張梓凡

國家管網集團東部儲運公司荊門輸油處

 

摘要：原油管道輸送時易結蠟，運行一段時間后需要清管。選用黃啟玉動力學模型建立蠟沉積模型，計算分析不同出站油溫和不同管道沿線地溫對管道結蠟的影響規律。給出熱油管道運行過程中的熱力、水力計算方法，建立了以清管后管道運行成本為目標函數的最佳清管周期計算方法。通過現場實例計算分析了清管后管道運行成本隨管道運行天數、出站油溫、管道沿線地溫變化的規律，確定了最佳清管周期。研究結果可為清管作業提供技術支撐。

關鍵詞：含蠟原油；結蠟分析；管道運行成本；清管周期

 

國產含蠟原油通過熱油管線輸送，隨著運行時間延長，管壁蠟沉積會越來越厚，縮小了管道的有效流通面積，增加水力損耗[1]。但同時蠟層的保溫性能使熱力損耗減小，尤其在清管之后對管道保溫性能影響較大。充分預測管道蠟沉積層厚度和合理確定清管周期對長輸原油管道的安全經濟運行具有重要意義[2,3]。本文以鐘荊線高陽—荊門管段為例，采用黃啟玉動力學模型，開展管道蠟沉積預測研究，以確定經濟合理的清管周期。

1  管道蠟沉積預測

1.1  蠟沉積模型選取及計算

蠟沉積模型選用黃啟玉動力學模型，該模型具有簡單實用，精度合理的特點，用于計算我國含蠟原油管道蠟沉積速率的實用性較高[4]。模型計算式為：

高陽—荊門管段全長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 輸送原油物性指標表

1.2  計算結果

（1）不同出站油溫管道結蠟情況。分別選取高陽站出站油溫58℃、55℃和52℃，管道沿線地溫10℃，輸量100 m3/h，結合該管段每10天進行一次清管現狀，分別模擬計算管道運行5天、10天、15天的結蠟厚度。結果如圖 1所示。

圖 1 出站油溫對管道結蠟分布影響情況

從圖 1可知，原油剛出高陽站的一段管道沒有蠟沉積層出現，隨著輸送距離延長，后半段管道蠟沉積層出現增大—減小—增大變化趨勢，在運行15天、60 km快接近荊門站時，蠟沉積層厚度達到最大值，58℃油溫時為8.6 mm，52℃為9.6 mm，且變化幅度越來越小。結果表明，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蠟情況。以高陽站出站油溫55℃，輸量100 m3/h，分別選取冬季管道沿線地溫為5 ℃、10 ℃、15 ℃，模擬計算管道運行5天、10天、15天的結蠟厚度，結果如圖 2所示。

圖 2 沿線地溫對管道結蠟分布影響情況

從圖 2可知，相同出站油溫和輸量條件下，不同地溫對管道結蠟厚度影響趨勢與不同出站油溫影響趨勢基本一致。在運行15天、60 km快接近荊門站時，蠟沉積層厚度達到最大值，15℃地溫時為6.5 mm，5℃時為9.8 mm。沿線地溫越低，原油溫度和周圍環境溫差越大，油流溫降就會增大，析蠟速度越快。

2  清管周期計算

2.1  清管周期模型

（1）模型建立。含蠟原油管道輸送費用（運行成本）主要由熱力費用、動力費用和清管費用三部分組成，熱力費用和動力費用之間存在互相制約關系。理論上，進行周期性清管的管道運行成本將在某一時刻達到最低[5]，在達到最低點時就形成最經濟清管周期。目前該管段每10天清管一次，過短的清管周期使管道運行成本較高。通過模擬計算，以確定最經濟清管周期。

將管道運行成本定義為：1 t原油在管道內輸送1 km時所產生的動力費用、熱力費用和清管費用之和。清管周期計算模型如式（2）：

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

（2）動力費用計算。一次清管之后t天內輸油泵機組的輸入功率為：

式中Nt為泵機組的輸入功率，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為電機效率，%；ηb為輸油泵效率，%。一次清管之后t天內輸油泵機組的動力消耗：

將式（3）代入式（4）中可得出單位動力消耗計算公式：

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

（3）熱力費用計算。

式中TR為起點油溫，℃；TZ為蠟層厚度為δ時的終點油溫，℃；ηC為加熱爐效率，%；Cb為油品比熱容，kJ/(kg.℃)；χb為燃氣價格，元/t；BH為燃料油熱值，kJ/kg。

（4）清管費用計算。

式中χc 為清管一次所需費用，元。

2.2  應用實例

以高陽—荊門管段冬季運行為例，相關參數如下：20℃原油密度860 kg/m3，燃燒熱56 000 kJ/kg；燃氣價格4200元/t；加熱爐效率92％；泵效率81%；電費0.85元/（kW·h）；計算得出一次清管費用6500元。

（1）考察不同出站油溫清管周期。分別選取高陽站出站油溫53℃和55℃，管道沿線地溫10℃，輸量100 m3/h，計算分析運行天數（清管周期）對管道運行成本的影響，結果如圖 3所示。

圖 3 不同油溫清管周期對管道運行成本的影響

從圖 3可知，在相同沿線地溫和輸量條件下，油溫53℃和55℃時管道運行成本分別在運行第30天和第40天達到最低，即達到最經濟清管周期。管道運行成本先降低后升高，主要是因為隨著運行天數增加，蠟沉積層不斷增厚，因其具有一定的保溫效果，使總傳熱系數減小，導致熱力消耗減小，熱力費用隨之降低，使成本降低。在達到最經濟清管周期后，蠟沉積層厚度較大，管道水力損耗較大，動力費用上升，導致成本增大。

（2）考察不同沿線地溫清管周期。選取高陽站出站油溫53℃，輸量100 m3/h，管道沿線地溫分別為10℃、15℃，計算運行天數（清管周期）對管道運行成本的影響，結果如圖 4所示。

圖 4 不同地溫清管周期對管道運行成本的影響

從圖 4可知，在相同油溫和輸量條件下，地溫10℃、15℃時管道運行成本分別在運行第30天和第60天達到最低，即達到最經濟清管周期。結果表明，管道運行成本隨地溫增高而降低，這主要是因為管道沿程熱力損失減小，熱力費用降低，單位運行成本也降低，經濟清管周期延長。而地溫越低，管道向周圍土壤的散熱越快，蠟沉積速率越快，動力費用的上升速度越快，相應經濟清管周期越短。

3  結語

（1）出站最初一段管道內沒有蠟沉積層出現，隨著輸送距離延長，開始出現蠟沉積層并逐漸增厚，在接近下一站時最厚結蠟層出現，最大蠟層厚度隨著沿線地溫和出站油溫降低而增大。

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

 

參考文獻：

[1]AlYaariM.Paraffinwaxdeposition:mitigationandremovaltechniques[C].ProceedingsoftheSPESaudiArabiaSectionYoungProfessionalsTechnicalSymposium,Dhahran, SaudiArabia,2011.

[2]朱林，項振東，楊玉華.原油溫度對管道結蠟的影響及其機理研究[J].油田地面工程，1991，10(2):13-15.

[3]伍鴻飛.含蠟原油固相沉積影響因素研究[D].西南石油大學，2014.

[4]蓋蕓.含蠟原油管道蠟沉積模型的研究[D].西南石油大學，2014.

[5]TiwaryR,MehrotraAK.Deposition from wax-solvent mixture sunder turbulentflowEffectsofshearrateandtimeondepositproperties[J].EnergyFuels,2009:23(3)：1299-1310

作者簡介：張梓凡，1998年生，助理工程師，主要從事管道管理相關工作。聯系方式：13597921109，574065297@qq.com。