尹曉云 敬加強(qiáng) 孫 杰 劉力華 蒲 波

(1.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院 2.油氣消防四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 3.西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 4.中國石油西南油氣田分公司通信與信息技術(shù)中心 5.中石油南充燃?xì)庥邢挢?zé)任公司)

0 引言

隨著常規(guī)原油儲(chǔ)量的日益減少，蘊(yùn)藏量豐富的稠油在石油工業(yè)中的地位和作用愈加突出，有望成為今后重要的石油接替能源[1]。常用的稠油降黏減阻輸送技術(shù)中，水環(huán)輸送法由于成本低、能耗小以及環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)自提出以來一直備受世界石油界的關(guān)注，近年來被學(xué)者們視為實(shí)現(xiàn)稠油常溫輸送最有潛力的方法[2]，具有廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)稠油水環(huán)輸送技術(shù)開展了大量的研究工作，其中包括水環(huán)發(fā)生器結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)[3－5]、油－水兩相流流型特征與壓降規(guī)律的試驗(yàn)探索[6－9]、油－水環(huán)狀流管輸壓降及持液率預(yù)測(cè)模型的推導(dǎo)建立[10－12]、水環(huán)潤滑油核懸浮機(jī)制的理論分析[13－15]以及油－水環(huán)狀流流動(dòng)穩(wěn)定性的增強(qiáng)方法[16－19]。但研究主要集中于正常運(yùn)行的穩(wěn)態(tài)工況，少有涉及因日常維護(hù)或緊急事故而停輸及停輸后的再啟動(dòng)工況[20－21]。水環(huán)輸送稠油管道停輸后，由于油水密度差異，油上浮至管頂而水下沉到管底，促使水包裹油的環(huán)狀流結(jié)構(gòu)迅速轉(zhuǎn)變成油水分層流結(jié)構(gòu)。當(dāng)管道重新啟動(dòng)時(shí)，黏附在管壁上的油污會(huì)使摩阻急劇增大，若泵不能提供足夠高的壓力，則無法使管路中的流體恢復(fù)流動(dòng)。因此為了保證管線的順利啟動(dòng)，有必要了解管路在各種情況下的再啟動(dòng)特性，以確定順利再啟動(dòng)的操作條件和運(yùn)行參數(shù)。

本文以500＃白油和自來水為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)加工室內(nèi)水環(huán)輸送稠油再啟動(dòng)小型環(huán)道試驗(yàn)裝置，模擬研究了油水環(huán)狀流停輸后再啟動(dòng)過程的流型演變特征及壓降變化規(guī)律，分析了停輸時(shí)間、初始含油體積分?jǐn)?shù)及清洗流速對(duì)再啟動(dòng)特征參數(shù)(壓降和時(shí)間) 的影響。研究結(jié)果可為現(xiàn)場(chǎng)管道因計(jì)劃或事故停輸后的再啟動(dòng)過程提供理論指導(dǎo)，同時(shí)可為稠油輸送管道的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供一定參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 材料

由于普通稠油呈深黑色，不便于觀測(cè)流型，且黏附于管壁后不易清潔，所以選用500＃白油作為模擬油樣，進(jìn)而開展水環(huán)輸送稠油停輸再啟動(dòng)試驗(yàn)。采用比重瓶法，測(cè)定20 ℃時(shí)的白油密度為902 kg/m3；利用HAAKE Viscotester iQ Air 流變儀，測(cè)得20 ℃時(shí)的白油黏度為1 055.3 mPa·s。試驗(yàn)用水來自成都自來水供應(yīng)廠，其20 ℃時(shí)的密度與黏度分別為998.2 kg/m3和1.005 mPa·s。

1.2 試驗(yàn)裝置

本文自主研制了一套水環(huán)輸送稠油停輸再啟動(dòng)環(huán)道試驗(yàn)裝置，其流程如圖1 所示。該裝置主要由油水供給系統(tǒng)、管路測(cè)試系統(tǒng)、吹掃系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)四部分組成。試驗(yàn)所用管材為硬質(zhì)聚氯乙烯塑料(UPVC)，管路全長(zhǎng)15 m，其中測(cè)試段長(zhǎng)度為0.9 m，管徑規(guī)格為DN25。測(cè)試段兩端裝有引壓孔，連接CYQ－3051DP 差壓變送器，采集該段流體壓降，且靠近測(cè)試段末端安裝2F04C 高速攝像機(jī)及配套LED 光源，拍攝管線停輸及停輸再啟動(dòng)過程中油水兩相流型。

圖1 試驗(yàn)流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of test process

油水供給系統(tǒng)由油路和水路組成。油路主要由儲(chǔ)油罐、輸油泵、渦輪流量計(jì)和球閥等組成，儲(chǔ)油罐內(nèi)白油經(jīng)ZYB－83.3 高溫渣油泵加壓、LWGY－830 渦輪流量計(jì)計(jì)量后進(jìn)入水環(huán)發(fā)生器，與水相混合；水路則主要包括儲(chǔ)水罐、輸水泵、電磁流量計(jì)和球閥等部件，儲(chǔ)水罐內(nèi)自來水經(jīng)CVL4－16 立式不銹鋼多級(jí)離心泵加壓、LDC－QX315 電磁流量計(jì)計(jì)量后進(jìn)入水環(huán)發(fā)生器，與油相混合。吹掃系統(tǒng)主要由V－0.60/8 空氣壓縮機(jī)、儲(chǔ)氣罐和調(diào)壓閥等部件構(gòu)成，用于試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)整個(gè)管路進(jìn)行吹掃。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 試驗(yàn)方案

室內(nèi)模擬水環(huán)輸送管道停輸再啟動(dòng)過程的試驗(yàn)方案主要有兩種:一種是同時(shí)開啟油泵和水泵，通過提供可靠的高壓來剪切管道上部的油相，逐漸恢復(fù)環(huán)狀流的流動(dòng)形態(tài)[22]；另一種是先只開啟水泵，用一定流速的清水頂擠截留于管內(nèi)的液體并清洗管壁，待壓力表讀數(shù)下降至穩(wěn)定值后再開啟油泵引入油流，重新形成環(huán)狀流結(jié)構(gòu)[23]。由于水流頂擠的啟動(dòng)方式便于操作且水流流量固定，利于研究壓降隨時(shí)間的變化趨勢(shì)及評(píng)估各種因素的影響，本文主要討論該啟動(dòng)方式下稠油管道的停輸再啟動(dòng)過程。

1.3.2 試驗(yàn)步驟

在進(jìn)行停輸再啟動(dòng)模擬試驗(yàn)前，首先需要獲得相對(duì)穩(wěn)定的油水環(huán)狀流流型?；诃h(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定存在的必要條件及準(zhǔn)則式[15]，本試驗(yàn)設(shè)定油相表觀流速Uos為0.74 m/s，水相表觀流速Uws范圍為0.22～1.09 m/s。油水環(huán)狀流的形成及停輸再啟動(dòng)試驗(yàn)均在20 ℃下進(jìn)行，其具體步驟如下:

(1) 開啟水路閥門及水泵，使單相水流以一固定流速流入管道，待水流量穩(wěn)定后，記錄測(cè)試段壓降，作為管道油污沖洗干凈的參考?jí)航郸r。

(2) 開啟油路閥門及油泵，通過變頻器或旁通閥調(diào)節(jié)油水流量以獲得環(huán)狀流流型，待油水流量穩(wěn)定后，記錄測(cè)試段壓降，作為管道正常運(yùn)行期間的穩(wěn)定壓降Δpc。

(3) 同時(shí)關(guān)閉油泵、水泵及相應(yīng)閥門，將油水截留在試驗(yàn)管路內(nèi)并靜置一段時(shí)間。

(4) 重新開啟水路閥門及水泵，采用與步驟(1) 中相同的流速?zèng)_洗管路，記錄測(cè)試段壓降隨時(shí)間的變化規(guī)律，將初始峰值作為管道恢復(fù)運(yùn)行的啟動(dòng)壓降Δpmax。記錄測(cè)試段壓降從峰值降至參考值附近的時(shí)間，作為管道恢復(fù)運(yùn)行的啟動(dòng)時(shí)間tr；觀察再啟動(dòng)過程中靜置分層的油水兩相在水流沖洗下的運(yùn)移規(guī)律。

(5) 重復(fù)步驟(1)～ (4)，探究不同停輸時(shí)間ts、初始含油體積分?jǐn)?shù)Co、清洗流速Uc對(duì)再啟動(dòng)參數(shù)(壓降Δp和時(shí)間tr) 的影響。

(6) 試驗(yàn)結(jié)束后，打開空氣壓縮機(jī)，對(duì)試驗(yàn)管路進(jìn)行吹掃。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 再啟動(dòng)過程流型演變

管道再啟動(dòng)過程中油水兩相在水流沖洗下的運(yùn)移規(guī)律如圖2 所示。一開始，管道處于停輸狀態(tài)，油水兩相由于密度差異呈現(xiàn)上層油、下層水的分層流結(jié)構(gòu)(見圖2a)；開啟水泵及相應(yīng)閥門，使水相流入管道，此時(shí)油泵及油路閥門仍保持關(guān)閉，管道上層的黏稠油受水流的剪切作用而脫離油層(見圖2b)；隨后，被剝離的油滴向整個(gè)管道擴(kuò)散(見圖2c)；由于UPVC 管材的親油性，擴(kuò)散運(yùn)移的油滴撞擊管壁形成油膜(見圖2d)；最終，油膜逐漸被水流帶走，管道被完全清洗干凈(見圖2e)。

圖2 再啟動(dòng)過程中油水兩相流型演變Fig.2 Evolution of oil-water flow pattern in restart process

2.2 再啟動(dòng)特性及影響因素

2.2.1 停輸時(shí)間對(duì)再啟動(dòng)特性的影響

停輸時(shí)間對(duì)再啟動(dòng)特性影響的試驗(yàn)條件與試驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。再啟動(dòng)壓力隨停輸時(shí)間的變化曲線如圖3 所示。由圖3 可以發(fā)現(xiàn):停輸時(shí)間ts對(duì)再啟動(dòng)時(shí)間tr基本沒有影響，不同ts下tr均約為530 s；相反，停輸時(shí)間ts對(duì)再啟動(dòng)壓降峰值Δpmax有較大影響，Δpmax隨ts的延長(zhǎng)而增大，其原因是ts的延長(zhǎng)使油水兩相的分層更徹底，油層和水層分別運(yùn)移到管道的上部和下部；而ts較短時(shí)，位于管道上管壁與核心油流之間的水層來不及運(yùn)移到管道下部，當(dāng)管道重新啟動(dòng)時(shí)，水層仍可充當(dāng)潤滑介質(zhì)，從而使Δpmax降低。此外，還可以發(fā)現(xiàn)在不同工況下，再啟動(dòng)壓降的瞬態(tài)行為具有相似的變化特征，即壓降由初始峰值迅速降低至一定值后緩慢下降，直至達(dá)到單相水流壓降，這與A.LIVINUS 等[24]描述的再啟動(dòng)過程中壓降隨時(shí)間的變化規(guī)律一致。筆者將該變化過程劃分為三個(gè)階段:第一階段為壓降驟降階段(見圖3 中Ⅰ階段)，水流帶走大量油相，壓降在60 s內(nèi)下降至初始峰值的50%；第二階段為壓降緩降階段(見圖3 中Ⅱ階段)，水流逐漸清除管道頂部及黏附在管壁上的油相，壓降緩慢下降；第三階段為壓降恒定階段(見圖3 中Ⅲ階段)，水流已將管道清潔干凈，壓降在單相水流參考?jí)航抵蹈浇p微波動(dòng)。

表1 停輸時(shí)間對(duì)再啟動(dòng)特性的影響結(jié)果Table 1 Effect of shutdown time on restart characteristics

圖3 再啟動(dòng)壓力隨停輸時(shí)間的變化曲線Fig.3 Variation of restart pressure with shutdown time

2.2.2 初始含油體積分?jǐn)?shù)對(duì)再啟動(dòng)特性的影響

再啟動(dòng)壓力隨初始含油體積分?jǐn)?shù)的變化曲線如圖4 所示。初始含油體積分?jǐn)?shù)對(duì)再啟動(dòng)特性影響的試驗(yàn)條件與試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。由圖4 可知，隨初始含油體積分?jǐn)?shù)Co的增加，再啟動(dòng)壓降峰值Δpmax增大的同時(shí)再啟動(dòng)時(shí)間tr延長(zhǎng)。這是因?yàn)镃o越高，停輸時(shí)截留于管道中的油就越多，流動(dòng)阻力越大，需要消耗更多能量來克服阻力，因此Δpmax越大。此外，在水流的沖洗下，管道中的油越多，油滴越容易擴(kuò)散至整個(gè)管道并黏附在管壁上形成油膜，導(dǎo)致管道更難清洗干凈，從而使tr延長(zhǎng)。

表2 初始含油體積分?jǐn)?shù)對(duì)再啟動(dòng)特性的影響結(jié)果Table 2 Effect of initial oil content on restart characteristics

圖4 再啟動(dòng)壓力隨初始含油體積分?jǐn)?shù)的變化曲線Fig.4 Variation of restart pressure with initial oil volume fraction

2.2.3 清洗流速對(duì)再啟動(dòng)特性的影響

清洗流速對(duì)再啟動(dòng)特性影響的試驗(yàn)條件與試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。再啟動(dòng)壓力隨清洗流速的變化曲線如圖5 所示。

表3 清洗流速對(duì)再啟動(dòng)特性的影響結(jié)果Table 3 Effect of cleaning flow rate on restart characteristics

由圖5 可知，清洗流速Uc的增大可縮短再啟動(dòng)時(shí)間tr，但使再啟動(dòng)壓降峰值Δpmax增大。究其原因，主要是由于在再啟動(dòng)階段使用流速較高的水流更易將管道完全清洗干凈，故所需tr較短；但較高的清洗流速對(duì)截留于管道內(nèi)的油水兩相初始沖擊力更大，致使Δpmax增大。

圖5 再啟動(dòng)壓力隨清洗流速的變化曲線Fig.5 Variation of restart pressure with cleaning flow rate

3 結(jié)論

(1) 自主研制的室內(nèi)小型停輸再啟動(dòng)環(huán)道模擬裝置適用于水環(huán)輸送稠油再啟動(dòng)過程中流型演變特征分析及再啟動(dòng)特性研究。

(2) 水環(huán)輸送管線停輸后靜置分層的油水兩相在管路重新啟動(dòng)時(shí)，主要經(jīng)歷了分層形態(tài)→水流推擠油層→油滴擴(kuò)散→油滴撞擊管壁形成薄油膜→水流逐漸清除油膜的變化過程。

(3) 在不同試驗(yàn)工況下，再啟動(dòng)壓降隨時(shí)間的變化規(guī)律相似，即先在短時(shí)間內(nèi)迅速下降至初始峰值的50%，隨后以逐漸減小的下降速率緩慢下降，直至降低到單相水流參考?jí)航抵蹈浇?/p>

(4) 停輸時(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)增大再啟動(dòng)壓降峰值，但對(duì)再啟動(dòng)時(shí)間無影響；初始含油體積分?jǐn)?shù)的增加不僅會(huì)增大再啟動(dòng)壓降峰值，而且會(huì)延長(zhǎng)再啟動(dòng)時(shí)間；清洗流速的增大可縮短管線啟動(dòng)時(shí)間，但會(huì)增大再啟動(dòng)壓降峰值。故水環(huán)輸送稠油管道在油水輸送量一定的條件下，因維護(hù)或故障停輸時(shí)盡量縮短停輸時(shí)間，重新啟動(dòng)時(shí)適當(dāng)增大清洗流速可降低稠油停輸管線的啟動(dòng)困難程度。