张梓凡

国家管网集团东部储运公司荆门输油处

 

摘要：原油管道输送时易结蜡，运行一段时间后需要清管。选用黄启玉动力学模型建立蜡沉积模型，计算分析不同出站油温和不同管道沿线地温对管道结蜡的影响规律。给出热油管道运行过程中的热力、水力计算方法，建立了以清管后管道运行成本为目标函数的最佳清管周期计算方法。通过现场实例计算分析了清管后管道运行成本随管道运行天数、出站油温、管道沿线地温变化的规律，确定了最佳清管周期。研究结果可为清管作业提供技术支撑。

关键词：含蜡原油；结蜡分析；管道运行成本；清管周期

 

国产含蜡原油通过热油管线输送，随着运行时间延长，管壁蜡沉积会越来越厚，缩小了管道的有效流通面积，增加水力损耗[1]。但同时蜡层的保温性能使热力损耗减小，尤其在清管之后对管道保温性能影响较大。充分预测管道蜡沉积层厚度和合理确定清管周期对长输原油管道的安全经济运行具有重要意义[2,3]。本文以钟荆线高阳—荆门管段为例，采用黄启玉动力学模型，开展管道蜡沉积预测研究，以确定经济合理的清管周期。

1  管道蜡沉积预测

1.1  蜡沉积模型选取及计算

蜡沉积模型选用黄启玉动力学模型，该模型具有简单实用，精度合理的特点，用于计算我国含蜡原油管道蜡沉积速率的实用性较高[4]。模型计算式为：

高阳—荆门管段全长73 km，管径219 mm，平均壁厚7 mm。输送原油物性如表 1所示。

表 1 输送原油物性指标表

1.2  计算结果

（1）不同出站油温管道结蜡情况。分别选取高阳站出站油温58℃、55℃和52℃，管道沿线地温10℃，输量100 m3/h，结合该管段每10天进行一次清管现状，分别模拟计算管道运行5天、10天、15天的结蜡厚度。结果如图 1所示。

图 1 出站油温对管道结蜡分布影响情况

从图 1可知，原油刚出高阳站的一段管道没有蜡沉积层出现，随着输送距离延长，后半段管道蜡沉积层出现增大—减小—增大变化趋势，在运行15天、60 km快接近荆门站时，蜡沉积层厚度达到最大值，58℃油温时为8.6 mm，52℃为9.6 mm，且变化幅度越来越小。结果表明，在相同地温和输量条件下，出站油温越低蜡沉积越严重，蜡沉积速率更快，蜡沉积层厚度更大

（2）不同沿线地温管道结蜡情况。以高阳站出站油温55℃，输量100 m3/h，分别选取冬季管道沿线地温为5 ℃、10 ℃、15 ℃，模拟计算管道运行5天、10天、15天的结蜡厚度，结果如图 2所示。

图 2 沿线地温对管道结蜡分布影响情况

从图 2可知，相同出站油温和输量条件下，不同地温对管道结蜡厚度影响趋势与不同出站油温影响趋势基本一致。在运行15天、60 km快接近荆门站时，蜡沉积层厚度达到最大值，15℃地温时为6.5 mm，5℃时为9.8 mm。沿线地温越低，原油温度和周围环境温差越大，油流温降就会增大，析蜡速度越快。

2  清管周期计算

2.1  清管周期模型

（1）模型建立。含蜡原油管道输送费用（运行成本）主要由热力费用、动力费用和清管费用三部分组成，热力费用和动力费用之间存在互相制约关系。理论上，进行周期性清管的管道运行成本将在某一时刻达到最低[5]，在达到最低点时就形成最经济清管周期。目前该管段每10天清管一次，过短的清管周期使管道运行成本较高。通过模拟计算，以确定最经济清管周期。

将管道运行成本定义为：1 t原油在管道内输送1 km时所产生的动力费用、热力费用和清管费用之和。清管周期计算模型如式（2）：

式中S为管道运行成本，元/（t·km）；SA为管道动力费用，元/（t·km）；SB为管道热力费用，元/（t·km）；SC为清管费用，元/（t·km）；t为管道清管后运行天数（清管周期），t=1，2，…n。

（2）动力费用计算。一次清管之后t天内输油泵机组的输入功率为：

式中Nt为泵机组的输入功率，kW；ρ为原油密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；Q为体积流量，m3/s；H为两站之间的总水头损失，m（H2O液柱）；ηa为电机效率，%；ηb为输油泵效率，%。一次清管之后t天内输油泵机组的动力消耗：

将式（3）代入式（4）中可得出单位动力消耗计算公式：

式中χα为电力价格，元/（kW·h）；Gd为管道平均输油量，t/d；L为两站之间距离，km。

（3）热力费用计算。

式中TR为起点油温，℃；TZ为蜡层厚度为δ时的终点油温，℃；ηC为加热炉效率，%；Cb为油品比热容，kJ/(kg.℃)；χb为燃气价格，元/t；BH为燃料油热值，kJ/kg。

（4）清管费用计算。

式中χc 为清管一次所需费用，元。

2.2  应用实例

以高阳—荆门管段冬季运行为例，相关参数如下：20℃原油密度860 kg/m3，燃烧热56 000 kJ/kg；燃气价格4200元/t；加热炉效率92％；泵效率81%；电费0.85元/（kW·h）；计算得出一次清管费用6500元。

（1）考察不同出站油温清管周期。分别选取高阳站出站油温53℃和55℃，管道沿线地温10℃，输量100 m3/h，计算分析运行天数（清管周期）对管道运行成本的影响，结果如图 3所示。

图 3 不同油温清管周期对管道运行成本的影响

从图 3可知，在相同沿线地温和输量条件下，油温53℃和55℃时管道运行成本分别在运行第30天和第40天达到最低，即达到最经济清管周期。管道运行成本先降低后升高，主要是因为随着运行天数增加，蜡沉积层不断增厚，因其具有一定的保温效果，使总传热系数减小，导致热力消耗减小，热力费用随之降低，使成本降低。在达到最经济清管周期后，蜡沉积层厚度较大，管道水力损耗较大，动力费用上升，导致成本增大。

（2）考察不同沿线地温清管周期。选取高阳站出站油温53℃，输量100 m3/h，管道沿线地温分别为10℃、15℃，计算运行天数（清管周期）对管道运行成本的影响，结果如图 4所示。

图 4 不同地温清管周期对管道运行成本的影响

从图 4可知，在相同油温和输量条件下，地温10℃、15℃时管道运行成本分别在运行第30天和第60天达到最低，即达到最经济清管周期。结果表明，管道运行成本随地温增高而降低，这主要是因为管道沿程热力损失减小，热力费用降低，单位运行成本也降低，经济清管周期延长。而地温越低，管道向周围土壤的散热越快，蜡沉积速率越快，动力费用的上升速度越快，相应经济清管周期越短。

3  结语

（1）出站最初一段管道内没有蜡沉积层出现，随着输送距离延长，开始出现蜡沉积层并逐渐增厚，在接近下一站时最厚结蜡层出现，最大蜡层厚度随着沿线地温和出站油温降低而增大。

（2）实例计算表明，在考察的出站油温和地温条件下，油温降低，清管周期缩短，管道运行成本先降低后升高。地温越高，清管周期越长，管道运行成本越低。

 

参考文献：

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

[2]朱林，项振东，杨玉华.原油温度对管道结蜡的影响及其机理研究[J].油田地面工程，1991，10(2):13-15.

[3]伍鸿飞.含蜡原油固相沉积影响因素研究[D].西南石油大学，2014.

[4]盖芸.含蜡原油管道蜡沉积模型的研究[D].西南石油大学，2014.

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

作者简介：张梓凡，1998年生，助理工程师，主要从事管道管理相关工作。联系方式：13597921109，574065297@qq.com。