劉雨薇，楊 凱

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不同混合比例原油輸送過程中安全停輸時(shí)間計(jì)算

劉雨薇，楊 凱

（東北石油大學(xué)， 黑龍江 大慶 163318）

混輸管道內(nèi)原油的摻混比例不同，原油的物性及流變參數(shù)也會(huì)有所不同，管道的運(yùn)行的溫度、壓力等動(dòng)態(tài)參數(shù)也會(huì)隨之改變。對(duì)管道全年周圍土壤環(huán)境溫度進(jìn)行了計(jì)算，運(yùn)用OLGA軟件分別對(duì)埋地?zé)嵊凸艿赖耐］敽驮賳?dòng)過程進(jìn)行了模擬，針對(duì)不同混合比例以及全年不同月份，對(duì)管道的安全停輸時(shí)間進(jìn)行了計(jì)算，給出了計(jì)算結(jié)果，確保管道停輸再啟動(dòng)過程的安全平穩(wěn)運(yùn)行。

不同混合比例；停輸時(shí)間；管道停輸；再啟動(dòng)

埋地?zé)嵊凸艿涝谏a(chǎn)運(yùn)行時(shí)，難免會(huì)由于出現(xiàn)泄漏、設(shè)備故障等問題而導(dǎo)致停輸[1]。如果管道停輸?shù)臅r(shí)間過長(zhǎng)，管內(nèi)原油又在不斷地向管道周圍散熱，很可能造成凝管事故的發(fā)生[2-4]。此外停輸時(shí)間過長(zhǎng)也可能導(dǎo)致管道再啟動(dòng)壓力過高，超過管道設(shè)計(jì)承壓而使管道受損。因此,對(duì)管道停輸溫降和再啟動(dòng)壓力變化規(guī)律進(jìn)行研究，計(jì)算合理準(zhǔn)確的安全停輸時(shí)間，可有效避免管道停輸事故的發(fā)生[5,6]。

大慶油田外輸管道于2014年11月正式投產(chǎn)運(yùn)行，管道全長(zhǎng)199 km，管徑主要為φ377 mm×7.1 mm和φ377 mm×6.3 mm兩種形式,平均埋深1.5 m,全線設(shè)有熱泵首站、兩個(gè)中間加熱站以及收油計(jì)量末站。管內(nèi)所輸原油為大慶原油和俄羅斯原油按比例混合后的原油,設(shè)計(jì)輸量200~300萬t/a,設(shè)計(jì)最高壓力為6.3 MPa，實(shí)際最高運(yùn)行壓力為6.0 MPa,設(shè)計(jì)最高出站溫度75 ℃，實(shí)際運(yùn)行出站溫度為70 ℃，正常運(yùn)行出站溫度為65 ℃。由于管道沿線穿越鐵路、公路、沼澤、耕地、河流等復(fù)雜地勢(shì)，計(jì)劃?rùn)z修和泄露搶修在所難免，管道也就隨時(shí)面臨緊急停輸?shù)目赡?。本文通過對(duì)原油混輸管道安全停輸時(shí)間研究,確定不同混合比例油品輸送過程中管道全年不同月份的安全停輸時(shí)間，為現(xiàn)場(chǎng)維搶修提供理論指導(dǎo)，對(duì)于降低管道運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，確保管道安全運(yùn)行具有重要意義。

1 管道周圍土壤環(huán)境溫度計(jì)算

運(yùn)用傳熱學(xué)的相關(guān)知識(shí)，根據(jù)已知的大氣溫度來推算土壤周圍溫度隨深度和時(shí)間的變化趨勢(shì)：

式中，a為年平均氣溫；amax為日平均最高氣溫；為從日平均最高氣溫當(dāng)日開始計(jì)算的時(shí)間；a為土壤和大氣間的傳熱系數(shù)。用上式求得全年管道周圍土壤溫度如圖1所示。

圖1 管道周圍土壤環(huán)境溫度

2 OLGA軟件模擬

2.1 管道停輸溫降模擬

運(yùn)用OLGA軟件對(duì)管道停輸?shù)姆欠€(wěn)態(tài)過程進(jìn)行模擬。首先用PVTsim軟件建立不同混合比例油品的組分模型后倒入OLGA軟件中，作為管內(nèi)研究介質(zhì)。在OLGA中輸入相關(guān)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如原油物性，土壤導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容，保溫層厚度、傳熱系數(shù)、比熱以及管道管徑、粗糙度、埋深、里程、高程等。選擇兩個(gè)換熱器分別代表兩個(gè)中間加熱站，設(shè)置兩個(gè)閥門分別代表首站及計(jì)量末站。兩個(gè)閥門同時(shí)關(guān)閉，則管道進(jìn)入停輸狀態(tài)。模型如圖2所示。

圖2 OLGA軟件模擬管道停輸在氣動(dòng)模型

將管道各站的出站溫度設(shè)置為65 ℃（管道實(shí)際運(yùn)行出站溫度），先控制管道正常運(yùn)行一段時(shí)間后，同時(shí)關(guān)閉首末閥門，模擬停輸，觀察管道終點(diǎn)進(jìn)站溫度隨時(shí)間變化。以停輸后進(jìn)站溫度不低于相應(yīng)比例由品凝點(diǎn)以上3 ℃為條件，對(duì)管道停輸后終點(diǎn)溫度進(jìn)行分析研究，確定管道停輸溫度條件下的安全停輸時(shí)間。以2月份1:3（俄：慶）混合比例為例，觀察管道末點(diǎn)處的進(jìn)站溫度隨時(shí)間變化，如圖3所示，可以看到，當(dāng)停輸17.6 h后，管道終點(diǎn)溫度降到凝點(diǎn)以上3 ℃，故2月份1:3混合比例下管道停輸溫降條件下的安全停輸時(shí)間為17.6 h。

2.2 管道再啟動(dòng)壓力模擬

由于管道的中間站只對(duì)管道進(jìn)行加熱，因此在進(jìn)行OLGA再啟動(dòng)模擬時(shí)采用恒定流量的方式進(jìn)行。將管道的起始流量設(shè)定為75 kg/s，出首站的溫度設(shè)為65 ℃，進(jìn)入末站的壓力設(shè)為0.2 MPa，同時(shí)開啟首末閥門，模擬再啟動(dòng)。由于管道起點(diǎn)的壓力最高，故以管道的起點(diǎn)處的壓力不超過管道的最大承壓（6.0 MPa）為條件確定再啟動(dòng)壓力條件下管道的安全停輸時(shí)間。若再啟動(dòng)壓力高于管道最大承壓則再啟動(dòng)失敗，調(diào)整相應(yīng)的停輸時(shí)間，再進(jìn)行模擬，若在啟動(dòng)壓力剛好低于管道最大承壓，則所對(duì)應(yīng)的時(shí)間即為安全停輸時(shí)間。

圖3 2月份1:3混合比例下管道停輸后末端壓力隨時(shí)間變化

以2月份1:3（俄：慶）混合比例為例對(duì)管道在啟動(dòng)壓力進(jìn)行模擬，當(dāng)停輸為26 h后再啟動(dòng)，管道中最大壓力達(dá)到6.12 MPa；當(dāng)停輸后25 h后再啟動(dòng)，管道中最大壓力為5.93MPa,滿足管道設(shè)計(jì)運(yùn)行壓力。因此，2月份1:3（俄：慶）混合比例下管道壓力條件下的安全停輸時(shí)間為25.5 h，如圖4所示。再啟動(dòng)剛開始時(shí)管道內(nèi)頂擠原油通過泵加壓推動(dòng)管道內(nèi)流體流動(dòng)，壓力隨著時(shí)間逐漸增大，當(dāng)增大到5.93 MPa時(shí)，管道內(nèi)的膠凝原油開始屈服，壓力緩慢下降至平穩(wěn)4.5 MPa，再啟動(dòng)過程結(jié)束。

圖4 停輸25.4 h再啟動(dòng)后起點(diǎn)壓力隨時(shí)間變化

2.3 管道再啟動(dòng)后流量恢復(fù)情況模擬

觀察管道終點(diǎn)流量在啟動(dòng)后隨時(shí)間變化趨勢(shì)圖，如圖5所示。由于管道內(nèi)所輸熱油在停輸時(shí)溫度會(huì)降低，導(dǎo)致管道內(nèi)油品受冷收縮，因此壓力波在管道內(nèi)會(huì)延遲一段時(shí)間傳播到管道末端，故再啟動(dòng)1.5 h內(nèi)管道末端未見流量變化。1.5 h后管道末端流量先急劇增大，而后緩慢增大至最高點(diǎn)后，開始緩慢下降。再啟動(dòng)大約 后，管道的流量恢復(fù)平穩(wěn)為75.68 kg/s，符合生產(chǎn)要求的的最低安全啟動(dòng)輸量范圍，管道停輸再啟動(dòng)成功。

圖5 2月份1：3混合比例下再啟動(dòng)后末端流量變化

3 模擬計(jì)算結(jié)果

按照上述建立的模型及方法分別對(duì)管道全年不同混合比例溫降條件下和再啟動(dòng)壓力條件下的安全停輸時(shí)間進(jìn)行計(jì)算。綜合考慮以上兩種條件下的計(jì)算結(jié)果，最終確定管道全年不同混合比例下的安全停輸時(shí)間，如表1所示。

表1 全年不同混合比例下管道安全停輸時(shí)間

續(xù)表

月份1:21: 3 927.926.0 1026.825.0 1124.422.3 1222.820.7

對(duì)比計(jì)算結(jié)果可以看出2月份管道安全停輸時(shí)間最短，其中1:2（俄：慶，下同）混合比例下安全停輸時(shí)間為19.4 h，1:3比例下為17.6 h；8月份安全停輸時(shí)間最長(zhǎng)，其中1:2混合比例下的安全停輸時(shí)間為29.0 h，1:3比例下為27.2 h。同月份中按1:2比例混合輸送的原油管道要比1:3的安全停輸時(shí)間更長(zhǎng)一些。

4 結(jié)論

（1）以管道的停輸溫度不低于凝點(diǎn)以上3 ℃、再啟動(dòng)壓力不超過管道設(shè)計(jì)最大運(yùn)行壓力6.0 MPa為約束條件，利用OLGA軟件對(duì)管道停輸在啟動(dòng)進(jìn)行了模擬，建立了管道安全停輸時(shí)間的計(jì)算方法。

（2）在綜合考慮管道停輸溫降以及再啟動(dòng)壓力對(duì)管道安全停輸時(shí)間的影響的基礎(chǔ)上，模擬計(jì)算出了不同混合比例下管道全年的安全停輸時(shí)間，得出2月份管道安全停輸時(shí)間最短，8月份最長(zhǎng)，以及輸送1:2混合比例原油管道的安全停輸時(shí)間要比1:3時(shí)長(zhǎng)，為管道的安全運(yùn)行提供技術(shù)指導(dǎo)。

［1］ 段世文．熱油管道凝管風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與安全停輸時(shí)間研究[D]. 中國(guó)石油大學(xué)，2009．

［2］ 齊晗兵，段錫鈞．海底輸油管道安全停輸實(shí)驗(yàn)[J]. 油氣田地面工程，2007，06：18.

［3］ 羅丹，汪敏，肖金華，吳玉國(guó). 埋地?zé)嵊凸艿腊踩］敃r(shí)間計(jì)算方法及其影響因素[J]．當(dāng)代化工，2014，10：2137-2139+2142．

［4］ 林名楨．含蠟原油輸送管道再啟動(dòng)模型的研究[D]. 中國(guó)石油大學(xué)，2007.

［5］ 許丹，申龍涉，杜明俊，陳忠華．埋地?zé)嵊凸艿劳］斎S非穩(wěn)態(tài)傳熱過程的數(shù)值模擬[J]．遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，04：47-50+87．

［6］ 劉揚(yáng)，袁亮，魏立新. 慶哈埋地管道安全停輸時(shí)間模擬[J]. 油氣儲(chǔ)運(yùn)，2009，04：16-18+84．

Calculation of Safe Shutdown Time in Transportation of Crude Oil With Different Mixing Proportion

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（NorthEast Petroleum University, HeilongjiangDaqing163318，China）

If mixing proportion of crude oil in the pipeline is different, the physical properties and rheological parameters of crude oil will be different, the pipeline operation temperature, pressure and other dynamic parameters will be changed. In this paper, annual soil temperature around the pipeline was calculated, shutdown process and restart process of buried hot oil pipeline were respectively simulated by Olga software, aiming at different mixing ratios and different months, the safe shutdown time of the pipeline was calculated. The calculation results were obtained to ensure safe and stable operation of pipeline shutdown and restart processes.

different mixing ratio; shutdown time; pipeline shutdown; restart

TE 832

A

1671-0460（2016）07-1602-03

2016-06-04

劉雨薇（1991-），女，黑龍江省大慶市人，在讀碩士研究生，研究方向：石油與天然氣工程。E-mail：782343312@qq.com。