试验数据相似性修正减阻效果预测模型

2019-01-29王小丹王寿喜

天然气与石油 2018年6期

王小丹王寿喜

1. 陕西延长石油集团山西销售有限公司, 山西太原 030006;2. 西安石油大学石油工程学院, 陕西西安 710065

0 前言

使用减阻剂作为一种短时间的应急措施具有优越性,但对需长期进行加剂运行的管道而言,减阻剂需求量较大,其经济效益会明显折损[6]。这是因为目前还没有准确评价减阻效果的机制,在设计和操作运行计划中无法主动考虑减阻剂的应用、管网系统结构的优化、工艺和操作运行方案的实施等问题,易造成减阻剂过度使用,不仅会降低管输经济性,也会影响油品质量,不利于日常操作管理。因此,对减阻效果的预测研究显得尤为重要[7-9]。

针对已有减阻效果预测模型在应用中的诸多问题[10-14],本文综合考虑减阻效果的影响因素,采用相似性分析方法,提出基于试验数据修正的减阻效果预测模型[15-17]。通过对现场加剂运行试验数据的分析,考虑在已有模型基础上引入与减阻剂种类、管径、油品黏度相关的修正因子,将预测模型的试用范围缩小至成品油与原油管道两个应用区块。对于同一区块下的预测模型,其待定系数确定,应用时只需将模型应用条件下的油品黏度、管径、管道运行流态(即雷诺数)、加剂浓度等已知量代入，即可进行预测,大大降低了基于经验公式进行减阻效果预测的复杂度,同时模型参数具有横向延用性,无需针对不同工况分别进行求解,即扩大了预测模型的适用范围,同时提高了预测模型的通用性。

1 减阻效果相似性预测模型

对于目前已有的减阻效果预测模型,针对其考虑的影响减阻效果因素的不同,可将其分为与摩阻系数有关的模型以及与雷诺数有关的模型,将二者综合起来可得减阻效果预测模型，见式(1)～(2)。

f=f0(1-DR)

(1)

(2)

式中:f为加剂前的摩阻系数;f0为加剂后的摩阻系数;DR为减阻率;Re为雷诺数;N、A、B为模型待定系数;C′为减阻剂有效体积浓度。

上述模型针对雷诺数与加剂浓度对减阻效果的影响,但没有考虑运行管道情况与输送介质的影响。为扩大该模型的适用范围,获得精度更高的预测模型,在对原模型进行变形处理后,同时将管径与黏度的影响引入模型中,并对二者进行相关的指数修正。综合以上得到考虑了管径与黏度修正的减阻效果预测模型:

(3)

减阻剂有效浓度通过式(4)求得:

Cn=De·Cn0

(4)

式中:De为降解率(取值范围为0～1);Cn0为减阻剂未发生降解前的加剂浓度。

不同的设备,降解率求解方法不同,可参照表1进行计算。

考虑到管道过流部件对减阻剂的剪切稀释性,通过求解降解率来分析减阻剂的性能降解。但一般情况下,降解率系数较难求得,只能通过现场试验数据求解[18-20]。

表1降解率计算方法

项目降解率长距离管道De=1-exp -x/(DRC/100) 短管道De=e-kt泵经验或实验阀门(闸阀、球阀、截止阀、控制阀)经验或实验注:x为通过的距离,m;DRC为降解率系数;t为加剂时间,h。

2 加剂运行试验数据类比分析

为求解减阻效果预测数学模型,需要获取有效现场试验数据。文中模型所用数据来源于中国石油西部管道公司前期所进行的加剂运行试验的现场数据。运行管道分别是输送原油的阿独线、乌鄯线、库鄯线以及输送成品油的独乌线,现对各管道的试验情况作简单介绍。

2.1 现场试验数据预处理

2.1.1 原油管道加剂运行数据

在原油管道中,阿独线加注C型、B型和I型减阻剂,乌鄯线及库鄯线加注C型减阻剂。在全部的试验数据中,以未加剂的运行参数作基础值,通过上半段加剂满线与全线满线的数据,求得实际雷诺数、摩阻系数、压降以及减阻率的值,以此作为数学模型建立以及比对的基础，计算结果见表2。

2.1.2 成品油管道加剂运行数据

2.1.2.1 现场数据汇总

表2原油管道现场试验数据处理结果

管道减阻剂类型试验时间浓度/(10-4%)输量/(Q·m-3·h-1)摩阻系数雷诺数压降/MPa减阻率/(%)阿独线C型2011-03-18～2011-03-23101 8460.015 967 7181.95334.2B型2011-03-27～2011-04-01101 7740.018 865 9991.16421.8I型2011-04-05～2011-04-10101 7910.017 166 6131.98424.7C型2011-12-21～2011-12-276.51 7680.0260 0222.25427.9乌鄯线C型2013-04-28～2013-05-06301 0110.02659 1061.76822.3库鄯线C型2013-05-17～2013-05-23107240.03110 4503.77013

表3成品油管道现场试验数据处理结果

浓度/(10-4%)运行工况流量/(Q·m-3·h-1)雷诺数摩阻系数压降/MPa减阻率/(%)15加剂满线736.5139 6240.016 81.05262.4Re1615.6116 6920.017 40.86557.3Re2482.891 4560.018 30.65350.2Re3382.272 3670.019 30.48244.18加剂满线689.04128 9500.017 11.11755.1Re1588.94110 1700.017 60.92650.6Re2473.4988 5360.018 40.63749.8Re3366.3568 5020.019 50.48539.55加剂满线658.37149 1330.016 62.30051.4Re1569.7129 0480.017 12.17540.4Re2454.47102 9460.017 91.50238.2

将原油管道与成品油管道现场试验数据中雷诺数与减阻率的关系汇总，见图1。

图1 现场试验数据中雷诺数与减阻率的关系汇总

2.1.2.2 数据不确定分析

为获取质量较高的成品油管道加剂运行数据,现场加剂运行试验过程力求避免由于环境、人为等外界因素对试验造成的干扰,对油品黏度的测量按照标准工况的测量要求进行。而在加剂满线时,为获取不同雷诺数下的加剂运行数据,在首站通过三次调节节流阀,使流量逐步减小,直到泵正常运行所允许的最小流量,这一过程会造成加剂工况的振动,首末站各测量仪表所计量得到的数据会产生较大波动,因此会造成加剂运行数据不稳定性,对模型预测带来一定误差。

2.2 现场试验数据分析结果

对现场运行数据进行预处理后,为对影响管道加剂运行效果的因素进行量化分析,结合现场加剂运行情况,分别探讨流态、减阻剂种类、加剂浓度以及管线特性对减阻效果影响情况。

2.2.1 湍流程度对减阻效果的影响

经初步计算可发现,在同一加剂浓度下,运行流体的雷诺数减小,摩阻系数随之增大,沿程压降减小,减阻率减小。即在一定雷诺数范围内,管道的湍流程度大小与减阻效果成正比。

图2 独乌线加注B型减阻剂湍流程度与减阻率关系

2.2.2 减阻剂种类对减阻效果的影响

2011年3～4月，对阿独线进行三批现场加剂试验,分别加注等浓度的B型、C型、I型减阻剂,不同种类减阻剂减阻效果见图3,对于同种原油I型减阻剂减阻效果稍优。

图3 2011年3～4月阿独线减阻剂加剂过程趋势

2.2.3 加剂浓度对减阻效果的影响

图4 2013年4～5月乌鄯线加注C型减阻剂试验过程

2.2.4 运行管道对减阻效果的影响

3 模型参数的确定

对现场数据进行分析,可知油品种类、运行管道的水力特性(即雷诺数)以及加剂浓度等因素都会影响减阻效果,为降低管径、黏度修正指数、降解率系数以及模型待定系数的求解难度,本文分别从原油管道与成品油管道两方面来研究。

3.1 管径与黏度修正

3.1.1 基准参数

模型中管径与黏度修正需要一组基准值作为参数比拟,为使修正指数更符合现场实际,本模型选取现场试验数据情况较好的管道与油品作为该基准值,具体取值如下:

原油管道:d0=795.6 mm;υ0=13×10-6m2/s;

成品油管道:d0=412 mm;υ0=3.683×10-6m2/s。

3.1.2 相对指数

相对管径指数和相对黏度指数通过调试取得,使不同管道和不同黏度油品的试验数据点在“雷诺数-减阻率”图以及在“加剂体积浓度-减阻率”图上排列在同一曲线附近。对于原油与成品油管道分别可得到表4中的相对指数值。

表4相对指数值

管道管径相对指数黏度相对指数原油-0.31.2成品油00.3

3.2 降解率系数的求解

3.2.1 原油管道

对数据进行处理后,可分别得到管道上、下半段的平均减阻率,并使用此值反算降解率系数,得到初值后,再通过适当微调使公式计算结果与实际值的平均误差为最小。通过对阿独线、库鄯线、乌鄯线加剂数据分析,最后反算出的降解率系数见表5。

表5原油管道降解率系数列表

管道减阻剂类型降解率系数DRC/(1·km-1)阿独线K型B型I型1.15×10-3+4.5×10-4×(Cn0-5)1.15×10-3+8.1×10-4×(Cn0-5)库鄯线K型1.15×10-3+10.7×10-4×(Cn0-5)乌鄯线K型1.15×10-3+32.5×10-4×(Cn0-5) 注:Cn0为初始加剂体积浓度。

经过调压阀的降解率系数,可以根据库鄯线试验的调压阀压降,上、下半段平均减阻率,同时考虑沿长度方向的降解率系数得到:DRC=3.32×10-2(1/MPa)

3.2.2 成品油管道

通过对独乌线加剂数据分析,反算出降解率系数见表6。

表6成品油管道降解率系数