武信成品油管道增設(shè)孝感混油罐分析研究

李鑫偉 韋克斌

〔中國石化銷售有限公司華中分公司 湖北武漢 430023〕

1 管道概況

中國石化武漢—信陽成品油管道采用常溫、密閉、順序輸送工藝，輸送介質(zhì)包括0號(hào)車用柴油、92號(hào)組分汽油和95號(hào)組分汽油。管道起點(diǎn)為湖北武漢油庫，終點(diǎn)為河南信陽油庫。武信成品油管道設(shè)計(jì)輸量225×104t/a，全長235.4 km，管徑Φ323.9×6.4(7.9)mm，設(shè)計(jì)壓力為9.5 MPa。沿線設(shè)孝感和廣水兩個(gè)分輸下載站。全線只有信陽末站設(shè)有混油下載及回?fù)皆O(shè)施，為300 m3的富柴罐和富汽罐各1座及2臺(tái)Q額=10 m3/h的回?fù)奖?。管道具體參數(shù)見表1。

表1 武信管道站場(chǎng)設(shè)置情況

2 問題描述

武信管道自2013年投入運(yùn)行以來，連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，在2013年11月份實(shí)現(xiàn)了0號(hào)普通柴油與0號(hào)車用柴油順序輸送，現(xiàn)武信管道進(jìn)行92號(hào)組分汽油、95號(hào)組分汽油與0號(hào)車用柴油的順序輸送。由于武信管道全線只在末站信陽油庫設(shè)立了混油接收和回?fù)教幚硌b置，全線混油壓力均集中在信陽末站，導(dǎo)致信陽站無法實(shí)現(xiàn)混油全回?fù)剑柰ㄟ^混油回拖才能保證正常輸油。

基于上述問題，現(xiàn)計(jì)劃在孝感站增設(shè)混油罐和混油回?fù)窖b置，通過孝感混油分輸減少信陽混油壓力，實(shí)現(xiàn)孝感站和信陽站混油全回?fù)健?/p>

3 理論分析

3.1 順序輸送混油產(chǎn)生的因素

兩種油品在管內(nèi)交替時(shí)，產(chǎn)生混油的因素主要有三個(gè)：一是管道橫截面沿徑向流速分布不均勻，使后行油品呈楔形進(jìn)入前行的油品中，產(chǎn)生混油；二是管內(nèi)流體沿管道徑向、軸向造成的紊流擴(kuò)散作用，紊流擴(kuò)散過程破壞了楔形油頭的分布，使兩種油品混合，在一定程度上使混油段油品沿管子截面趨于均勻分布；三是混油段內(nèi)不同油品間接的分子擴(kuò)散，也促使沿管子截面混油趨于均勻分布。對(duì)于紊流強(qiáng)度不大或?qū)恿髁鲃?dòng)的管內(nèi)流體，橫截面上油品的混合過程主要是分子擴(kuò)散的作用。

3.2 混油形成的過程

混油形成過程可由圖1說明：如果管道從輸送A油轉(zhuǎn)為輸送B油的時(shí)刻為t0，在此瞬間，兩種油品的初始接觸面O的左右兩側(cè)分別是純油B和純油A，接觸面上的油品體積濃度為KA=KB=0.5，如圖1中(a)所示。經(jīng)過一段時(shí)間t=t2-t1，到時(shí)刻t1，油品A、B通過起始接觸面相互滲透，在起始接觸面兩側(cè)分別形成一段長為La1、Lb1的混油段，如圖1中(b)、(c)所示在混油段內(nèi)自右向左A油濃度逐漸減小,B油濃度逐漸增大，在任意截面都有KA+KB=1，初始接觸面處仍然為KA=KB=0.5。到時(shí)刻t2，起始接觸面兩側(cè)混油段分別加長，如圖1中(d)、(e)所示，混油段內(nèi)油品濃度變化趨于平緩?？梢钥闯觯?dāng)管內(nèi)流速一定時(shí)，在某一時(shí)刻t，混油段內(nèi)任一截面上的油品濃度與該截面距起始接觸面的距離x及第二種油品的輸送時(shí)間t-t0有關(guān)，如設(shè)t0=0，則有KA=f1(x,t)，KB=f2(x,t)，且KA+KB=1。

圖1 混油過程示意圖

3.3 混油長度計(jì)算

3.2.1 混油長度理論計(jì)算公式

在管道中順序輸送汽柴油時(shí)，因油品的粘度、管徑、流速、管道長度不同，混油長度亦不同，混油長度可以用理論公式(1)計(jì)算：

(1)

式中C——混油長度，m；

Z——混油濃度系數(shù)；

L——管道長度，m；

V——平均流速，m/s；

DT——紊流擴(kuò)散系數(shù)。

式(1)為由擴(kuò)散理論推導(dǎo)的任意對(duì)稱濃度范圍內(nèi)混油長度計(jì)算公式，其中，紊流擴(kuò)散系數(shù)DT的計(jì)算方法如雅博隆斯基—系茲基洛夫公式(2)：

(2)

式中：νpj——兩種交替油品運(yùn)動(dòng)粘度的算數(shù)平均值，m2/s；

Repj——按νpj和管內(nèi)平均流速計(jì)算的雷諾數(shù)。

應(yīng)用式(1)計(jì)算混油量時(shí)，要引入修正系數(shù)α。將式(2)代入式(1)得到：

(3)

式中：d——管道內(nèi)徑，m。

3.2.2變流速下混油長度計(jì)算

武信管道全線管徑相同，但在順序輸送時(shí)存在變流速情況，不同流速時(shí)管道混油長度也不同，因此需對(duì)變流速情況下混油的長度計(jì)算進(jìn)行分析。

假設(shè)一條成品油管道長度為L，管徑為d，在距離起點(diǎn)L1位置處有一個(gè)分輸點(diǎn)，分輸點(diǎn)前流速為V1，雷諾數(shù)為Re1；分輸點(diǎn)后流速為V2，雷諾數(shù)為Re2；混油經(jīng)過距離L1的輸送，形成混油長度C1。根據(jù)公式(3)得：

(4)

經(jīng)過分輸點(diǎn)后，管道流態(tài)發(fā)生變化，雷諾數(shù)變?yōu)镽e2，混油擴(kuò)散速度發(fā)生變化，新增混油若按下式(5)計(jì)算：

(5)

由于初始混油生成速度較快，按式(5)計(jì)算混油量較大。但管道流態(tài)發(fā)生變化，雷諾數(shù)變?yōu)镽e2時(shí)已經(jīng)生成一定長度的初始混油，對(duì)混油增長速度有一定的影響，按式(5)計(jì)算混油量，其結(jié)果遠(yuǎn)大于實(shí)際生成的量。若最終混油長度按式(6)計(jì)算：

(6)

則在管輸距離L1之前，混油長度是按雷諾數(shù)Re2計(jì)算，與實(shí)際不符。因此，如何較準(zhǔn)確地計(jì)算出管道分輸后混油長度的變化，需引入當(dāng)量長度的概念，即混油頭經(jīng)過距離L1的輸送，雷諾數(shù)為Re1，形成混油長度C1；當(dāng)流態(tài)發(fā)生變化，雷諾數(shù)變?yōu)镽e2時(shí)，根據(jù)混油長度C1推算出，在雷諾數(shù)為Re2時(shí)形成C1長度混油的管道當(dāng)量長度L′：

(7)

最終混油長度為：

(8)

3.4 孝感分輸混油長度計(jì)算

武信管道順序輸送混油界面為92號(hào)汽油和0號(hào)車柴，其中92號(hào)汽油的運(yùn)動(dòng)粘度為0.6 mm2/s，0號(hào)車柴的運(yùn)動(dòng)粘度為4.5 mm2/s。體積濃度范圍取5%～95%，其中武漢至孝感段流量為360 m3/h，孝感至信陽段流量為220 m3/h，管道具體參數(shù)見表1。現(xiàn)用式(3)和式(8)對(duì)每個(gè)混油界面中孝感分輸混油后孝感混油量、信陽混油量及全線總混油量進(jìn)行計(jì)算分析，具體結(jié)果詳見表2、表3和圖2所示。

表2 孝感不同比例混油分輸后孝感、信陽及總混油下載量 m3

表3 實(shí)際管輸中孝感混油過站量和信陽混油下載量

圖2 孝感不同比例分輸后混油變化圖

由表2、表3和圖2可知，隨著孝感分輸混油比例的增大，信陽混油下載量減少幅度逐漸降低，而要兩個(gè)站場(chǎng)下載的總混油量持續(xù)上升。但孝感在最大比例分輸混油后可使得信陽混油下載量由原來的57 m3降至47 m3左右，每個(gè)界面少下降10 m3左右，每個(gè)月輸送一個(gè)批次，每個(gè)批次兩個(gè)混油界面，則全年可少將近240 m3左右的混油，對(duì)于混油回?fù)嚼щy的信陽站有極大的幫助，下面具體分析混油回?fù)角闆r。

4 混油回?fù)接?jì)算

混油罐的混油消化主要靠混油的回?fù)教幚?，因此混油的切割依?jù)應(yīng)以混油的回?fù)角闆r為主，確保進(jìn)混油罐的混油能夠全部被回?fù)教幚聿拍苁够煊筒环e壓，不影響管道連續(xù)穩(wěn)定輸送。

混油回?fù)绞紫刃枰?jì)算好純油的摻混量，其次計(jì)算混油回?fù)搅浚缓筮M(jìn)行回?fù)健?/p>

4.1 純油回?fù)搅康挠?jì)算

(1)純汽油中回?fù)饺爰儾裼?，允許回?fù)讲裼偷淖罡唧w積濃度計(jì)算依式(9)：

(9)

式中：KD——柴油混入汽油中，柴油允許的體積濃度，%；

ta——有一定質(zhì)量潛力汽油的實(shí)際終餾點(diǎn)，℃；

[ta]——國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定汽油的允許最高終餾點(diǎn)，℃。

(2)純柴油中回?fù)饺爰兤?，允許回?fù)狡偷淖罡唧w積濃度計(jì)算依式(10)：

(10)

式中：KG——汽油混入柴油中，汽油允許的體積濃度，%；

tb——有一定質(zhì)量潛力柴油的實(shí)際閃點(diǎn)，℃；

[tb]——國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定柴油的允許最低閃點(diǎn)，℃。

4.2 混油濃度的計(jì)算

由于油品的密度具有體積可加和性，對(duì)于汽柴混油來說，只要測(cè)定純油和混油的密度，就可以按照公式計(jì)算出混油中汽油、柴油的濃度。

(11)

(12)

式中：XG——汽油的體積濃度，%；

XD——柴油的體積濃度，%；

ρH——混油的標(biāo)準(zhǔn)密度，kg/m3；

ΡG——汽油的標(biāo)準(zhǔn)密度，kg/m3；

ρD——柴油的標(biāo)準(zhǔn)密度，kg/m3。

4.3 混油回?fù)搅康挠?jì)算

(1)混油回?fù)桨俜至坑?jì)算：

純柴油中摻入富柴油的百分量=KG÷XG

(13)

純汽油中摻入富汽油的百分量=KD÷XD

(14)

(2)混油回?fù)搅康挠?jì)算：

富柴油的回?fù)搅?m3)=柴油下載量(m3)×KG÷XG

(15)

富汽油的回?fù)搅?m3)=汽油下載量(m3)×KD÷XD

(16)

4.4 實(shí)例計(jì)算與分析

武信管道現(xiàn)順序輸送92號(hào)汽油、95號(hào)汽油和0號(hào)車柴三種油品，混油回?fù)街辉谙螺d92號(hào)汽油和0號(hào)車柴時(shí)進(jìn)行，現(xiàn)將孝感站和信陽站2016年、2017年92號(hào)汽油和0號(hào)車柴下載量的結(jié)果，見表4。

表4 孝感站、信陽站汽柴油下載量 ×104t

由于混油切割時(shí)有部分油頭和油尾需要純油進(jìn)行中和，保證油品質(zhì)量，因此根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，孝感站和信陽站可回?fù)郊冇土堪纯傁螺d量60 %計(jì)算，在混油切割時(shí)進(jìn)富柴罐和富汽罐混油量比例一般為7∶3，則孝感站在不同混油分輸比例情況下，孝感站和信陽站全年富柴與富汽總下載量統(tǒng)計(jì)見表5。在計(jì)算時(shí)取富柴罐油品標(biāo)密為805 kg/m3，富汽罐油品標(biāo)密為768 kg/m3。將表4數(shù)據(jù)帶入式(9)～式(16)，具體計(jì)算結(jié)果詳見表6和表7所示。

表5 孝感站、信陽站全年富柴與富汽總下載量 m3

表6 孝感站、信陽站富汽回?fù)綕摿?m3

表7 孝感站、信陽站富柴回?fù)綕摿?m3

由表5、表6得到圖3(圖中數(shù)據(jù)表示純汽油終餾點(diǎn)，℃)，可以看出孝感站、信陽站富汽下載量與不同純汽油指標(biāo)下回?fù)搅康膶?duì)比情況。通過表5和表6的對(duì)比可得孝感站、信陽站在孝感不同混油分輸比例下實(shí)現(xiàn)富汽全回?fù)剿璧奈錆h站出庫純汽油終餾點(diǎn)，由于從武漢輸送純汽油到達(dá)信陽距離過長，純汽油終餾點(diǎn)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)將會(huì)上升1.5 ℃左右，到達(dá)孝感時(shí)純汽油終餾點(diǎn)基本不變，計(jì)算時(shí)需考慮，具體數(shù)據(jù)見表8。

圖3 孝感站、信陽站富汽下載量與回?fù)搅繉?duì)比圖

表8 孝感站、信陽站富汽全回?fù)剿栉錆h站出庫純汽油終餾點(diǎn)

由表(8)可知，孝感實(shí)現(xiàn)富汽全回?fù)街恍栉錆h出庫的純汽油終餾點(diǎn)達(dá)201℃即可，因此孝感富汽混油基本可以實(shí)現(xiàn)全回?fù)?。信陽站在孝感混油分輸比例?0 %及以下時(shí)實(shí)現(xiàn)混油全回?fù)叫枰錆h出庫的純汽油終餾點(diǎn)達(dá)198.3 ℃。在其余分輸比例情況下信陽實(shí)現(xiàn)全回?fù)絼t需要武漢出庫的純汽油終餾點(diǎn)達(dá)到198.7 ℃。

由表5、表7得到圖4(圖中數(shù)據(jù)表示純柴油閃點(diǎn)，℃)，可以看出孝感站、信陽站富柴下載量與不同純柴油指標(biāo)下回?fù)搅康膶?duì)比情況。通過表5和表7的對(duì)比可得孝感站、信陽站在孝感不同混油分輸比例下實(shí)現(xiàn)富柴全回?fù)剿栉錆h站出庫的純柴油閃點(diǎn)，由于從武漢輸送純柴油到達(dá)信陽距離過長，純柴油閃點(diǎn)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)將會(huì)下降1.5℃左右，到達(dá)孝感時(shí)純柴油閃點(diǎn)基本不變，計(jì)算時(shí)需考慮，具體數(shù)據(jù)見表9。

圖4 孝感站、信陽站富柴下載量與回?fù)搅繉?duì)比圖

表9 孝感站、信陽站富柴全回?fù)剿栉錆h站出庫純柴油閃點(diǎn)

由表(9)可知，孝感站實(shí)現(xiàn)分輸富柴混油全回?fù)叫枰錆h站出庫的純柴油閃點(diǎn)達(dá)66.5℃及以上。信陽站在孝感混油分輸比例在20%及以下時(shí)實(shí)現(xiàn)混油全回?fù)叫枰錆h站出庫的純柴油閃點(diǎn)達(dá)71.5℃，在其余分輸比例情況下信陽實(shí)現(xiàn)全回?fù)絼t需要武漢站出庫的純柴油閃點(diǎn)達(dá)71℃。

5 結(jié)語

(1)孝感增設(shè)混油罐分輸混油后，信陽站每年最大可減少混油下載約240 m3。

(2)孝感實(shí)現(xiàn)富汽全回?fù)街恍栉錆h站出庫純汽油終餾點(diǎn)達(dá)201 ℃即可，因此孝感富汽混油基本可以實(shí)現(xiàn)全回?fù)?。信陽站在孝感混油分輸比例?0 %及以下時(shí)實(shí)現(xiàn)混油全回?fù)叫枰錆h站出庫純汽油終餾點(diǎn)達(dá)到198.3 ℃，在其余分輸比例情況下信陽實(shí)現(xiàn)全回?fù)絼t需要武漢出庫純汽油終餾點(diǎn)達(dá)到198.7 ℃。

(3)孝感站實(shí)現(xiàn)分輸富柴混油全回?fù)叫枰錆h站出庫純柴油閃點(diǎn)達(dá)到66.5 ℃及以上。信陽站在孝感混油分輸比例在20 %及以下時(shí)實(shí)現(xiàn)混油全回?fù)叫枰錆h站出庫純柴油閃點(diǎn)達(dá)到71.5 ℃，其余分輸比例情況下信陽實(shí)現(xiàn)全回?fù)絼t需要武漢站出庫純柴油閃點(diǎn)達(dá)到71 ℃。

(4)可將孝感站作為混油順序輸送時(shí)的末站，孝感站可將本站下載的混油完全消化。