管道运行费用受流态变化的影响

2014-11-21邵文欣大庆油田储运销售分公司

油气田地面工程 2014年8期

邵文欣大庆油田储运销售分公司

鉴于国内生产原油的性质，其运输的主要方式是通过管道进行加热输送，在此方式下会出现特别大的能耗。以东北地区为例，管道直径为720mm，设定运行的过程中为满负载，每千公里管道上每年的热能耗油量达到总运输量的0.4%左右，因此，对原油管道输送从理论方面探讨流态变化显得更为必要。

国内生产的原油普遍存在易凝、高黏度的特点，在低温下其流动性较差，为了对其流动性进行改善就需要通过加热来升温，以此降低原油黏度，减小原油和管内壁之间的摩擦阻力。在管道内，油流动过程中会出现沿管道轴向温度降低的情况，这就需要提高进站油的油温来保障运行过程的安全，提高的温度为3~5℃，否则会发生凝管事故。但是，如果油温处于凝点和反相点内，其性质不再符合牛顿内摩擦定律，为非牛顿流体温度范围；同时还需要通过分区来对热油管道摩阻进行计算，以此来确定是否将泵提供的压能按同一流态计算[1-3]。所以，要想对管道运输进行优化计算，就需要对多管道原油在不同温度下所处的流态变化进行探讨，提供相关理论依据。

1 数学模型

在热油运输的管道系统中，泵运行电费以及油品加热所需要的燃料费用构成了运行费用，对管道系统进行优化主要目的是减少其运行费用。在优化管道运行费用前，首先要对相关数据进行确定，包括进出站原油的温度、牛顿液体的长度、非牛顿液体的长度等，这些都是相关优化的理论基础。在对费用进行计算时，设定两泵站之间不存在旁接输油管道的情况。

油品加热所消耗的燃料费用为MR

泵运行所需的费用为MP

两者之和为热油管道的总运行费用，即M=MR+MP。

其中，c(T)、ρ(T)是温度为T时原油的比热容密度，单位分别为kJ(kg·c)和kg/m3；QV是管道的体积流量，单位为m3/h；Ti和Ti+1分别为i段出站温度和i+1段进站温度，单位为℃；ER、EP为燃料价格和电费价格，单位分别为元/公斤和元/度；q是管道质量流量，单位为kg/s；ηR、ηP分别为热炉和泵的效率。

对流体的流态进行雷诺数Re判断

对于非牛顿流体，其临界雷诺数为ReMR

在上述公式中，d是管道内径，单位为m；γ是原油在T温度时的黏度，单位为m2/s；n和k分别为非牛顿流体回归系数。

在管线方向，各流态油流长度为

上式中，D、L分别为管道的外径和总长，单位为m；Li、Li（i=1~3）分别为Ti~Ti+1油温间的管道长度和各流态的油流长度，单位为m；K是站间传热系数，单位为kJ/（m2·h·c）；Td是沿线的平均温度，单位为℃。

牛顿流体和非牛顿流体管段的摩阻损失分别为

Δh1、Δh2和Δh3分别为牛顿流体和非牛顿流体的紊流管段摩阻，单位为m；L1、L2、L3分别为流态1、2、3的油流长度，单位为m；qv是管道的体积流量，单位为m3/s；m和β是牛顿流体的流变系数；λ是沿程摩阻因数；v是管内的油流平均流速，单位为m/s；g是重力加速度，单位为m/s2。

总摩阻损失为Δh=Δh1+Δh2+Δh3

对上述公式进行带入运算可得到管道运行费用的数学模型。

对该模型按照图1所示程序进行求解。

图1 热油管道运行费用数学模型求解程序

2 实际应用分析

选取某一段热油管道作为分析对象，基本情况如下：泵站之间的距离为132.433 km，该管道区域的地势为平缓，可忽略站间的高度差，在出站处安装4台动力泵。出站的上限压力为8MPa，出站油的温度低于70℃，进站油的油温高于27℃，油压高于0.25MPa；管道的保温材料为50mm厚的聚氨酯泡沫保温材料，沿线的地温平均值为18℃，两站之间的传热系数为3.5 kJ/(h·c·m2)，设定电费价为1元/度，燃料为4元/公斤的价格，输送的任务为147×104t/a。根据输送任务和原油的物性对各参数进行确定，包括不同温度下的流态管段长度和摩阻变化，再对最低费用方案进行计算。

对油温和比热容、油温和密度、油温和黏度之间的关系进行计算，将牛顿流体按黏温曲线化分为两个区（Ⅰ、Ⅱ区），油温分别在42~60℃、33~42℃之间。对进站的油温进行设定，随着温度的降低，牛顿流体Ⅰ区会缩短，牛顿流体Ⅱ区以及非牛顿流体的层流区和紊流区的油流长度加长。在曲线的平缓程度上，牛顿流体Ⅰ区比其他三个区的斜率更加明显，非牛顿流体的层流区最为平缓，其长度变化程度也较小。在摩阻方面，随着温度逐渐降低，变化最明显的是非牛顿流体紊流段，为较陡的曲线，而牛顿流体紊流段则呈线性变化，曲线斜率变化较为平缓；非牛顿流体层流段则受温度的影响不大。如果将出站的油温设定在固定值，寻求最低运行费用时，进站的温度越低越好，如果设定进站油温在固定值，则随着出站油温的降低，管道的运行费用会逐渐减少，在此基础上对最佳方案进行确定。在本次所选管段中的最优化方案为进站油温27℃，出站温度56℃，牛顿流体Ⅰ区油流长度为42 678.5m，牛顿流体Ⅱ区油流长度为43 176.1m，非牛顿紊流区油流长度为38 832.0m，非牛顿层流区油流长度为7 746.2m，运行费用为1 504.1元/h。