不加热输油管道最佳清管周期影响因素研究

李传宪， 黄晨醒， 郁振华， 杨 飞

(1.中国石油大学(华东) 储运与建筑工程学院，山东 青岛 266580； 2.中国石化管道储运有限公司，江苏 徐州 221000)

不加热输油管道最佳清管周期影响因素研究

李传宪1， 黄晨醒1， 郁振华2， 杨 飞1

(1.中国石油大学(华东) 储运与建筑工程学院，山东 青岛 266580； 2.中国石化管道储运有限公司，江苏 徐州 221000)

通过室内蜡沉积实验，建立了适用于杰诺原油的蜡沉积模型，并在满足安全运行的基础上，以日平均动力费用及日平均清管费用的总和即日平均运行成本为目标函数，建立了不加热输油管道的清管周期模型。结合临濮线临邑至赵寨子的站间运行数据，分析了不同出站温度、输量和季节对管道最佳清管周期的影响。结果表明,出站温度的降低会使管道日平均运行成本增加和最佳清管周期延长，输量的增加会使管道日平均运行成本增加和最佳清管周期缩短，地温的升高会使管道日平均运行成本先减小后增大，最佳清管周期延长。

蜡沉积模型； 不加热输油管道； 蜡沉积； 清管周期

目前，中国陆上原油、成品油管道总里程超过4万公里[1]，其中在输送轻质低凝点原油和轻质成品油时，常采用不加热输送方式[2]。在管道运行过程中，管内油温受到大气温度、沿线地温以及摩擦温升的影响而不断变化，导致油壁温差的产生。根据分子扩散机理，对于输油温度低于析蜡点的不加热输油管道，常存在结蜡问题。

结蜡问题是保证输油管道安全与经济运行亟待解决的问题。蜡沉积使管道有效内径减小，输送能力降低，不及时清管作业会诱发蜡堵甚至全线停输的重大生产事故[3-4]。目前,国内外学者对结蜡问题的研究主要集中在结蜡机理[5-7],原油组成对结蜡的影响以及热油管道清管周期等方面[8-11]，未见对不加热输油管道清管周期的确定及影响因素的明确探讨。本文基于临濮线临邑-赵寨子站间管道的现场运行数据，计算得到了不同工况下不加热输油管道的最佳清管周期，并对清管周期影响因素进行研究，采用正交试验法判断出各因素对清管周期的影响次序。该研究对于保障输油管道安全高效运行，避免蜡堵等重大生产事故具有重要的意义。

1 模型的建立

1.1 结蜡模型

临濮原油管道全线长240.5 km，沿途有四座站场：临邑首站、赵寨子站、莘县站和濮阳末站，全程无翻越点。管材承压5.0 MPa，管径规格φ377 mm×7 mm，管道埋深为1.5 m。管道埋深处年平均最低温度出现在2月份，为9.8 ℃；年平均最高温度出现在8月份，为22.4 ℃。临邑-赵寨子站间管道的基础运行参数如表1所示。

表1 临濮线临邑-赵寨子站间运行参数Table 1 Parameters between Linyi and Zhaozhaizi stations of Linyi-Puyang pipeline

管道所输原油为杰诺原油，其20 ℃时密度为0.886 g/cm3，含蜡量质量分数为4.65%，凝点为5 ℃。根据DSC曲线计算不同温度段温降1 ℃析出的蜡量如图1所示。由图1可知，其析蜡点为29 ℃，在23 ℃达到析蜡最高峰。当温度高于23 ℃时，析蜡量随温升而急剧减小。当温度低于23 ℃时，析蜡量随温降而平缓减小。图2为杰诺原油黏温曲线。由图2可知，其反常点为21 ℃。

图1 温度对杰诺原油析蜡量的影响

Fig.1 Influence of temperatrue on wax content of Jienuo crude oil

本文基于黄启玉模型[12]，利用自行研发的Couette结蜡装置开展了对杰诺油的实验研究工作，通过FLUENT软件模拟了结蜡装置内部的流场及温度场，得到了适用于杰诺油的蜡沉积模型，如公式(1)所示：

式中，W为原油的蜡沉积速率，g/(m2·h)；τw为管壁处剪切应力，Pa；μ为管壁处原油的黏度，Pa·s；dC/dT为蜡晶在原油中的溶解度系数，即温降1 ℃析出蜡晶的质量分数，1/℃；dT/dr为管壁处原油的径向温度梯度，℃/mm。

由蜡沉积模型可知，蜡沉积速率受管壁处剪切应力、管壁处黏度、蜡晶溶解度系数和管壁处温度梯度的综合影响。

图2 杰诺原油黏温曲线图

Fig.2 The viscosity-temperature curve of Jienuo crude oil

1.2 清管周期模型

不加热输油管道运行时，管内蜡沉积层逐渐积累，沿程摩阻随运行时间的增长而增加，日平均动力费用不断升高。而日平均一次清管费用随着运行时间的增长而降低。因此，日平均运行成本在运行一段时间后存在最小值，对应的天数即为最佳清管周期。

管道运行第i天时，输油泵机组的单位动力费用Fdi(元/(t·km))如公式(2)所示[13]：

式中,ed为电力价格，元/(kW·h)；H为管道运行第i天时站间所需的压头，m；η1为电机效率；η2为输油泵效率；LR为站间距，km。

管道运行第i天时，单位清管费用Fqi(元/(t·km))如公式(3)所示：

式中,F1为一次清管费用，此处取为5 000元；Gd为日平均输量，t/d;LR为站间距，km。

假设清管周期为t天，则不加热输油管道在该时段内的日平均运行成本Ft(元/(t·km·d))如公式(4)所示：

式中,i为管道运行的天数，i=1,2,3,…,t。分别计算不加热输油管道不同运行时间内的日平均运行成本，其最低时对应的运行天数即为最佳清管周期。

最佳清管周期内，管道运行必须满足不凝管以及输油压力不超过管道承压等安全输送条件。临濮线运行时地温高于原油的凝点，因此不会发生凝油现象。将运行最佳清管周期时管道的输油压力设为Δpmax，与管道承压进行比较，以确定输油压力是否满足安全输送条件。

2 最佳清管周期影响因素分析

2.1 不同出站温度对最佳清管周期的影响

求解输量为7 000 t/d、地温为9.8 ℃，出站温度分别为30、27、24、21、18 ℃时的最佳清管周期，运行结果如表2所示。日平均运行成本随清管周期的改变如图3所示，日平均动力费用随清管周期的改变如图4所示。

表2 不同出站温度下运行结果Table 2 Operation results at different outlet temperatures

图3 不同出站温度下的最佳清管周期

Fig.3 Optimized pigging frequencies at different outlet temperatures

图4 不同出站温度下的日平均动力费用

Fig.4 Average daily power costs at different outlet temperatures

由图3可知，随着出站温度的降低，最佳清管周期逐渐增长。日平均一次清管费用随运行时间的变化规律一定，因此最佳清管周期的变化依赖于日平均动力费用的变化。根据杰诺原油结蜡模型，将结蜡速率随壁温的变化情况绘制成图，结果如图5所示。

图5 蜡沉积速率随壁温的变化

Fig.5 Effect of wall temperature on wax deposition velocity

随着出站温度的下降，整条管线的温度都有不同幅度的降低。由图5可知，处于析蜡高峰区的管段逐渐缩短。原因主要有以下几点：(1)剪切应力不断增大对沉积层表面的蜡晶结构破坏力增强。(2)黏度的增大使得原油中过饱和液态蜡分子向管壁处的迁移变得困难。(3)蜡晶溶解度系数缓慢减小，油流中析出蜡晶的能力减弱。(4)油壁温差减小导致温度梯度降低，液态蜡分子通过沉积层扩散的驱动力减弱。因此，整条管线的结蜡速率变慢。由图4可知，随着出站温度的降低，日平均动力费用-运行时间的斜率逐渐减小，这是因为出站温度的降低使管线结蜡速率降低，有效管内径的减小变慢，因此摩阻的增大变缓，达到日平均运行成本最小值的时间变长。也就是说日平均动力费用的斜率越小，最佳清管周期的时间越长。

2.2 不同输量对最佳清管周期的影响

求解地温为9.8 ℃，出站温度为27 ℃，输量分别为6 000、7 000、8 000 t/d时的最佳清管周期，运行结果如表3所示。日平均运行成本随清管周期的改变如图6所示，日动力费用随清管周期的改变如图7所示。

表3 不同输量下运行结果Table 3 Operation results at different throughputs

图6 不同输量下的最佳清管周期

Fig.6 Optimized pigging frequencies at different throughputs

图7 不同输量下的日平均动力费用

Fig.7 Average daily power costs at different throughputs

由图6可知，随着输量的增大，日平均运行成本逐渐增大，最佳清管周期逐渐缩短。输量增大，摩阻损耗增大，而清管费用不变，因此运行成本增加。为观察管线沿程摩阻变化情况，将管线等分为200份，计算并绘制运行50 d后管道每一小份的沿程摩阻，如图8所示，所有的距离指的是该点距离首站即临邑站的距离。

由图7可知，随着输量的增大，日平均动力费用-运行时间的斜率逐渐增大。分析如下，根据雷诺数及反常点可判断杰诺原油在管线中的流态变化依次为牛顿流体紊流、非牛顿流体紊流和非牛顿流体层流，其中处于牛顿流体紊流状态的流体摩阻与有效管内径的五次方成正比，对管内径的减小最敏感。由图8可知，随着输量增大，管道中处于牛顿流体紊流状态的比例增大，并且处于牛顿流体紊流状态的管段靠近管道出口处，结蜡速率较大，二者综合作用使管道总摩阻随运行时间的增大变化更快。因此，需要频繁清管来避免过高的泵机组费用。

图8 运行50 d后沿程摩阻变化

Fig.8 The variation of friction loss after operating 50 days

2.3 不同地温对最佳清管周期的影响

求解出站温度为27 ℃，输量为7 000 t/d，地温分别为9.8、14.1、18.0、22.4 ℃时的最佳清管周期，运行结果如表4所示。日平均运行成本随清管周期的改变如图9所示，日动力费用随清管周期的改变如图10所示。

由图9可知，当地温在18.0 ℃以下时，最佳清管周期在25 d左右，当地温高于18.0 ℃时，最佳清管周期增大。分析图10可知，地温在18.0 ℃以下时，日平均动力费用随运行时间的变化量相同，且随着地温的升高，动力费用先减小后增大。为进一步

分析其原因，作出管道运行50 d后，沿线蜡沉积速率及沿程摩阻的变化，如图11所示。

表4 不同地温下运行结果Table 4 Operation results at different soil temperatures

图9 不同地温下的最佳清管周期

Fig.9 Optimized pigging frequencies at different soil temperatures

图10 不同地温下的日平均动力费用

Fig.10 Average daily power costs at different soil temperatures

图11 运行50 d后沿程参数变化

Fig.11 The variation of wayside parameters after operating 50 days

随着地温的升高，管道中处于牛顿流体紊流区的比例不断增大(见图11(a))，同时沿线油壁温差减小，结蜡速率降低(见图11(b))，两者综合作用的结果是管道总摩阻随时间的变化量大致相同，最佳清管周期大致不变。当地温继续增大，管线全程处于牛顿流体紊流状态，但油壁温差过小使结蜡缓慢，管道摩阻随时间变化缓慢，最佳清管周期增大。地温升高，全线黏度减小，但处于牛顿流体紊流状态的油流比例不断增大且其摩阻大于非牛顿流体层流状态的摩阻，因此管线的总摩阻随着地温的升高先减小后增大。

2.4 多因素协同作用对最佳清管周期的影响

出站温度、输量和地温对最佳清管周期都有较大的影响，但多因素协同作用下对清管周期影响最大的因素还未可知。为探讨此问题，采用正交试验法，综合考虑三个因素协同作用对最佳清管周期的影响。在安排正交试验时，每个因素安排3个水平，制定3因素3水平的正交试验设计表L9(34)，模拟结果如表5所示。

为判断在三个因素中哪种因素对最佳清管周期的作用最为明显，需对上述正交试验结果进行极差分析，对于最佳清管模拟结果的极差分析如表6所示。

表5 正交试验结果Table 5 The results of orthogonal experiment

表6 各因素对最佳清管周期极差分析结果Table 6 Range analysis results of the three factors

以上结果表明，三个因素中输量的极差最大，其次为出站温度，极差最小的是地温。由此可知，影响最佳清管周期的各因素主次顺序为输量>出站温度>地温，输量的改变对最佳清管周期的影响最大，且最佳清管周期随出站温度的降低而增大，随输量的增加而减小，随地温的升高而增大。在实际运行中，避免出站温度过低、适当增大输量，都能有效避免频繁清管。

3 结论

(1) 不加热输油管道的最佳清管周期的确定依赖于动力费用随运行时间变化的斜率，流态和结蜡速率都会影响摩阻随时间的变化，具体表现为牛顿流体紊流区对有效管内径的变化更加敏感，管道中处于牛顿流体紊流区的比例越大摩阻变化越快，结蜡越快摩阻变化越快。

(2) 含蜡原油的最佳清管周期受出站温度、输量和地温等因素的影响，在仅考虑单因素的作用下，最佳清管周期随出站温度的降低而增大，随输量的增加而减小，随地温的升高而增大。

(3) 正交试验法的模拟结果表明，在多因素协同作用下，输量对最佳清管周期的影响最大，其次是出站温度，影响最小的是地温。在实际运行中，避免出站温度过低，适当增大输量都能有效避免频繁清管。

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(编辑 王戬丽)

Influence Factors of Optimized Pigging Frequency in Unheated Oil Pipelines

Li Chuanxian1, Huang Chenxing1, Yu Zhenhua2, Yang Fei1

(1.DepartmentofOil&GasStorageandTransportationEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,QingdaoShandong266580,China； 2.SINOPECPipelineStorage&TransportationCo.,Ltd.,XuzhouJiangsu221000,China)

A dynamic wax deposition model for Jienuo crude oil was established through laboratory wax deposition experiments. With safe operations ensured, taking the sum of average daily power and pigging costs(average daily costs of pipeline operation) as the objective function, a pigging frequency model for unheated oil pipelines was developed. Based on the operation data of Linyi-Zhaozhaizi stations in Linyi-Puyang pipeline, the influence of outlet temperature, throughput and soil temperature on optimized pigging frequency were analyzed. The results show that the average daily costs of pipeline operation will be increased while the pigging frequency will be extended with decreasing of the outlet temperature. The average daily costs of pipeline operation will be increased while the pigging frequency will be shortened with rising of the throughput, and the average daily costs of pipeline operation will be decreased first and then increased while the pigging frequency will be extended with increasing of the soil temperature.

Model of wax deposition; Unheated oil pipeline; Wax deposition; Pigging frequency

1006-396X(2017)03-0066-06

2016-12-05

2016-12-19

山东省自然科学基金项目(ZR2016EEM22)。

李传宪(1963-)，男，博士，教授，从事油气长距离管输方面的研究；E-mail：lchxian@upc.edu.cn。

杨飞(1979-)，男，博士，副教授，从事油气长距离管输方面的研究；E-mail：yf9712220@sina.com。

TE832

A

10.3969/j.issn.1006-396X.2017.03.012

投稿网址：http://journal.lnpu.edu.cn