張梓凡

國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)東部?jī)?chǔ)運(yùn)公司荊門輸油處

摘要：原油管道輸送時(shí)易結(jié)蠟，運(yùn)行一段時(shí)間后需要清管。選用黃啟玉動(dòng)力學(xué)模型建立蠟沉積模型，計(jì)算分析不同出站油溫和不同管道沿線地溫對(duì)管道結(jié)蠟的影響規(guī)律。給出熱油管道運(yùn)行過(guò)程中的熱力、水力計(jì)算方法，建立了以清管后管道運(yùn)行成本為目標(biāo)函數(shù)的最佳清管周期計(jì)算方法。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例計(jì)算分析了清管后管道運(yùn)行成本隨管道運(yùn)行天數(shù)、出站油溫、管道沿線地溫變化的規(guī)律，確定了最佳清管周期。研究結(jié)果可為清管作業(yè)提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：含蠟原油；結(jié)蠟分析；管道運(yùn)行成本；清管周期

國(guó)產(chǎn)含蠟原油通過(guò)熱油管線輸送，隨著運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)，管壁蠟沉積會(huì)越來(lái)越厚，縮小了管道的有效流通面積，增加水力損耗[1]。但同時(shí)蠟層的保溫性能使熱力損耗減小，尤其在清管之后對(duì)管道保溫性能影響較大。充分預(yù)測(cè)管道蠟沉積層厚度和合理確定清管周期對(duì)長(zhǎng)輸原油管道的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要意義[2,3]。本文以鐘荊線高陽(yáng)—荊門管段為例，采用黃啟玉動(dòng)力學(xué)模型，開(kāi)展管道蠟沉積預(yù)測(cè)研究，以確定經(jīng)濟(jì)合理的清管周期。

1  管道蠟沉積預(yù)測(cè)

1.1  蠟沉積模型選取及計(jì)算

蠟沉積模型選用黃啟玉動(dòng)力學(xué)模型，該模型具有簡(jiǎn)單實(shí)用，精度合理的特點(diǎn)，用于計(jì)算我國(guó)含蠟原油管道蠟沉積速率的實(shí)用性較高[4]。模型計(jì)算式為：

高陽(yáng)—荊門管段全長(zhǎng)73 km，管徑219 mm，平均壁厚7 mm。輸送原油物性如表 1所示。

表 1 輸送原油物性指標(biāo)表

1.2  計(jì)算結(jié)果

（1）不同出站油溫管道結(jié)蠟情況。分別選取高陽(yáng)站出站油溫58℃、55℃和52℃，管道沿線地溫10℃，輸量100 m3/h，結(jié)合該管段每10天進(jìn)行一次清管現(xiàn)狀，分別模擬計(jì)算管道運(yùn)行5天、10天、15天的結(jié)蠟厚度。結(jié)果如圖 1所示。

圖 1 出站油溫對(duì)管道結(jié)蠟分布影響情況

從圖 1可知，原油剛出高陽(yáng)站的一段管道沒(méi)有蠟沉積層出現(xiàn)，隨著輸送距離延長(zhǎng)，后半段管道蠟沉積層出現(xiàn)增大—減小—增大變化趨勢(shì)，在運(yùn)行15天、60 km快接近荊門站時(shí)，蠟沉積層厚度達(dá)到最大值，58℃油溫時(shí)為8.6 mm，52℃為9.6 mm，且變化幅度越來(lái)越小。結(jié)果表明，在相同地溫和輸量條件下，出站油溫越低蠟沉積越嚴(yán)重，蠟沉積速率更快，蠟沉積層厚度更大

（2）不同沿線地溫管道結(jié)蠟情況。以高陽(yáng)站出站油溫55℃，輸量100 m3/h，分別選取冬季管道沿線地溫為5 ℃、10 ℃、15 ℃，模擬計(jì)算管道運(yùn)行5天、10天、15天的結(jié)蠟厚度，結(jié)果如圖 2所示。

圖 2 沿線地溫對(duì)管道結(jié)蠟分布影響情況

從圖 2可知，相同出站油溫和輸量條件下，不同地溫對(duì)管道結(jié)蠟厚度影響趨勢(shì)與不同出站油溫影響趨勢(shì)基本一致。在運(yùn)行15天、60 km快接近荊門站時(shí)，蠟沉積層厚度達(dá)到最大值，15℃地溫時(shí)為6.5 mm，5℃時(shí)為9.8 mm。沿線地溫越低，原油溫度和周圍環(huán)境溫差越大，油流溫降就會(huì)增大，析蠟速度越快。

2  清管周期計(jì)算

2.1  清管周期模型

（1）模型建立。含蠟原油管道輸送費(fèi)用（運(yùn)行成本）主要由熱力費(fèi)用、動(dòng)力費(fèi)用和清管費(fèi)用三部分組成，熱力費(fèi)用和動(dòng)力費(fèi)用之間存在互相制約關(guān)系。理論上，進(jìn)行周期性清管的管道運(yùn)行成本將在某一時(shí)刻達(dá)到最低[5]，在達(dá)到最低點(diǎn)時(shí)就形成最經(jīng)濟(jì)清管周期。目前該管段每10天清管一次，過(guò)短的清管周期使管道運(yùn)行成本較高。通過(guò)模擬計(jì)算，以確定最經(jīng)濟(jì)清管周期。

將管道運(yùn)行成本定義為：1 t原油在管道內(nèi)輸送1 km時(shí)所產(chǎn)生的動(dòng)力費(fèi)用、熱力費(fèi)用和清管費(fèi)用之和。清管周期計(jì)算模型如式（2）：

式中S為管道運(yùn)行成本，元/（t·km）；SA為管道動(dòng)力費(fèi)用，元/（t·km）；SB為管道熱力費(fèi)用，元/（t·km）；SC為清管費(fèi)用，元/（t·km）；t為管道清管后運(yùn)行天數(shù)（清管周期），t=1，2，…n。

（2）動(dòng)力費(fèi)用計(jì)算。一次清管之后t天內(nèi)輸油泵機(jī)組的輸入功率為：

式中Nt為泵機(jī)組的輸入功率，kW；ρ為原油密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；Q為體積流量，m3/s；H為兩站之間的總水頭損失，m（H2O液柱）；ηa為電機(jī)效率，%；ηb為輸油泵效率，%。一次清管之后t天內(nèi)輸油泵機(jī)組的動(dòng)力消耗：

將式（3）代入式（4）中可得出單位動(dòng)力消耗計(jì)算公式：

式中χα為電力價(jià)格，元/（kW·h）；Gd為管道平均輸油量，t/d；L為兩站之間距離，km。

（3）熱力費(fèi)用計(jì)算。

式中TR為起點(diǎn)油溫，℃；TZ為蠟層厚度為δ時(shí)的終點(diǎn)油溫，℃；ηC為加熱爐效率，%；Cb為油品比熱容，kJ/(kg.℃)；χb為燃?xì)鈨r(jià)格，元/t；BH為燃料油熱值，kJ/kg。

（4）清管費(fèi)用計(jì)算。

式中χc 為清管一次所需費(fèi)用，元。

2.2  應(yīng)用實(shí)例

以高陽(yáng)—荊門管段冬季運(yùn)行為例，相關(guān)參數(shù)如下：20℃原油密度860 kg/m3，燃燒熱56 000 kJ/kg；燃?xì)鈨r(jià)格4200元/t；加熱爐效率92％；泵效率81%；電費(fèi)0.85元/（kW·h）；計(jì)算得出一次清管費(fèi)用6500元。

（1）考察不同出站油溫清管周期。分別選取高陽(yáng)站出站油溫53℃和55℃，管道沿線地溫10℃，輸量100 m3/h，計(jì)算分析運(yùn)行天數(shù)（清管周期）對(duì)管道運(yùn)行成本的影響，結(jié)果如圖 3所示。

圖 3 不同油溫清管周期對(duì)管道運(yùn)行成本的影響

從圖 3可知，在相同沿線地溫和輸量條件下，油溫53℃和55℃時(shí)管道運(yùn)行成本分別在運(yùn)行第30天和第40天達(dá)到最低，即達(dá)到最經(jīng)濟(jì)清管周期。管道運(yùn)行成本先降低后升高，主要是因?yàn)殡S著運(yùn)行天數(shù)增加，蠟沉積層不斷增厚，因其具有一定的保溫效果，使總傳熱系數(shù)減小，導(dǎo)致熱力消耗減小，熱力費(fèi)用隨之降低，使成本降低。在達(dá)到最經(jīng)濟(jì)清管周期后，蠟沉積層厚度較大，管道水力損耗較大，動(dòng)力費(fèi)用上升，導(dǎo)致成本增大。

（2）考察不同沿線地溫清管周期。選取高陽(yáng)站出站油溫53℃，輸量100 m3/h，管道沿線地溫分別為10℃、15℃，計(jì)算運(yùn)行天數(shù)（清管周期）對(duì)管道運(yùn)行成本的影響，結(jié)果如圖 4所示。

圖 4 不同地溫清管周期對(duì)管道運(yùn)行成本的影響

從圖 4可知，在相同油溫和輸量條件下，地溫10℃、15℃時(shí)管道運(yùn)行成本分別在運(yùn)行第30天和第60天達(dá)到最低，即達(dá)到最經(jīng)濟(jì)清管周期。結(jié)果表明，管道運(yùn)行成本隨地溫增高而降低，這主要是因?yàn)楣艿姥爻虩崃�損失減小，熱力費(fèi)用降低，單位運(yùn)行成本也降低，經(jīng)濟(jì)清管周期延長(zhǎng)。而地溫越低，管道向周圍土壤的散熱越快，蠟沉積速率越快，動(dòng)力費(fèi)用的上升速度越快，相應(yīng)經(jīng)濟(jì)清管周期越短。

3  結(jié)語(yǔ)

（1）出站最初一段管道內(nèi)沒(méi)有蠟沉積層出現(xiàn)，隨著輸送距離延長(zhǎng)，開(kāi)始出現(xiàn)蠟沉積層并逐漸增厚，在接近下一站時(shí)最厚結(jié)蠟層出現(xiàn)，最大蠟層厚度隨著沿線地溫和出站油溫降低而增大。

（2）實(shí)例計(jì)算表明，在考察的出站油溫和地溫條件下，油溫降低，清管周期縮短，管道運(yùn)行成本先降低后升高。地溫越高，清管周期越長(zhǎng)，管道運(yùn)行成本越低。

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作者簡(jiǎn)介：張梓凡，1998年生，助理工程師，主要從事管道管理相關(guān)工作。聯(lián)系方式：13597921109，574065297@qq.com。