长输原油管道能耗关键影响因素研究

梁宏宝 马百涛 姜 勇 李 博

(1.东北石油大学机械科学与工程学院；2.北京油气调控中心)

长输原油管道能耗关键影响因素研究

梁宏宝*1马百涛1姜 勇2李 博1

(1.东北石油大学机械科学与工程学院；2.北京油气调控中心)

对长输原油管道的能耗进行数学建模，通过实例分析了影响长输原油管道能耗的主要因素和变化规律。提出了降低管道能耗的具体措施，有效降低了长输原油管道的运行费用、提高了经济效益。

原油管道 能耗 数学建模 运行成本

管道运输是运输原油的主要方式，截止2013年12月，我国油气管道总长度达到8.70万公里，其中，天然气管道约4.85万公里，原油管道约2.31万公里，成品油管道约1.53万公里。输油管道的运行是一个复杂的过程，它受到出站温度、管线环境状况及油品的粘温关系等影响[1,2]。长输管道在运行的过程中，各种因素对能耗的影响各不相同，为了降低长输原油管道的能耗，许多国内外的专家和学者对热油管道的优化进行了大量的研究，取得了一定进展。针对我国输油管道的不同工况，一些研究人员从目标函数、决策变量及约束条件等方面进行研究[3]。但是，研究人员在降低原油管道能耗方面，并没有对原油管道运行过程进行能耗的具体分析与计算。为此，笔者通过实例分析管道能耗费用的主要影响因素，并给出优化运行措施。

1 建立长输原油管道能耗的数学模型

1.1长输原油管道的稳态轴向温降

原油管道运输过程中，当原油进入管道之前需要在加热站加热，以便运输顺畅，要保证当加热到一定温度时，原油在流动过程中向管道外散发热量后，原油的温度仍不会太低。当原油经过加热站后，再经过泵站加压，以便保证原有的流速。假定原油管道的流量和原油物性不变时，管道沿程的温度分布可表示为：

TL=(T0+b)+[TR-(T0+b)]e-aL

(1)

式中b——与摩擦有关的系数；

c——均温下原油的比热容，J/(kg·℃)；

D——管道外径，m；

G——原油的质量流量，kg/s；

i——油流的水力坡降；

K——管道的总传热系数，W/(m2·℃)；

L——管道加热输送长度，m；

T0——周围介质温度，℃；

TL——距起点为L处的油温，℃；

TR——管道起点油温，℃。

若忽略摩擦的影响，令b=0，代入式(1)可以得到苏霍夫公式：

TL=T0+(TR-T0)e-aL

(2)

1.2热能消耗的计算

原油经过加热站时，加热站中的加热炉对原油进行加温、加压以保证油流运输流畅。加热站燃料一般采用原油或油渣。加热站的热能消耗也是能耗的重要组成部分[4,5]。加热站的有效热负荷计算公式为：

q=Gc(TR-T0)

(3)

加热站工作过程中，在t时间(单位h)内，燃料油的消耗总量和把10kt原油输送1km的距离所消耗的燃料总量的计算公式分别为：

(4)

式中c——均温下的油品比热容，kJ/(kg·℃)；

E——燃料油低位热值，kJ/kg；

TR——出站温度,℃；

TZ——进站温度,℃；

η——加热系统效率。

1.3原油管道的摩阻计算

经加热站加热的原油在管道里面流动时，需要进行摩阻计算。过去人们计算原油管道摩阻的时候,一般根据平均温度法将原油的物性参数当做定值,同时忽略流态变化的影响，以及流型转变的影响,在这样的情况下必然会带来一些计算误差。笔者考虑到流态和流型因素会随着油温以及外界温度的变化而变化,从而对加热站间管路的摩阻损失计算进行了区间划分并且采用了数值解法。热油管道的摩阻计算公式为。

(5)

式中d——管道内径，m；

Q——体积流量，m3/s；

v——油品运动粘度，m2/s。

在式(5)中，达西参数A、β、m的值不是固定的，是随流态和流型的变化而变化的，它们的数值以及各流态区沿程摩阻的计算式见表1。

表1 不同流态时A、m、β值

注：Re1=59.5/ (ε8/7)；Re2=(665-7651gε)ε；ε=2e/d；e为管面平均绝对当量粗糙度，m。

1.4动力能耗的计算

机械能消耗的大小由原油管道的高差和管道输送原油时的摩阻损失所决定。管道运输原油的过程中主要就是电的消耗量，泵提供给单位质量原油的有效能头为：

(6)

式中hf——沿程摩阻损失,m；

hmi——各站站内摩阻,m；

ZQ——管段起点处高程,m；

ZZ——管段终点处高程,m。

泵的有效功率为:

(7)

式中h——扬程,m；

N有效——泵的有效功率,kW；

Q——泵排量,m3；

ρ——原油密度,kg/m3。

2 原油管道能耗的影响因素的研究

2.1加热原油管道热能消耗的影响因素

燃料油单耗是加热管道热能耗的主要影响因素之一，它不但取决于加热炉的效率，而且还受到管道输入量输出的影响。燃料油单耗计算公式为：

(8)

(9)

从式(9)可以看出：当进站温度不变的情况下，油单耗与(TZ-T0)的关系是成正比的，与加热炉的效率η成反比关系。经过分析可以知道，长输原油管道影响油单耗的因素主要包括原油实物输入量和输出量、介质的温度、加热炉的有效功率。长输原油管道输入量和输出量越大，介质温度越高，加热炉的效率越高，燃料油单耗越低。通过分析可以得出如下结论：

a. 长输原油管道的输入量变化对热能的消耗有一定的影响。当长输原油管道进站油温为一个固定值时，假设在原油其他物性参数不变的情况下，如果原油管道的原油输送量减少，原油的出站油温变高，整个管路的沿程热损失会增大，加热炉的燃料油消耗量也会随之升高。

b. 温度变化对热能的消耗有一定影响。在季节性的温度变化过程中，地下长输原油管道周围介质的温度也会改变，使得长输原油管道的散热发生了改变，从而使得长输原油管道的能耗发生改变。当长输原油管道周围介质温度上升时，长输原油管道热能的消耗会降低，当原油管道周围介质温度降低时，长输原油管道热能的消耗会有所提高。同时，长输原油管道的总传热系数对原油管道的热能消耗也有一定的制约。

2.2原油管道动力消耗的影响因素

电单耗是影响原油管道动力消耗的主要因素之一，电力的消耗同时受到多方面因素的制约，包括流量、粘度、泵效率、电机效率、雷诺数及密度等。电单耗计算公式为[6]：

(10)

(11)

从式(11)可以看出，对于水平的长输原油管道来说，电单耗跟原油的流量Q2-m和原油粘度vm是成正比关系的，同时，与泵的效率η1和电机效率η2成反比关系，原油管道中的原油在水力光滑区m的值为0.25。原油的粘度与输送量对电单耗有一定影响。输送量对电单耗的影响比粘度对电单耗影响大得多。对于有部分大落差的原油管道来说，为了克服高程差所消耗的电单耗可以看作是一个恒定值。原油流量的变化对动力消耗有一定影响，含蜡的长输原油管道大部分都工作在湍流的水力光滑区，所以会使泵的电耗增大，当雷诺数值变大时，管道原油输送量会加大对摩阻的影响。原油的粘度、密度和油品物性对长输原油管道动力消耗的影响较大。当原油的粘度变大时会导致摩阻损失也变大，耗电量也会上升。当原油的输送量为一定值时，原油的粘度决定摩阻损失的大小；输送原油的温度决定原油粘度；原油输送量的大小和原油管道周围介质温度的高低决定原油粘度的大小。

3 实例分析

以秦京线长输原油管道为例，进行电单耗、油单耗影响因素的量化分析。原油管道全长为330km，原油管径529mm，壁厚8mm，材料70#钢，原油管道沿程建有6个电机驱动的泵站，6个燃油的加热站，原油管道的设计输送量为6Mt，在计算时取原油密度为850kg/m3。原油管道的基本参数见表2。

表2 管道的基本数据

3.1电单耗影响因素分析和控制方法

在原油管道的运输过程中，伴随着原油温度的变化，其粘度也会变化，对电单耗的影响很大，定量地分析秦京线原油输送量、原油粘度等因素对电耗的影响，得出其变化规律。

3.1.1原油输送量变化对电单耗的影响

假定介质温度、海拔及泵效率等因素一定时，得到的原油输送量变化对电单耗的影响见表3。

表3 不同输送量下的电单耗

可以看出，原油管道的原油输送量增加10%时，电单耗增加约17%。所以，为了降低原油管道原油输送能耗，在原油管道设计的过程中，应优先把原油输送量对电单耗的影响考虑在内，同时要对设计好的原油管道进行优化设计，选定合理的管理流程[6]。

3.1.2粘度变化对电单耗的影响

长输原油管道在运行的过程中，原油的粘度对电单耗的影响也是很大的，在其他外界因素不变的情况下，得到粘度的变化对电单耗的影响见表4。

表4 不同粘度下的电单耗

当秦京线原油管道中的液体粘度为1.5×106m2/s时，油流处在混合摩擦区。在混合摩擦区里会使一部分能量浪费掉，从表4可以看出，当原油流态处于水力光滑区时，原油粘度增加10%，电单耗增加约2.2%。所以，在原油管道运输过程中应适当控制油流温度，控制油流温度也就控制了油的粘度，使油的粘度值最适宜，从而可以降低电单耗，节约管道的运行费用。

3.2油单耗影响因素分析与节能措施

假定秦京线的各进站温度为定值(35℃),地温取17℃，原油比热容取2.2kJ/(kg·℃),原油的低位热值取42MJ/kg，加热站加热系统效率83%，原油管道总传热系数为1.96W/(m2·℃)。在热力学计算过程中忽略摩擦热的作用，利用苏霍夫公式进行热力学计算。

3.2.1输送量变化对油耗的影响

长输原油管道在运行的过程中，原油管道的输油量对油单耗的影响很大，在其他外界因素一定的条件下，得到输送量变化对油单耗的影响见表5。

表5 不同输送量下各站出站温度和油单耗

可以得出：年输送量对油单耗的影响很大，当输送量增加9%时，油单耗降低约8%。因此，适当的控制输送量可以降低油单耗。

3.2.2地温变化对油单耗的影响

地温是影响原油运输能耗的重要因素，其他因素不变的情况下，得到地温变化对油单耗的影响见表6。

表6 不同地温下各站出站温度和油单耗

可以看出：当外界的介质地温从0℃增加到10℃时，会使油单耗降低约29%；当外界的介质地温从10℃增加到20℃时，油单耗降低约40%；当外界的介质地温从20℃增加到30℃时，油单耗降低约75%。由此可得，地温对原油管道的能耗的影响非常明显。所以，为了有效降低原油管道的能耗，在原油输送过程中，使终点站油温高于原油自身凝固点，可以很好地达到节能效果，在具体实施操作方法上可以运用逐次降温的方式。

4 结论

4.1原油管道运输中，应使终点站的原油温度略高于原油自身凝固点，可以有效降低能耗。

4.2适当的控制原油的输送量可以降低油单耗，输送量增加10%，油单耗降低约10%，电单耗增加18%。输送量越大、地温越高、加热炉效率越大，油单耗越低。

[1] 李云杰.油气管道能耗测算方法研究[D].青岛：中国石油大学(华东)，2009.

[2] 李晓宇.原油管输能耗预测方法研究[J]. 油气储运，2009，28(6)：64～68.

[3] Churskovs S K，Nesterov I D，Bogstykh K F.Methods of Reducing Energy Consumption at the Partial Crude Oil Topping Stage[J]. Chemistry and Technology of Fule and Oils,2013,49(1):6～9.

[4] 刘冰.油气管道能效管理[M].北京:地质出版社，2011.

[5] 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.

[6] 林国华．有关原油管道热损失的探讨[J]．油气储运，1986，5(2)：61～64．

AnalysisofFactorsInfluencingEnergyConsumptionofCrudeOilPipelines

LIANG Hong-bao1, MA Bai-tao1, JIANG Yong2, LI Bo1

(1.CollegeofMechanicalScienceandEngineering,NortheastPetroleumUniversity,Daqing163318,China;2.PetroChinaOil&GasPipelineControlCenter,Beijing100101,China)

The mathematical modeling of the energy consumption of oil long-distance transmission pipeline was implemented and the main factors which affecting the energy consumption and its change rule were analyzed so as to propose the specific measures to reduce energy consumption and operating cost of the pipeline as well as improve its economic benefits.

crude oil pipeline, energy consumption, mathematical modeling, operating cost

*梁宏宝，男，1966年8月生，教授。黑龙江省大庆市，163318。

TQ055.8+1

A

0254-6094(2016)03-0311-05

2015-07-01)