我国油气管道输送相关技术进展及展望

2015-10-21陆争光

当代化工 2015年7期

陆争光

摘要：近10多年来，我国油气管道输送技术不断发展，技术水平逐渐提高。较系统地总结了我国油气管道输送相关技术的进展。对于易凝高粘原油管道输送，介绍了冷热油交替输送、多品种原油加剂改性长距离顺序输送、长距离含蜡原油管道间歇输送技术及其应用；对于天然气管道输送，介绍了管道输送、液化天然气输送技术的进展及其应用；对于成品油管道输送，介绍了顺序输送混油控制、成品油管道批输计划制定技术的创新与应用。最后，对我国长输油气管道输送技术的发展趋势进行了展望。

关键词：油气管道输送；易凝高粘原油；天然气；成品油；展望

中图分类号：TE 832 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2015）07-1544-04

Progress and Prospect of the Oil and Gas Pipeline

Engineering Relevant Technology in China

LU Zheng-guang

（National Laboratory for Pipeline Safety/ Beijing Key Laboratory of Urban Oil and Gas Distribution Technology，

China University of Petroleum， Beijing 102249， China）

Abstract： In the past 10 years， oil and gas pipeline engineering relevant technology in China obtained rapid development. In this paper， new progress in relevant technology research of oil and gas pipeline engineering in China was systematically categorized. In pipeline transportation of waxy crude oils， technologies and applications， including batch transportation of cool and hot oil， long distance pipelining transportation of crude in batch with pour-point-depressant beneficiation and long distance pipelining intermittent transportation of waxy crudes， were introduced. In pipeline transportation of natural gas， new process and application of pipeline transportation of natural gas and LNG were discussed. In the aspect of pipeline transportation of products oil， controlling contaminated volume of products oil and batch planning of batch transportation were summarized. Finally， future development trend of oil and gas pipeline engineering technology in China was prospected.

Key words： Oil and gas pipeline engineering； Waxy crude oil； Natural gas； Product oil； Prospect

自20世紀末以来，随着我国能源需求的不断扩大以及能源消费结构的优化，作为国家经济建设的重要支柱，我国长输油气管道的发展步伐越来越快。

截止至2014年初，我国已建油气管道总里程约11万km，其中原油管道2.6万km，成品油管道2万km，天然气管道6.4万km[1]。目前，我国已初步形成了“西油东送、北油南运、西气东输、北气南下、海气登陆”的油气管网布局，以保障国家能源安全。

基于我国多年的油气管道输送技术研究以及建设实践，易凝高粘原油管道输送、天然气管道输送及成品油管道输送等方面技术均得到了很大的发展。在此，本文主要对这些成果进行了总结，并展望了我国油气管道输送技术的发展趋势与前景。

1 易凝高粘原油管道输送技术

60多年来，随着对易凝高粘原油流变性规律与机理研究的不断深入，我国的原油管道输送技术发展较快，取得了很大的成果。目前，冷热油交替输送、多品种原油加剂改性长距离顺序输送、长距离含蜡原油管道间歇输送等技术[2]，已成功应用于我国原油管道建设与运行，提高了我国的原油管道输送技术水平。

1.1 冷热油交替输送技术

国产原油与多数进口原油存在较大的物性差异，进口原油的流动性较好，可实现常温输送，国产的易凝高粘原油通常需要采用加热输送。因此，国产原油和进口原油的顺序输送工艺属于冷热原油交替输送。冷热原油交替输送过程中遇到了许多问题亟待解决，如混油、交变温度场及应力分析等[3]。

我国于2005年开始冷热油交替输送技术研究[4，5]，重点方向是冷热油交替输送过程中的热力计算、水力-热力耦合方法。基于崔秀国等[6，7]对于冷热原油交替输送过程中水力、热力变化的基本规律研究，李传宪等[8]利用有限差分法和有限元法得到管外非稳态温度场，建立了冷热原油交替输送的数学模型。王凯等[9-11]则采用移位网格下的虚拟边界条件法，编制了精度较高的非稳态水力-热力耦合程序，建立了冷热原油交替输送的数学模型，并以加热能耗最小为优化目标，建立了加热方案经济比选模型，为确定经济加热方案提供了指导。相比之下，前者提出的模型将水力系统视为准稳态，并不是严格意义上的非稳态水力-热力耦合，而后者则是以油品种类、批次、批次量等运行参数为研究对象，建立的耦合模型适用性更加广泛，可用于随时调整出站温度、压力和流量。

1.2 多品种原油加剂改性长距离顺序输送技术

我国于70年代末开始研究含蜡原油加剂改性输送工艺，目前，我国在含蜡原油加剂改性输送工艺、降凝剂的研发方面均处于国际领先地位。基于含蜡原油加剂改性的机理与规律的深入研究，建立了加剂改性原油粘度、凝点与剪切过程中粘性流动熵产之间的数学模型[12-14]，提出了加剂改性含蜡原油粘度与加热温度关系的预测模型[15]。以上技术成果填充了加剂改性含蜡原油的流动性与剪切历史、热历史关系的定量描述空白，此外，有机/无机纳米复合降凝剂等新型降凝剂[16]也已被研发制备，均为工程应用打下了坚实的基础。

国内第一条采用降凝剂改性常温输送的长输管道是库尔勒-鄯善输油管道，全长476 km。原油在首站经过加剂处理后可实现全线常温输送，节省了4座加热站的建设投资与运行费用[17]。为满足西部原油管道同管输送多种物性差异较大的原油的工艺需要，成功研发了多品种原油加剂改性长距离顺序输送技术[18]，对以后的原油加剂改性顺序输送管道设计具有重要的意义。

1.3 长距离含蜡原油管道间歇输送技术

原油管道间歇输送技术主要包括两部分，一方面是停输再启动，另一方面是间歇输送方案优化。在停输再启动方面，结合室内环道实验，提出胶凝原油再启动过程中存在三个阶段屈服过程，建立了热油管道停输再启动的水力及热力数学模型[19，20]，利用管道模型数据计算管道的启动压力、达到最大启动压力的时间；提出了管线停输过程中的水力、热力、安全停输时间及启动压力的计算方法，并开发了热油管道停输再启动模拟计算软件[21]；提出了根据凝管概率确定停输时间的新方法，以初凝概率为指标的新的间歇输送流动安全性评价方法[22，23]。

在间歇输送方案优化方面，基于对工艺过程中目标函数、约束条件的分析，建立了埋地热油管道的流动、传热物理数学模型；分析发现站间摩阻和进站油温均呈周期性变化，周期运行时间和输停比对间歇输送管道热力特性的影响较为重要[24，25]。

国内采用间歇输送的输油管线较多，如中洛管线、中国-朝鲜输油管线以及西部原油管道。研发采用长距离含蜡原油管道间歇输送技术，西部原油管道所输吐哈原油在玉门站全分输，实现了常态化间歇输送[26]，使我国的含蜡原油间歇输送技术再上一个新的台阶。

2 天然氣管道输送技术

2.1 天然气管网输送

天然气管道输送是一种比较方便、传统的天然气储运方式，是陆上天然气运输及贸易的主要方式。随着西气东输等天然气管道工程的开展，国内针对天然气输气系统规划和优化设计进行了许多研究。

以输气管线设计寿命期内总费用现值最小为目标函数，以稳定性约束、能量平衡约束及管道强度约束等为约束条件，建立了利用不同的智能算法优化输气管道系统设计的模型[27-29]；根据生产实践可操作性，提出以可靠性、经济性、平稳性、便利性为瞬态优化目标原则，建立了针对输气管网短期供气调峰的多目标模糊优化算法[30，31]。

2.2 天然气-凝析液混输

天然气-凝析液混输实质上是气液混输，其工艺计算及模型包括稳态和瞬态模拟两方面。基于气液混合物流动能量方程，建立了用于天然气-凝析液稳态计算的显式温降计算式，提出了基于有限差分法的水力-热力耦合算法，从而实现混输管道稳态、停输再启动的数值模拟；提出流体组分及其比例变化对天然气-凝析液混输上岸压降的影响较大；开发了适用于天然气-凝析液混输管道的计算模拟软件[32-35]，具有重要的工程意义。

2.3 液化天然气输送

基于对天然气不同输送方式输送成本的对比，分析了实现LNG长距离管道输送的技术和经济可行性，验证了液化天然气在“过冷”状态下输送的可行性。针对海上LNG液化的工艺流程，提出了相应的液化流程，并实现液化过程的动态模拟[36]。在储存设施方面，建立了室内小型撬装液化实验装置，研发了大型低温LNG储罐材料、结构设计、施工工艺及绝热分析等方面的技术，向我国大型低温LNG储罐国产化又迈进了实质性的一步。

3 成品油管道输送技术

3.1 顺序输送混油控制技术

对成品油顺序输送进行数值模拟研究，得到了油品流速、管道形状及输送顺序对成品油顺序输送混油段的影响；首次提出有效扩散系数，建立了管道顺序输送混油的质量分数一维模型；对管道混油工况进行了离线模拟，从而及时有效地控制沿线混油，对混油量的控制、混油切割具有一定的指导意义[37，38]；结合国内外混油界面跟踪所考虑的主要因素，研发了成品油管道顺序输送混油界面在线跟踪软件[39]，现场应用效果较为良好。

3.2 成品油管道批输计划制定

国内开发了若干成品油管道调度软件，并已成功应用于大型成品油管道。兰成渝成品油管道应用的分输调度软件，由原始数据的输入、分输计划制定及输出三个模块组成，为管道日常运行提供准确的油品批输计划；克-乌成品油管道批输控制软件是国内的SCADA系统应用软件，其预测混油到达末站的时间和仪表实际检测的时间相差可控制在5 min内；针对西南成品油管道长距离、多站场及复杂工艺技术等特点，研发了西南成品油输送模拟软件，可用于优化运行模拟、检验和校核管道运营者制定的分输方案、动态跟踪显示、瞬态模拟、人工设定泵机组运行模拟及提供模拟历史数据[40，41]。

总体来看，虽然国内自主研发的顺序输送软件在局部管道上得到了成功的应用，但是软件还不具有商业化的能力，也没有自主品牌。

4 未来与展望

4.1 新材料、新工艺、新技术的应用

（1）基于纳米材料的特殊效应及原油流动改性输送技术的成熟，加入纳米材料改性的原油输送技术，将会成为原油管道输送技术的重点研究方向；

（2）在天然气管道输送中，新型减阻剂的研发将会促进天然气管道减阻技术的发展，简化减阻技术操作工艺；

（3）对于吸附天然气（ANG）技术、天然气水合物（NGH）储运技术的研究是目前乃至将来需要重要发展的天然气储运技术；

（4）国内天然气管网可靠性的研究目前正处于起步阶段，形成一套系统的理论来评价输气管网的可靠性水平是未来研究的重要方向之一。

4.2 管网仿真软件优化

（1）开发通用型的成品油管道调度软件，打造国内成品油管道调度软件自主品牌。实现分输计划方案可随时变、生成速度较快，便捷、高效、实用性强，进而提供准确的油品批输计划、信息；

（2）开发通用型的天然气管网优化模型、应用软件，实现高效、准确地进行管网稳态优化计算，并实际应用于大型天然气管网中；

（3）针对国内较为严峻的供气调峰现状，系统地提出实用的输气管道系统调峰仿真、分析、评价及优化的方法，对于输气管道调峰具有重要的指导意义。

参考文献：

[1] 高鹏，王海英，朱金华，等. 2011-2013 年中国油气管道进展[J]. 国际石油经济， 2014 （6）： 57-63.

[2] 張劲军，何利民，宫敬，等. 油气储运理论与技术进展[J]. 中国石油大学学报：自然科学版， 2013， 37（5）： 151-162.

[3] 吴玉国. 冷热原油顺序输送技术研究[D]. 东营：中国石油大学（华东）， 2010.

[4]崔秀国.冷热油交替输送管道非稳态水力-热力耦合问题分析及其应用[D]. 北京：中国石油大学（北京）石油天然气工程学院，2005：26-29.

[5] 宇波，徐诚，张劲军.冷热原油交替输送停输再启动研究[J].油气储运，2009，28（ 11）： 4-16.

[6] 崔秀国，张劲军.冷热油交替顺序输送过程热力问题的研究[J].油气储运，2004，23（ 11）： 15-19.

[7] 范海成.冷热油交替输送研究[D].北京：石油大学石油天然气工程学院，2005.

[8] 李传宪，施静. 冷热原油顺序输送过程的热力分析[J]. 中国石油大学学报：自然科学版， 2013， 37（2）： 112-118.

[9]WANG K，ZHANG J J，YU B，et al， Numerical simulation on the thermal and hydraulic behaviors of batch pipelining crude oils with different inlet temperatures [J]. Oil & Gas Science and Technology-Rev IFP，2009，64 （ 4）： 503-520.

[10] 王凯，张劲军，宇波. 原油管道差温顺序输送水力-热力耦合计算模型[J]. 油气储运， 2013， 32（2）： 143-151.

[11]王凯，张劲军，宇波. 冷热原油交替顺序输送中加热时机的经济比选[J]. 中国石油大学学报：自然科学版， 2008， 32（5）： 102-107.

[12]张劲军潘道兰等：剪切作用对加剂原油凝点影响的数学模型[J]. 石油学报， 2004， 25（ 2）.

[13]Li Yufeng， Zhang Jinjun： Prediction of viscosity variation for waxy crude oils beneficiated by pour-point-depressants during pipeline[J]. Petroleum Science and Technology， 2005， 23.

[14]李鸿英，丁建林，张劲军. 含蜡原油流动特性与热历史和剪切历史的关系[J]. 油气储运， 2008， 27（5）： 16-20.

[15]LI Hong-ying ，ZHANG Jin-jun.A generalized model for predicting non-Newtonian viscosity of waxy crudes as a function of temperature and precipitated wax [J].Fuel，2003，82（11）：1387-1397.

[16]WU Yu-min，NI Guang-di，YANG Fei，et al. Modified malefic anhydride co-polymers as pour-point depressants and their effects on waxy crude oil rheology [J]. Energy & Fuels，2012，26：995-1001.

[17]张劲军. 易凝高粘原油管输技术及其发展[J]. 中国工程科学， 2002， 4（6）： 71-76.

[18]LING Xiao，ZHANG Jin-jun，LI Hong-ying，et al. Transportation of waxy crudes in batch through China west crude oil pipeline with pour-point-depressant beneficiation （IPC2008-64288）： Proc of the ASME 7th International Pipeline Conference [C]. Canada： Calgary，2008.

[19]李才，张晓萍，苏仲勋，等.热含蜡原油管道停输再启动压力研究[J].油气储运，1998，17（1）：10-14.

[20]李才，张晓萍，等.胶凝原油管道再启动压力传递速度的研究[J].油气储运，1997，17（2）：6-10.

[21]安家荣，史秀敏，张国忠.热油管道停输与再启动过程模拟计算软件[J].油气储运，1998，17（3）：12-14.

[22]YU Bo，YU Guo-jun，CAO Zhi-zhu，et al. Fast calcu lation of the soil temperature field around a buried oil pipeline using a body-fitted coordinates-based POD- Galerkin reduced-order model [J]. Numerical Heat Transter，Part A： Applications， 2013，63（10）：776-794.

[23]苗青，衣桂影，徐波，等. 中国-朝鲜原油管道中方段流动安全性评价[J]. 油气储运， 2011， 30（4）： 252-254.

[24]柳歆，张劲军，宇波. 热油管道间歇输送热力水力特性[J]. 油气储运， 2011， 30（6）： 419-422.

[25]邢晓凯，颜春者. 埋地热油管道间歇输送过程研究[J]. 石油规划设计， 1997， 8（6）： 29-31.

[26]Liu X， Zhang J， Li H， et al. Intermittent operations， PPD optimize low flow-rate waxy crude system[J]. Oil & gas journal， 2010， 108（46）： 134-138.

[27]李智，谢兆鸿，秦建华. 蚁群算法在天然气输送管道优化设计中的应用[J]. 天然气工业， 2005， 25（9）： 104-106.

[28] 蒋永明. 基于蚁群算法的天然气长输管线优化设计研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学， 2007.

[29]李立刚，张朝晖，戴永寿，等. 基于改进模式搜索算法的天然气管网运行优化[J]. 中国石油大学学报：自然科学版， 2012， 36（4）： 139-143.

[30]郑志炜，吴长春. 输气管道系统供气调峰技术进展[J]. 科技导报， 2011， 28（11-12）： 75-79.

[31]ZUO Li-li，WU Chang-chun，ZHENG Hong-wei，et al.Multi-object decision-making on peak shaving of West-East Gas Pipeline： Proceedings of the IPC [C].Canada： Calgary，2008.

[32] 邓道明，宫敬. 天然气-凝析液混输管线温降计算[J]. 工程热物理学报， 2008， 29（10）： 1691-1694.

[33]王智，宫敬，尹铁男，等. 天然气凝析液长距离管道稳态水力热力计算[J]. 东北石油大学学报 ISTIC， 2013， 37（4）.

[34]MENG Ling-ya，LI Yu-xing，ZHANG Jian，et al. The development of a multiphase flow meter without separation based on sloped open channel dynamics [J]. Flow Measurement and Instrumentation，2011，22 （ 2 ）： 120-125.

[35]LI Yu-xing，WANG Jun. Study on wet gas online flow rate measurement based on dual slotted orifice plate [J].Flow Measurement and Instrumentation，2009，20（4）：168-173.

[36]余红梅，李兆慈，姚麟昱，等. L NG 长距离管道输送可行性分析[J]. 深冷技术， 2008， 1.

[37]李涛，杨广志，宫园园，等. 成品油顺序输送混油段的数值模拟[J]. 青岛科技大学学报：自然科学版， 2013， 34（3）： 279-284.

[38]胡煊，陈世一.管道顺序输送混油浓度一维模型的应用[J].油气储运，2010，29（12）：913-915.

[39]郭祎.提高成品油管道混油界面跟踪精度的新方法[J].油气储运，2010，29（12）：908-909.

[40]LIANG Yong-tu，SHI Bo-hui，GUO Xiao-lei. Software helps manage multiproduct pipeline in china [J]. Pipeline & Gas Journal，2011，11：83-84.

[41]Yongtu L， Ming L， Ni Z. A study on optimizing delivering scheduling for a multiproduct pipeline[J]. Computers & Chemical Engineering， 2012， 44： 127-140.

（上接第1543页）

弄清楚炼化企业VOCs的来源并对其来源进行解析就是解决问题的首要任务，但是现在我们能掌握的只是简单的炼化企业VOCs来源，没有具体的排放源清单，没有系统的有针对性的政策，没有专用的针对性治理技术……正因为这方面相关研究的匮乏，使得进一步开展研究工作变得更为有意义和价值。

参考文献：

[1]马慧莲，张海军，田玉增，等. 新型水蒸气顶空富集装置在饮用水中痕量挥发性有机物非目标筛查中的应用[J]. 色谱，2011（9）：912-917.

[2]王淑梅. 唐孝炎：奥运运动员的"天敌"——臭氧和细颗粒物[J]. 环境，2008（7）：26-27.

[3]谢娜，李英芹，张芳，等. 石油石化企业温室气体清单编制简析[J]. 油气田环境保护，2010（4）： 1-3+10.

[4]刘忠河，齐湘毅. 石化行业挥发性有机污染物调查及防治建议[J]. 精细石油化工，2013（2）：65-67.

[5]曹磊，曹越. 化工項目无组织废气评价探讨[J]. 环境科学与管理，2006（9）：184-187.

[6]鲁建新，顾雪松，赵铭. 化工项目无组织废气监测中有关问题探讨[J]. 内蒙古环境科学，2008（2）：89-91.

[7]杜芳伟. 浅谈如何提高炼油污水处理技术[J]. 中国石油和化工标准与质量，2013（3）.

[8]戴晓波，伏晴艳，徐宏，等. 石化行业无组织排放VOCs的定量方法和控制对策探讨[A]. 中国不同经济区域环境污染特征的比较分析与研究学术研讨会论文集[C].2009.

[9]张秀青. 石化企业废气无组织排放源及排放量估算简介[J]. 装备环境工程，2008（5）：74-77.