原油不同比例混合输送过程中最小输量计算

杨 凯，丁 原，刘雨薇，刘凤荣，於日义



原油不同比例混合输送过程中最小输量计算

杨 凯1，丁 原2，刘雨薇1，刘凤荣1，於日义1

（1. 东北石油大学， 黑龙江 大庆 163318；2. 大庆油田总公司储运销售分公司， 黑龙江 大庆 163000）

随着大庆油田开采能力下降，油田产量的降低，庆哈输油新线为满足运行及下游生产的需要，采用进口俄罗斯原油与大庆原油混输的方式，维持对哈尔滨炼化公司的持续供油。针对可能面临的低输量问题，对庆哈新建庆俄原油混合输送管道进行不稳定性分析，分别计算不同混合比例下不同站间管段全年的热力和水力最小安全输量，以确保庆哈输油新线在输量减少、输油比例不断变化的情况下安全平稳运行。

热油管道；混合原油；最小输量；安全

随着大庆油田产量的逐年递减，油田外输管道将面临低输量运行形势［1］。当热油管道的输量下降时，原油在管内的流速也会减慢，管内原油的散热速度加快，导致轴向温降加大。而我国所盛产的原油普遍为高凝点、高粘度原油，在低温输送时，其流动性也也较进口原油差。当热力条件变差，管道会很快陷入输量减小反而摩阻增大的不稳定工作状态，随时可能发生凝管、停输的危险［1， 2］。

庆哈输油管道新线2014年11月正式投产运行，起点为浦北首站，终点为哈尔滨炼油厂。管内所输原油为大庆原油和俄罗斯原油按比例混合后的原油。全线共设有四座输油站，分别是首站、中一站、中二站和末站。管线全长199.73 km，管径主要为φ377 mm×7.1 mm和377 mm×6.3 mm两种形式。管道的年设计输量为（200～300）×104t/a，设计最高压力为6.3 MPa，实际最高运行压力为5.8 MPa。

已经投产运行的管道，其各热站、泵站的供能是相对固定的，只能做适当调整，唯有输量在管道设计内，才可以确保管道运行的可靠性。管道的实际运行输量越偏离设计值，也就越不能保证管道安全地运行［1-3］。对于不同油品混输的管道而言，在总输量的递减的情况下，管道中所输油品的混合比例也将发生变化，导致混合原油的物性输也随之改变，也就会使原有的相关运行参数较之前有所不同。因此，有必要对低输量热油管道进行不同工况下最小输量的安全性分析，本文选取 1∶2（俄罗斯原油：大庆原油）、1∶3（俄油：庆油）两种混合比例原油进行研究，分别计算管道不同月份的最小安全输量，以保证管道的安全平稳运行。

1　影响参数计算

1.1管道周围环境温度计算

运用传热学的相关知识，根据已知的大气温度来推算土壤周围温度随深度和时间的变化趋势：

其中：

式中，Ta为年平均气温；Tamax为日平均最高气温；τ为从日平均最高气温当日开始计算的时间；αa为土壤和大气间的传热系数。用上式求得全年管道周围环境温度如图1所示：

图1　管道周围土壤环境温度Fig.1 Ambient temperature of the soil around the pipe

1.2总传热系数K值计算

总传热系数K值是热油管道的热力计算模型中最为关键的影响因素［4］。对埋地保温管道而言，K值主要由管道与土壤间的放热系数，管道上保温层的导热系数决定，这些都难以得到准确的计算。本文主要结合输油管道现场的基础数据以及实际运行生产数据，运用反算差值的方法对管道的总传热系数进行计算。插值多项式可表示为：

应用上述方法对输油管线各站间输油管段不同月份的传热系数进行计算，计算结果如表1所示：

表1　不同管段不同月份总传热系数Table 1 The annual hydraulic minimum safe transportation of the Qingha oil pipeline

续表

2　不同混合比例下最小输量计算

2.1热力条件下最小输量计算

在已知管道的长度LR、环境温度T0、管外径D、总传热系数K以及油品的最高出站温度TRmax、最低进站温度TZmin的情况下，可按下式对埋地热油管道的热力条件下允许的最小输量Gmin进行计算：

对于一条已经建成的混输热油管线而言，其热力条件允许的最小输量Gmin主要受到以下三方面的因素影响。首先是不同季节的影响，导致管道热力条件下允许的最小输量随着不同月份在不断发生变化，如冬季气温的降低，从而管道环境温度 T0下降，夏季土壤湿度的增大，使得总传热系数K值变大，这些都会导致Gmin增大。其次是混合比例的影响，原油的混合比例发生变化，会使原油的凝点、粘度等流变性发生改变，Gmin也会随之变化。最后由于各站间距lR的不同，K值也就不同，也会影响Gmin的大小。

因此，在计算热力条件最小输量时，应选取不同时间、不同混合比例以及不同管段作为研究对象进行计算，最终选取最大值作为管道全线热力条件不同混合比例油品输送过程中允许的最小输量。计算结果如图2-4。

（1）首站-中一站

图2　首站-中一站不同混合比例下全年热力最小安全输量Fig.2 The first station-Zhongyi station annual thermodynamic minimum safe transportation quantity under different mixing ratio

（2）中一站-中二站

图3　中一-中二站不同混合比例下全年热力最小安全输量Fig.3 Zhongyi station-Zhonger station annual thermodynamic minimum safe transportation quantity under different mixing ratio

（3）中二站-末站

图4　中二站-末站不同混合比例下全年热力最小安全输量Fig.4 Zhonger station-terminal annual thermodynamic minimum safe transportation quantity under different mixing ratio

比较各个个站间管段各个月份的最小输量，选取其中最大值为各个月份热力条件下管道允许的最小输量。

2.2水力特性最小安全输量计算

热油管道运行过程中，会出现管内输量降低但水力摩阻不降反增的情况［5］，这时管道的实际运行已进入不稳定工作区状态。所以在计算管道的最小输量时，除考虑热力条件下的最小输量外，还应综合考虑避开管道运行的不稳定工作区时的最小输量，即管道特性条件下允许的最小输量。由于热油管道中热力和水力相互影响，使得压降随流量的变化与等温管道有所不同。当油品的出站温度一定时，管道的工作特性曲线可以分为三个区域。如图5所示，图中Ⅱ区与三区的分界点处流量叫做分界流量，即所要计算的管道特性条件下的最小输量。

根据热油管道稳态运行时的热力水力计算模型，选取管道埋地处土壤的各个月份最低温度为管道计算的环境温度，对比每种混合比例在不同管段不同月份下的管道工作特性曲线，选取每个月份各个管段分界流量的最大者，即为管道全线该种比例下在该月的管道水力特性允许的最小输量。统计结果（1-12月）如表2所示。

图5　热油管道的工作特性曲线（u为粘温指数）Fig.5 The operating characteristic curve of hot oil pipeline （u is the viscosity index）

表2　庆哈输油管道全年水力最小安全输量Table 2 The annual hydraulic minimum safe transportation of the Qingha oil pipeline　　　m3/h

2.3管道全线的最小安全输量

根据上面对管道热力、水力最小安全输量的计算结果，从管道实际运行的安全考虑，取二者中较大的输量作为管道运行的最小安全输量，并以此确定管道全年不同时间上每种混合比例原油输送过程中的最小安全输量根据此方法可以确定管道全年不同月份的最小安全输量，用以指导实际生产运行。计算（1-12月）结果如表3所示。

表3　庆哈输油管道全年最小安全输量Table 3 The annual minimum safe transportation of the Qingha oil pipeline　　　m3/h

3　计算结果分析

从水力和热力两方面进行研究计算，确定管道不同混合比例下全年最小安全输量，计算结果表明，八月份的值最小，1：2（俄：庆）比例时为53.9（m3/h），1：3（俄：庆）比例时为57.7（m3/h）；二月份值最1：2（俄：庆）比例时为 93.4（m3/h），1：3（俄：庆）比例时为 97.5（m3/h）。随着混合原油中进口原油的增加，管道允许的最小输量随之减小。

4　结 论

以管道的最高出站油温和最低进站油温为初始条件，建立了管道热力最小安全输量计算方法。在考虑原油流变性的基础上，结合管道水力特性，以避免进入不稳定工作区为判别标准，最终得到了管道水力最小安全输量计算方法。

综合考虑管道的水力、热力特性，计算给出了庆哈输油管道不同管段全年不同月份的最小安全输量，在此基础上，最终给出了庆哈输油管道全年的最小安全输量，为管道的安全运行提供技术指导。

［1］ 曹喜文. 原油外输管道低输量运行技术研究［D］.大庆石油学院，2010.

［2］ 缪娟，吴明，刘建锋，郑平. 热油管道低输量运行的安全分析及评价［J］. 油气储运，2007，12：7-11+62+71.

［3］ 牛军强，张玉香. 花格管道低输量运行分析及研究［J］. 中国石油和化工标准与质量，2011，02：185-186.

［4］ 杨筱蘅. 输油管道设计与管理［M］. 北京：中国石油大学出版社，2006.

［5］ 张凤桐.含蜡原油管道流动特性研究［D］.哈尔滨工业大学，2007.

［6］ Pengfei Yu，Jinjun Zhang，Bo Yu，Yi Wang，Guojun Yu，Jinjia Wei. Study on Low Flow Rate Operating Characteristics of Hot Waxy Crude Oil Pipelines Based on an Unsteady-State Calculation Method［J］. Advances in Mechanical Engineering，2014.

［7］ Ricardo Dunia，Antonio Campo，Rodolfo Guzman. Study of pressure and temperature developing profiles in crude oil pipe flows［J］. Journal of Petroleum Science and Engineering，2011：782.

［8］ 李玉春. 海拉尔油田集输油管道安全运行技术研究［D］. 大庆：东北石油大学，2011.

［9］ 徐双友，刘斌. 原油管道安全停输时间影响因素分析［J］. 当代化工，2014，07：1353-1356+1360.

Calculation of the Minimum Throughput of Crude Oil in Different Proportion of Mixed Transportation

YANG Kai1，DING Yuan2，LIU Yu-wei2，LIU Feng-rong1，YU R-iyi1
（1. Northeast Petroleum University ， Heilongjiang Daqing 163318，China；2. Daqing Oilfield Company Storage and Transportation Branch， Heilongjiang Daqing 163000，China）

With decrease of the exploitation ability of Daqing oilfield， the oil field production reduces. In order to meet the needs of operation and downstream production， the new oil line of Qingha adopts the imported Russian crude oil and Daqing crude oil mixed transmission to maintain the continued supply of Harbin Petrochemical Company. In view of the low throughput problem that may be faced， the stability analysis of the new Russian crude oil mixed transportation pipeline was carried out， the thermal and hydraulic minimum safe transport capacity of different stations under different mixing ratios were calculated to ensure that the new oil line of Qingha will be safe and stable operation.

oil pipeline； mixed crude oil； minimum throughput； security

杨凯（1991-），男，黑龙江省大庆市人，在读硕士研究生，就读于东北石油大学石油与天然气工程（全）专业，研究方向：油气储运。E-mail：yangkai2012@sina.com。

TE 832

A

1671-0460（2016）05-1086-04

中国石油科技创新基金，项目号：2014D-5006-0607。

2016-03-24