劉名瑞,王曉霖,王海波,于 陽,王 剛
(1.中國(guó)石化大連(撫順)石油化工研究院,遼寧 大連 116045;2.中國(guó)石化燃料油銷售有限公司遼寧分公司)
重質(zhì)船用燃料油是用于大型中低速船用柴油機(jī)的燃料,也稱為殘?jiān)腿剂嫌?,通常是直餾渣油、減壓渣油和一定比例的輕組分混合而成[1-2]。這種調(diào)合燃料油的產(chǎn)品性質(zhì)主要取決于調(diào)合方案,因此,計(jì)算調(diào)合方案時(shí)對(duì)調(diào)合產(chǎn)品的指標(biāo)預(yù)測(cè)就顯得尤為重要。黏度作為重質(zhì)船用燃料油的首要指標(biāo),若采用線性模型進(jìn)行預(yù)測(cè),誤差較大,嚴(yán)重影響調(diào)合生產(chǎn)。因此,對(duì)重質(zhì)船用燃料油黏度預(yù)測(cè)模型的研究與應(yīng)用至關(guān)重要。
在原油指標(biāo)預(yù)測(cè)方面可借鑒的經(jīng)驗(yàn)式很多[3-5],但由于燃料油調(diào)合組分的性質(zhì)差異而并不適用。常用的燃料油調(diào)合組分油有渣油、頁(yè)巖油、煤柴、油漿等,這些組分油的黏度跨度很大,從幾十mm2/s到幾萬mm2/s。其中,煤柴是指中、低溫煤焦油通過分餾裝置提煉而出的二次煉油產(chǎn)物。若調(diào)合方案中組分油之間的黏度差異較大,黏度大的組分所占比例每增加1%,調(diào)合產(chǎn)品的黏度就會(huì)上浮10%~20%,很容易造成產(chǎn)品超過國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求而不合格。相反,若減少黏度大的組分油,又容易出現(xiàn)黏度過低而不適合船用發(fā)動(dòng)機(jī)使用的情況。因此,對(duì)調(diào)合產(chǎn)品的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行精確預(yù)測(cè),優(yōu)化調(diào)合比例,可有效降低產(chǎn)品不合格風(fēng)險(xiǎn),避免資源浪費(fèi),同時(shí)提高生產(chǎn)效率。有些性質(zhì)指標(biāo)如黏度、閃點(diǎn)、凝點(diǎn)等,其計(jì)算式屬于非線性關(guān)系,計(jì)算過程較復(fù)雜,需選用特定的物理模型公式計(jì)算[6]。另外,除了通過一般物理模型進(jìn)行預(yù)測(cè)外,還可以通過具有一定邏輯公式的計(jì)算模型進(jìn)行預(yù)測(cè),如蛛網(wǎng)模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、最小二乘支持向量機(jī)模型等[7-9]。這類模型需要通過建模來實(shí)現(xiàn),且具有更高的精確度[10],但是操作難度相對(duì)較大。
本課題主要研究現(xiàn)有黏度預(yù)測(cè)模型應(yīng)用于重質(zhì)船用燃料油黏度預(yù)測(cè)的可行性,篩選幾種常見的黏度物理模型,進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比和最優(yōu)模型選取,基于重質(zhì)船用燃料油數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)Cragoe模型進(jìn)行修正,并結(jié)合摻稀降黏試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析混合機(jī)制對(duì)預(yù)測(cè)模型相對(duì)誤差的影響。
黏度是重質(zhì)船用燃料油中最為重要的性質(zhì)指標(biāo),是劃分油品牌號(hào)的依據(jù),因此,對(duì)適用于重質(zhì)船用燃料油的黏度模型進(jìn)行研究,有利于指導(dǎo)調(diào)合生產(chǎn)?,F(xiàn)有的物理預(yù)測(cè)模型常用于原油調(diào)合,對(duì)具有高黏度比的混合原油的黏度預(yù)測(cè)大多是基于區(qū)域性稠油數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)式[11],這些經(jīng)驗(yàn)式只對(duì)特定區(qū)域特定組分的稠油才有很高的預(yù)測(cè)精度,能否被應(yīng)用于重質(zhì)船用燃料油的黏度預(yù)測(cè)值得研究。
Arrhenius黏度模型[式(1)]是國(guó)際通用的黏度調(diào)合計(jì)算模型,被推薦用于計(jì)算混合原油的黏度[12]。該模型是建立在高黏度比的基礎(chǔ)上,在計(jì)算稠油和輕質(zhì)油混合黏度方面表現(xiàn)較好[13]。
(1)
該模型的缺點(diǎn)是對(duì)低黏度比或混合油中含有過多瀝青質(zhì)沉淀體系的計(jì)算精度不高[14]。重質(zhì)船用燃料油的調(diào)合體系中,調(diào)合組分一般在3種或3種以上,且有2種或2種以上的組分黏度較為接近。另外,重質(zhì)船用燃料油的殘?jiān)驼{(diào)合組分油,往往有某些組分的瀝青質(zhì)含量相對(duì)較高,如渣油、煤柴等,在計(jì)算過程中會(huì)導(dǎo)致偏差較大。因此,該模型在重質(zhì)船用燃料油的黏度預(yù)測(cè)上存在一定的局限性。
雙對(duì)數(shù)模型[式(2)]是美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)局的黏度調(diào)合計(jì)算模型[15],廣泛應(yīng)用于混合油品的調(diào)合,在目前的重質(zhì)船用燃料油的實(shí)際調(diào)合生產(chǎn)中,該模型應(yīng)用最多。但該模型不適用于計(jì)算非牛頓流體混合油的黏度,以及組分油黏度指數(shù)差距較大的混合油黏度。另外,有研究[16]表明,其計(jì)算黏度會(huì)隨低黏度原油比例的變化而改變。
(2)
在重質(zhì)船用燃料油黏度的預(yù)測(cè)計(jì)算中,經(jīng)常使用雙對(duì)數(shù)模型的變型式[式(3)]計(jì)算黏度系數(shù)υi,50。
υi,50=19.20+33.5lglg(μi,50+0.85)
(3)
假設(shè)組分油的黏度系數(shù)是呈線性關(guān)系,則混合油品的黏度系數(shù)計(jì)算式如式(4)所示。
(4)
可以利用υm,50和式(3)反推出50 ℃時(shí)的混合油運(yùn)動(dòng)黏度μm,50。
雖然該模型在重質(zhì)船用油的調(diào)合生產(chǎn)中應(yīng)用較多,但是一般是忽略了組分油中的非牛頓流體,因此計(jì)算中存在一定的誤差。但對(duì)于黏度差距較大的重質(zhì)船用燃料油的調(diào)合組分來說,該模型的預(yù)測(cè)能力具有一定的參考價(jià)值。
Cragoe黏度模型[式(5)~式(8)]提出了一種表征流體流動(dòng)性能的流函數(shù)概念,并在試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上認(rèn)為流函數(shù)L是具有加和性的[17]。Cragoe黏度模型不僅適用于低黏度混合油,還適用于稠油與稀油黏度比值大于1×103的系統(tǒng)[12]。因此對(duì)于稠油摻稀后的黏度可用該模型計(jì)算。
(5)
(6)
(7)
(8)
重質(zhì)船用燃料油與原油調(diào)合最根本的區(qū)別在于組分油含有黏度較大的劣質(zhì)油,這使得很多黏度模型用于重質(zhì)船用燃料油的黏度預(yù)測(cè)時(shí)準(zhǔn)確性差。而Cragoe黏度模型區(qū)別于其他物理模型的優(yōu)點(diǎn)是它適用于各種黏度比的體系[18],但是否對(duì)多組分的殘?jiān)椭刭|(zhì)船用燃料油調(diào)合適用仍待進(jìn)一步考察。
Bingham黏度模型[式(9)]是將黏度的概念與電阻概念類比,結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)黏度的倒數(shù)是有加和性的,于是提出了以倒數(shù)混合規(guī)則為基礎(chǔ)的黏度預(yù)測(cè)模型[19]。
(9)
Bingham黏度模型的研究目前還比較少見,該模型對(duì)多組分油品調(diào)合的適配性仍需要大量的試驗(yàn)來考察。作為一種對(duì)非牛頓流體黏度的預(yù)測(cè)模型,可通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比來進(jìn)一步討論其在重質(zhì)船用燃料油調(diào)合中應(yīng)用的可能性。
選用常用的重質(zhì)船用燃料油調(diào)合組分(水上油、頁(yè)巖油、煤柴、渣油和油漿)進(jìn)行調(diào)合試驗(yàn),分別測(cè)量各組分油在50 ℃時(shí)的運(yùn)動(dòng)黏度等基本性質(zhì)。重質(zhì)船用燃料油的7種常用調(diào)合組分油的基本性質(zhì)見表1。采用逆流黏度法測(cè)量混合黏度,同時(shí)應(yīng)用上述各模型進(jìn)行黏度預(yù)測(cè)值的計(jì)算,并對(duì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。
表1 重質(zhì)船用燃料油的7種常用調(diào)合組分油的基本性質(zhì)
采用相對(duì)誤差對(duì)模型的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確性評(píng)價(jià)。相對(duì)誤差(R)指試驗(yàn)測(cè)量值(μexp)與預(yù)測(cè)計(jì)算值(μcal)之差的絕對(duì)值相對(duì)于試驗(yàn)測(cè)量值的比例,其計(jì)算式如下:
(10)
由于渣油的黏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他幾個(gè)組分油的黏度,故選用3種渣油作為大黏度組分油,選用水上油、頁(yè)巖油和煤柴作為稀組分油(簡(jiǎn)稱稀油),進(jìn)行了12組調(diào)合試驗(yàn)(所得混合油樣品分別記作1號(hào)~12號(hào)),所采用的調(diào)合比例如表2所示。試驗(yàn)考察采用相同比例的渣油進(jìn)行調(diào)合時(shí)各模型對(duì)黏度預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性,渣油比例增加時(shí)對(duì)預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性的影響以及不含大黏度渣油時(shí)模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。
表2 調(diào)合比例
分別采用Arrhenius黏度模型、雙對(duì)數(shù)黏度模型、Cragoe黏度模型以及Bingham黏度模型對(duì)1號(hào)~12號(hào)混合油樣品的黏度進(jìn)行預(yù)測(cè),并與實(shí)測(cè)黏度進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如表3所示,模型預(yù)測(cè)的相對(duì)誤差如圖1所示。
表3 實(shí)測(cè)黏度與模型預(yù)測(cè)黏度的對(duì)比
圖1 4種模型預(yù)測(cè)的相對(duì)誤差■—Arrhenius模型; ●—雙對(duì)數(shù)模型; ▲—Cragoe模型; 模型
由表2和表3可以看出,使用黏度達(dá)到104數(shù)量級(jí)的渣油進(jìn)行調(diào)合時(shí),增加2百分點(diǎn)的渣油使得調(diào)合油的黏度增加50~90 mm2/s,這對(duì)物理模型的適用能力是很大的考驗(yàn)。
從圖1可以看出:Cragoe模型的預(yù)測(cè)結(jié)果最優(yōu),相對(duì)誤差較小,為5.1%~35.0%,相比其他模型,Cragoe模型更適用于這種具有大黏度比的調(diào)合體系;雙對(duì)數(shù)模型的預(yù)測(cè)趨勢(shì)和Cragoe模型大體一致,但相對(duì)誤差略高一些,為14.3%~43.9%;而Arrhenius模型和Bingham模型的預(yù)測(cè)相對(duì)誤差都很大,均在60%以上,說明這兩種模型不適用于具有高黏度劣質(zhì)組分的重質(zhì)船用燃料油調(diào)合指標(biāo)預(yù)測(cè)。Cragoe模型和雙對(duì)數(shù)模型的相對(duì)誤差變化趨勢(shì)接近,這是因?yàn)閮煞N模型均采用了將組分油黏度進(jìn)行對(duì)數(shù)變換,利用對(duì)數(shù)的形式進(jìn)行擬合形成一個(gè)黏度的相關(guān)系數(shù),該系數(shù)呈線性加和關(guān)系,利用相關(guān)系數(shù)線性加和得到混合黏度系數(shù),從而反推混合黏度。兩個(gè)模型從建模原理上是相近的,因此對(duì)于預(yù)測(cè)的相對(duì)誤差變化趨勢(shì)也較為接近。從總體相對(duì)誤差小的角度來說,在重質(zhì)船用燃料油的調(diào)合中,計(jì)算黏度的物理模型優(yōu)選Cragoe模型。
選取最優(yōu)模型Cragoe進(jìn)行修正優(yōu)化以進(jìn)一步降低預(yù)測(cè)的相對(duì)誤差。目前文獻(xiàn)中對(duì)Cragoe模型的修正方法均引入了質(zhì)量比或體積比為1∶1時(shí)的混合油黏度μjk,修正后的模型如式(11)~式(15)所示[20]。
這種方法增加了試驗(yàn)量,對(duì)于重質(zhì)船用油生產(chǎn)企業(yè)來說無疑增加了油品生產(chǎn)周期,應(yīng)用較難。針對(duì)新疆某混合原油,研究人員根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了Cjk與2種組分原油黏度函數(shù)間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系,引入Cjk得到修正模型Ⅱ,其中Cjk按式(16)計(jì)算[18]。
Cjk=0.030 2(Lj+Lk)-16.240 4
(16)
(17)
(18)
(19)
(20)
利用重質(zhì)船用燃料油調(diào)合數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)的28組調(diào)合數(shù)據(jù)對(duì)Cragoe修正模型Ⅲ進(jìn)行校驗(yàn),結(jié)果發(fā)現(xiàn)對(duì)于一般重質(zhì)船用燃料油的調(diào)合體系,預(yù)測(cè)黏度的相對(duì)誤差范圍為0.01%~26.5%;當(dāng)樣品黏度過低或黏度不超過10 mm2/s時(shí),相對(duì)誤差變大,說明針對(duì)重質(zhì)船用燃料油的黏度范圍,該模型具有很好的預(yù)測(cè)效果。
選用重質(zhì)船用燃料油調(diào)合數(shù)據(jù)庫(kù)外的4個(gè)調(diào)合方案,使用Cragoe模型系列(Cragoe模型、Cragoe修正模型 Ⅱ 和Cragoe修正模型Ⅲ)進(jìn)行黏度預(yù)測(cè)和誤差分析,其中,調(diào)合組分新增加氫油漿(50 ℃黏度為245.50 mm2/s)、切割渣油(50 ℃黏度為299.80 mm2/s)以及更低黏度的C9(50 ℃黏度為2.78 mm2/s)和C10(50 ℃黏度為1.82 mm2/s)組分,所得混合油樣品分別記作13號(hào)~16號(hào),具體調(diào)合方案如表4所示,預(yù)測(cè)結(jié)果如表5所示,預(yù)測(cè)的相對(duì)誤差如圖2所示。
從圖2可以看出,Cragoe修正模型Ⅲ具有較低且穩(wěn)定的相對(duì)誤差,相比Cragoe模型和Cragoe修正模型Ⅱ?qū)τ诙嘟M分大差異油品的混合黏度預(yù)測(cè)具有更好的準(zhǔn)確度。但Cragoe修正模型Ⅲ在黏度過低的情況下,相對(duì)誤差會(huì)略有升高,在實(shí)際黏度(50 ℃)達(dá)到30 mm2/s附近,相對(duì)誤差比Cragoe模型要高。這主要是由于該模型的擬合優(yōu)化主要基于重質(zhì)船用燃料油數(shù)據(jù)庫(kù),重質(zhì)船用燃料油數(shù)據(jù)庫(kù)的黏度(50 ℃)范圍一般在70 mm2/s以上,因此混合黏度過低時(shí),模型的預(yù)測(cè)誤差偏大,黏度(50 ℃)在70 mm2/s以上時(shí)具有較高的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性。
表4 Cragoe模型系列驗(yàn)證方案的調(diào)合比例
表5 Cragoe模型系列驗(yàn)證方案的實(shí)測(cè)黏度與預(yù)測(cè)黏度對(duì)比
圖2 3個(gè)模型的相對(duì)誤差■—Cragoe模型; ■—Cragoe修正模型Ⅱ; ■—Cragoe修正模型Ⅲ
值得注意的是,對(duì)比1號(hào)和2號(hào)、4號(hào)和6號(hào)樣品發(fā)現(xiàn),黏度大的組分油比例不變時(shí),低黏度組分油比例增加會(huì)引起相對(duì)誤差變大,這是因?yàn)樵谖锢砟P偷挠?jì)算中,低黏度組分的比例變大勢(shì)必引起計(jì)算黏度值的減小。而實(shí)際調(diào)合過程中,頁(yè)巖油和煤柴的比例雖均有增加,但是考慮體系中摻稀降黏會(huì)產(chǎn)生一定的絡(luò)合效應(yīng)[20],黏度沒有呈下降趨勢(shì),反而因煤柴比例的增加使得混合黏度略有增大,因此導(dǎo)致了物理模型預(yù)測(cè)誤差變大的現(xiàn)象。12號(hào)樣本中使用油漿取代渣油后,使得體系最大黏度比的數(shù)量級(jí)從104縮小到102,相對(duì)誤差大幅減小至5.1%。說明調(diào)合組分的黏度越接近,在調(diào)合時(shí)由黏度差產(chǎn)生的預(yù)測(cè)誤差就會(huì)越小,使得模型的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性越高。另外,同12號(hào)樣品相似的6號(hào)~9號(hào)和11號(hào)調(diào)合樣品中,同時(shí)使用了渣油和油漿,模型的計(jì)算誤差都有所降低。這是因?yàn)樵陴ざ阮A(yù)測(cè)模型的計(jì)算中,組分油黏度的分布范圍從10~1×102到1×102~1×104形成了一個(gè)梯度式混合,而非10~1×104的斷崖式混合,亦即變相減小了體系的黏度比。但其中11號(hào)樣品不同于其他樣品,其屬于低黏度樣品,混合配比中稀油組分占主體地位,在模型預(yù)測(cè)時(shí),稀油黏度過小導(dǎo)致混合黏度對(duì)其比例增大的影響不敏感,因此計(jì)算結(jié)果會(huì)偏大。
根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果可以看出,決定模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性的因素主要是大黏度渣油在調(diào)合中對(duì)黏度的影響,因此,分別采用渣油1、渣油2、渣油3與稀油進(jìn)行兩兩調(diào)合,測(cè)量調(diào)合油品在50 ℃時(shí)的逆流黏度,建立大黏度渣油與稀油的稀釋黏度關(guān)系,分析渣油摻稀后黏度下降的趨勢(shì)及原因。圖3所示為3種渣油分別與煤柴、水上油、頁(yè)巖油這3種稀油在不同摻稀比下調(diào)合時(shí)混合油黏度與摻稀比的關(guān)系曲線,其中摻稀比為稀油與渣油的質(zhì)量比。
從圖3可以看出,煤柴在與渣油的摻稀比小于0.3的時(shí)候,渣油的降黏速率很小,當(dāng)摻稀比超過0.3后,渣油的黏度會(huì)出現(xiàn)急劇下降,摻稀比超過0.4后,降黏速率趨于穩(wěn)定;而頁(yè)巖油和水上油添加后,渣油的黏度迅速降低,當(dāng)摻稀比達(dá)到0.4后,渣油黏度基本穩(wěn)定下降。由油品的組成可以看出,渣油與煤柴的瀝青質(zhì)較多,煤柴的加入會(huì)使?jié)撛诘臑r青質(zhì)發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)[21],使黏度的下降趨勢(shì)不如頁(yè)巖油和水上油明顯,因此在渣油比例不變,煤柴的比例增加后,勢(shì)必使得頁(yè)巖油或水上油的比例減少,渣油的稀釋效果不明顯,而使黏度出現(xiàn)了增加;另一方面,對(duì)于11號(hào)樣品這樣的稀油體系,在實(shí)際混合中,由于稀油對(duì)稠油的摻稀比例已經(jīng)增加到很大,因此實(shí)際黏度會(huì)迅速降低,這與上述混合試驗(yàn)的結(jié)果吻合。
圖3 3種渣油分別與3種稀油調(diào)合時(shí)混合油黏度與摻稀比的關(guān)系■—煤柴; 頁(yè)巖油; ●—水上油
從模型的對(duì)比結(jié)果來看,物理模型計(jì)算一般均具有一定的局限性,對(duì)于重質(zhì)船用燃料油的黏度預(yù)測(cè)來說,由于船用燃料油組分油的物理性質(zhì)特殊性以及可能存在較大的黏度比,Cragoe黏度模型表現(xiàn)出了很好的適應(yīng)能力以及相對(duì)較高的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度。提出針對(duì)重質(zhì)船用燃料油調(diào)合的黏度預(yù)測(cè)模型——Cragoe修正模型Ⅲ,該模型基于重質(zhì)船用燃料油數(shù)據(jù)庫(kù)擬合參數(shù),預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度得到了提高,尤其黏度(50 ℃)在70 mm2/s以上時(shí),預(yù)測(cè)的相對(duì)誤差較小。分析組分油對(duì)黏度模型的影響機(jī)制可以看出,渣油黏度的數(shù)量級(jí)影響模型的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性,組分油之間的黏度越接近其誤差越小。同時(shí),在大黏度渣油中加入稀油來降低黏度時(shí),兩者之間可能存在瀝青質(zhì)的絡(luò)合效應(yīng),使得混合黏度在一定范圍內(nèi)的下降趨勢(shì)不明顯。
符號(hào)說明
Cjk——Cragoe修正模型Ⅱ的修正常數(shù);
Lm——混合油品的流函數(shù)值;
Li——組分i的流函數(shù)值;
Lj——組分j的流函數(shù)值;
Lk——組分k的流函數(shù)值;
Ljk——組分j和組分k按照1∶1混合時(shí)的流函數(shù)值;
mi——組分i在調(diào)合油中的質(zhì)量分?jǐn)?shù),%;
mj——組分j和組分k按照1∶1混合時(shí)組分j的質(zhì)量分?jǐn)?shù),%;
mk——組分j和組分k按照1∶1混合時(shí)組分k的質(zhì)量分?jǐn)?shù),%;
n——組分油個(gè)數(shù);
R——相對(duì)誤差,%;
μm——混合油品在某溫度下的運(yùn)動(dòng)黏度,mm2/s;
μi——組分i在同溫度下的運(yùn)動(dòng)黏度,mm2/s;
μi,50——組分i在50 ℃下的運(yùn)動(dòng)黏度,mm2/s;
μjk——組分j和組分k在同溫度下按照1∶1混合時(shí)的運(yùn)動(dòng)黏度,mm2/s;
μexp——試驗(yàn)測(cè)量運(yùn)動(dòng)黏度,mm2/s;
μcal——預(yù)測(cè)計(jì)算運(yùn)動(dòng)黏度,mm2/s;
υm,50——混合油品在50 ℃下的黏度系數(shù);
υi,50——組分i在50 ℃下的黏度系數(shù);
φi——組分i在調(diào)合油中的體積分?jǐn)?shù),%。