性邊界層與紊流核心區(qū)的對流傳質(zhì)效應(yīng)，假定濃度分布曲線以管軸為界對稱分布，因此當(dāng)流體雷諾數(shù)較低時，計算誤差較大，后面許多學(xué)者研究的模型都是基于此模型。Austin-Palfrey公式，這是適用率較高的經(jīng)驗公式，但此公式求解參數(shù)少，計算的最終結(jié)果通常與工程實際存在較大的偏差，因此一般只適用于估算[19]。但是這些混油計算模型都是在一個全局預(yù)測模型的基礎(chǔ)上建立，預(yù)測精準(zhǔn)度欠佳。鑒于混油發(fā)展工況復(fù)雜多變，不同的工況應(yīng)該用不同的方法來預(yù)測。CHEN等[20]建立了機制-數(shù)據(jù)雙驅(qū)動的混油長度預(yù)測模型，引入了局部建模的計算方法，可以分辨不同的管輸中混油發(fā)展的過程，并在局部建立與之相應(yīng)的預(yù)測模型，對混油長度的預(yù)測相較于前者，誤差降低明顯，并且此模型受到噪音干擾時，仍能保持預(yù)測混油的長度以及發(fā)展規(guī)律的準(zhǔn)確性。袁子云等[21]延續(xù)了前者“分而治之”的觀念，提出了采用高斯混合回歸算法（Gaussian Mixture Regression， GMR）辨識數(shù)據(jù)多模態(tài)特性，這是當(dāng)今主流方法，建立了GMR算法與Austin-Palfrey公式混合的算法，簡稱GMG-M模型，經(jīng)過實驗對比分析，此模型具有明顯的預(yù)測優(yōu)勢。

順序輸送過程混油的發(fā)展是一個復(fù)雜的過程，管道沿線的溫江、管道的參數(shù)，不同油品的不同的導(dǎo)熱系數(shù)都會導(dǎo)致油品的物性發(fā)生變化，從而影響擴散系數(shù)的改變。這樣一來，混油的濃度分布以及混油的長度會發(fā)生變化。目前，現(xiàn)場的一些混油追蹤軟件也未考慮這些因素的影響且數(shù)據(jù)追蹤不夠準(zhǔn)確，所以誤差較大。因此，考慮溫度、壓力、管道參數(shù)等因素的變化是提高精確度的關(guān)鍵?，F(xiàn)在一些學(xué)者們在考慮這些因素后基于CFD復(fù)雜混油模型研究混油的發(fā)展過程有了較為完整的描述，但是仍然不夠完整、深入。隨著計算機技術(shù)向各個行業(yè)的不斷滲入，現(xiàn)場通常將數(shù)據(jù)接入SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)對油品的各個信息展開計算，如混油長度、混油界面等。目前順序輸送技術(shù)發(fā)展迅速，混油方面的計算也逐漸完備，已有相關(guān)混油信息的表征軟件。

5混油的發(fā)展方向

隨著社會的能源轉(zhuǎn)型，為了早日達成“雙碳”目標(biāo)，中國正朝著發(fā)展新能源方向邁進。而“氫”首當(dāng)其沖是被廣泛熟知的無碳清潔能源。但是氫能運輸存在兩大難題：一是氫氣分子量小，易發(fā)生逸氫損失，給運輸增添了難度。二是儲氫材料易發(fā)生氫脆，而且氫氣又是易燃易爆炸的氣體，運輸安全隱患極大[22]。但是氫可以轉(zhuǎn)化為氨和甲醇，反過來氨和甲醇也可以通過催化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為氫，因此可以通過運輸氨和甲醇達到間接地運輸氫的目的。運輸氨相較于運輸氫氣，成本低，爆炸風(fēng)險小，并且有刺鼻性氣味，可直接作為報警信號，況且氨和甲醇是目前廣泛應(yīng)用的化工原料，各地需求量大，向各個地區(qū)運輸也是發(fā)展所需要的。目前公路和鐵路是甲醇的主要運輸方式，不但運輸量小，而且費用高昂。因此現(xiàn)在學(xué)者們研究將氨和甲醇加入成品油順序輸送的行列。這樣不但提高了經(jīng)濟效益，而且也提高了管道的利用率。這也是順序輸送研究的新的發(fā)展方向[23]。為了實現(xiàn)氨和甲醇的能夠和成品油可以進行順序輸送的目標(biāo)，就必須解決氨液、甲醇、成品油之間的水力熱力問題以及混油發(fā)展預(yù)測、編制批次、切割處理等問題，并且氨液和甲醇具有毒性，還需考慮泄漏擴散和安全防護問題。

4結(jié)束語

當(dāng)前，成品油管道運輸在全球發(fā)展成熟，具有強大的經(jīng)濟效益優(yōu)勢。而混油是成品油順序輸送不可忽視的問題，本文主要闡述了混油的產(chǎn)生機理、混油的處理、混油的檢測、混油的計算模型以及順序輸送的發(fā)展前景。計算機技術(shù)已經(jīng)滲入到了油氣運輸?shù)母鱾€方面，相信隨著科學(xué)的不斷進步。關(guān)于順序輸送的相關(guān)問題也會被處理得越來越完善。隨著新能源的大力發(fā)展，成品油管道運輸氨液、甲醇是長距離管道順序輸送研究的新方向，液體的混合規(guī)律和混合液體的處理工藝將更加復(fù)雜。

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Research Status and Development Direction of Product Pipeline Sequential Transportation

MA Rongrong， WANG Yaqian

（School of Petroleum Engineering， Xi’an Shiyou University， Xi’an Shanxi 710065， China）

Abstract： The development of the sequential transfer of refined oil is inseparable from the study of mixed oil. The formation mechanism， treatment， detection and calculation of mixed oil are the basis of studying mixed oil. These aspects are summarized here， and the research status of each problem is illustrated. The future development trend of pipeline sequential transportation of refined oil products is also analyzed. Under the background of \"double carbon\"， the sequential transport of ammonia， methanol and refined oil has become a new trend in research， but there are also some difficult problems to be overcome.

Key words： Sequential transport; Oil mixture; Oil mixture detection; Development direction