热油管道结蜡厚度与经济清管周期计算

王继平 王馨艺 郝宝健 等

摘 要：对热油管道来说，结蜡到一定厚度时，易造成清管过程中蜡堵事故的发生。另外，结蜡还对热油管道的经济运行存在两方面的影响，即增加动力费用和降低热力费用。因此合理预测热油管道的结蜡厚度和经济清管周期尤为重要。介绍了一种普适性结蜡模型和经济清管周期计算模型，在此基础上以日均运行费用最低为目标，开发了热油管道结蜡厚度与经济清管周期预测程序，并以铁岭—新民段管线为例计算说明。指出了该程序的不足和今后研究方向。

关 键 词：热油管道；结蜡；经济清管周期；运行费用

中图分类号：TE 832 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2016）03-0545-04

Abstract： For hot oil pipelines， wax plugging accident easily happens when the wax deposition reaches a certain thickness. The wax deposition has two aspects of effect on the economic operation of waxy hot oil pipeline， including increasing the power cost and reducing the heating cost. So it is especially important to predict wax deposition thicknesses and economic pigging cycles of hot oil pipeline. In this paper， a general wax model and an economic pigging cycle model were introduced， and prediction program of the wax deposition thickness and economic pigging cycle was developed by using average daily operating minimum charges as the target. Taking Tieling-Xinmin pipeline calculation as a case， the calculation was carried out. Meanwhile， the shortage of this program and the direction of the future research were pointed out.

Key words： Hot oil pipeline； Wax deposition； Economic pigging cycle； Operating cost

我国所产原油80%以上为含蜡原油，世界范围内含蜡原油的产量也在不断增加[1]，此类原油输送主要采用加热输送工艺。热油管道由于油温与管壁温度的差异很容易结蜡，当结蜡到一定厚度时，在清管过程中易造成蜡堵事故发生，对管道的安全运行产生严重的威胁。另外，结蜡还对管道运行费用有两方面相互矛盾的影响：一方面结蜡会减小有效管径，增大流动阻力，从而增加动力费用；另一方面结蜡能减小管道传热系数，降低散热损失，从而降低热力费用[2]。在一个清管周期内管道运行费用主要包括：动力费用、热力费用以及一次性清管费用。随着运行时间延长，结蜡增厚导致每天动力费用增加热力费用降低，同时平均到每天的清管费用也降低，因而必然存在某个时间使得管道每天平均运行费用最低，该时间段即为经济清管周期。因此合理估算管道结蜡厚度与经济清管周期对于热油管道的经济安全运行显得尤为重要。

1 蜡沉积模型介绍

蜡沉积模型的建立是基于蜡沉积机理、影响因素与实验方法研究的基础之上的。国内外对蜡沉积机理的研究已经有相当长的时间，对其认识也基本成熟。目前，蜡沉积主要考虑分子扩散、剪切弥散、重力沉降、布朗运动四种机理，更多关于蜡沉积机理介绍的可参考文献[3，4]。对于蜡沉积的影响因素，普遍认为油温、原油与管壁温差、原油组成、剪切速率等是其主要影响因素[5，6]。除了以上理论的研究，模型的建立还依赖于试验方法，主流的实验方法包括：冷指法[7]、旋转圆盘法[8]、环道法[9]。

基于以上理论研究与试验方法，国内外学者对原油蜡沉积进行了系统研究， 提出了多个的蜡沉积模型[10-12]。黄启玉[13]在分析了这些模型优缺点的基础上，基于其实验研究结果，提出了一个普适性结蜡模型，并利用该模型预测中银线管道结蜡情况，与现场数据对比平均误差仅为6.32%。刘杨等[14]利用该模型研究了大庆原油两个联合站之间管道结蜡规律。王凤辉等[15]利用该模型分析了阿赛管道输送不同原油时的结蜡情况。可见，该模型在预测国内热油管道结蜡规律上得到了普遍认可。

在文献[13]中利用逐步线性回归的方法建立了适合含蜡原油的结蜡模型如下：

（1）

式中，k、m、n为常数，通过线性回归得到。利用该模型，预测任意热油管道结蜡规律需要确定的参数和大致计算过程如下：

（1）线性回归得到k、m、n，得到具体的结蜡模型；

（2）利用苏霍夫公式，计算沿线油温；

（3）根据热平衡关系，确定管线运行条件下不同管段的径向温度梯度，具体计算公式如式（2）所示：

（2）

（4）依据牛顿流体紊流状态下的管壁剪切率公式（3），计算管壁剪切率；

（3）

（5）依据原油粘温关系计算不同温度下原油粘度；

（6）根据各管段的平均油温，计算不同管段管壁处蜡分子浓度梯度；

（7）计算原油密度；

（8）由试验测得的蜡晶溶解度系数与温度关系曲线（ ）进行插值计算管壁处蜡晶的溶解度系数；

（9）由公式（4）计算结蜡后的总传热系数。

（4）

2 经济清管周期

所谓经济清管周期是指按照管道平均日运行费用最低的标准确定的清管时间。对于热油管道来说，运行费用包括：动力费用、热力费用以及一次性清管费用。

在一个清管周期内，随着结蜡厚度的增加，管道的有效流通面积减小，油流流速增加，沿程摩阻增加，动力费用上升；同时，由于结蜡厚度的增加，管道的总传热系数减小，沿线温降变缓，出站温度可以适当的降低，从而使得管道的热力费用减小（假设进站温度一定）。因此计算过程需要考虑结蜡厚度对管道动力费用和热力费用两个因素的影响。另外一次性清管费用是固定的，随着清管周期的延长，平均到每天的费用越小。将以上三个因素耦合，可以得到平均运营费用的最低点，该点对应的天数即为经济清管周期。具体计算过程如下：

以1 d为单位计算结蜡速率，分天计算动力费用和热力费用，再加上平均到每天的清管费用，找到费用最低点即可判断为经济清管周期。

（1）动力费用：

式中： SP — 单位为（元/d）；

ed — 电力价格，元/（kW·h）；

H — 泵站提供的扬程，m；

G — 输量，t/d；

ηpe — 泵机组效率。

（2）热力费用：

式中： SR — 单位为（元/d）；

cy — 油品的比热容，kJ/（kg·℃）；

ηR —加热炉效率；

ey — 燃料油价格，元/吨；

BH — 燃料油热值，kJ/kg；

G — 输量，t/d。

（3）总平均费用： （元/d）

式中：SP — 平均每天的动力费用，元/d；

SR —平均每天的热力费用，元/d；

SQ — 一次清管费用，元；

day —运行天数，d。

3 计算程序介绍

基于以上的理论分析和计算过程介绍，开发了含蜡原油管道结蜡厚度与清管周期计算程序。该程序适用不同季节的计算，在输入界面需要输入的参数包括：管道分段距离、季节、计算时间等，经过程序运行，可输出数据包括：各站进出站温度、管壁结蜡厚度和经济清管周期等。

运算过程中默认第一天的结蜡厚度为0，而此以后计算新一天的结蜡厚度时，均取前一天蜡沉积厚度进行累积计算。程序输出的蜡沉积厚度为输入天数累积的厚度。输出的热力费用和电力费用值，都是假设在该天进行清管，以往每天的平均动力费用和热力费用。

计算过程采用迭代算法，具体计算过程为：首先将管道分成距离为1 km的小段，设定进站油温已知，根据苏霍夫公式计算上个1 km处的温度，然后将此温度当做上1 km的进站温度依次向上计算，直至计算到出站温度为止。依据公式 计算每段的平均油温，然后确定每一下段在平均温度下的物性参数，包括：粘度、密度、径向温度梯度、管壁剪切率、蜡分子溶解度系数、总传热系数等，利用结蜡速率公式计算结蜡速率，进而求出结蜡厚度。计算框图如图1所示。

4 计算案例

以铁秦线铁岭—新民段冬季运行为例，利用以上程序，模拟该段管道沿线蜡沉积分布规律与经济清管周期。铁岭—新民全线距离92.19 km，输量

4 000 t/d，冬季低温-5 ℃。其他相关数据如下：管径：720 mm×8 mm；原油热容：2 150 J/（kg·℃）；原油燃烧热：41 400 kJ/kg；原油价格：3 200元/t；加热炉的效率：88%；泵效率：81%；电费：0.60元/（kW·h）；一次清管费用：6 500元；20 ℃密度：852.5 kg/m3；最低进站温度：37 ℃；最高出站温度：67℃；蜡沉积层的导热系数：0.135 W/（m·℃）；管输原油结蜡速率[16]： ；黏温关系如图2所示；析蜡量与温度关系如图3所示。

通过程序计算得到铁岭—新民段冬季结蜡厚度沿线分布规律与日平均费用分别如图4，图5所示。

从图4可看出，铁岭站入口处结蜡厚度最大，沿线结蜡厚度不断减小。这是由于进站油高与管壁的温差大，随着原油向前流动过程中不断散热，原油与管壁温差变小，结蜡速率降低。从图5可看出，在现阶段油价和相应运行参数下，该段管线冬季的经济清管周期为80 d。

5 结束语

蜡沉积对热油管道的安全、经济运行有着重要的影响，国内外学者在蜡沉积机理研究的基础上，提出了很多蜡沉积计算模型。但是，能够直接适用于国内热油管道蜡沉积预测的并不多，直到文献[13]提出一种普适性的蜡沉积模型。目前，该模型已经被用来预测国内多条热油管道的蜡沉积情况。

任何一条管道，在安全的基础上都要求经济利益最大化，因此就有了经济清管周期概念的提出。笔者在借鉴普适性结蜡模型的基础上，引入经济清管周期计算模型，开发了含蜡原油结蜡厚度与经济清管周期预测程序，并以铁岭—新民段管线为例计算说明。

当然，该计算程序并未考虑清管之后余蜡厚度的影响。同时，由于季节参数的不同该程序还不能用来预测全年的结蜡情况，一次计算只能用来预测一个季度的情况。这些都是今后开发更普适性计算方法的方向。

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