武信成品油管道增设孝感混油罐分析研究

2019-07-26李鑫伟韦克斌

石油库与加油站 2019年2期

李鑫伟韦克斌

〔中国石化销售有限公司华中分公司湖北武汉 430023〕

1 管道概况

中国石化武汉—信阳成品油管道采用常温、密闭、顺序输送工艺，输送介质包括0号车用柴油、92号组分汽油和95号组分汽油。管道起点为湖北武汉油库，终点为河南信阳油库。武信成品油管道设计输量225×104t/a，全长235.4 km，管径Φ323.9×6.4(7.9)mm，设计压力为9.5 MPa。沿线设孝感和广水两个分输下载站。全线只有信阳末站设有混油下载及回掺设施，为300 m3的富柴罐和富汽罐各1座及2台Q额=10 m3/h的回掺泵。管道具体参数见表1。

表1 武信管道站场设置情况

2 问题描述

武信管道自2013年投入运行以来，连续稳定运行，在2013年11月份实现了0号普通柴油与0号车用柴油顺序输送，现武信管道进行92号组分汽油、95号组分汽油与0号车用柴油的顺序输送。由于武信管道全线只在末站信阳油库设立了混油接收和回掺处理装置，全线混油压力均集中在信阳末站，导致信阳站无法实现混油全回掺，需通过混油回拖才能保证正常输油。

基于上述问题，现计划在孝感站增设混油罐和混油回掺装置，通过孝感混油分输减少信阳混油压力，实现孝感站和信阳站混油全回掺。

3 理论分析

3.1 顺序输送混油产生的因素

两种油品在管内交替时，产生混油的因素主要有三个：一是管道横截面沿径向流速分布不均匀，使后行油品呈楔形进入前行的油品中，产生混油；二是管内流体沿管道径向、轴向造成的紊流扩散作用，紊流扩散过程破坏了楔形油头的分布，使两种油品混合，在一定程度上使混油段油品沿管子截面趋于均匀分布；三是混油段内不同油品间接的分子扩散，也促使沿管子截面混油趋于均匀分布。对于紊流强度不大或层流流动的管内流体，横截面上油品的混合过程主要是分子扩散的作用。

3.2 混油形成的过程

混油形成过程可由图1说明：如果管道从输送A油转为输送B油的时刻为t0，在此瞬间，两种油品的初始接触面O的左右两侧分别是纯油B和纯油A，接触面上的油品体积浓度为KA=KB=0.5，如图1中(a)所示。经过一段时间t=t2-t1，到时刻t1，油品A、B通过起始接触面相互渗透，在起始接触面两侧分别形成一段长为La1、Lb1的混油段，如图1中(b)、(c)所示在混油段内自右向左A油浓度逐渐减小,B油浓度逐渐增大，在任意截面都有KA+KB=1，初始接触面处仍然为KA=KB=0.5。到时刻t2，起始接触面两侧混油段分别加长，如图1中(d)、(e)所示，混油段内油品浓度变化趋于平缓。可以看出，当管内流速一定时，在某一时刻t，混油段内任一截面上的油品浓度与该截面距起始接触面的距离x及第二种油品的输送时间t-t0有关，如设t0=0，则有KA=f1(x,t)，KB=f2(x,t)，且KA+KB=1。

图1 混油过程示意图

3.3 混油长度计算

3.2.1 混油长度理论计算公式

在管道中顺序输送汽柴油时，因油品的粘度、管径、流速、管道长度不同，混油长度亦不同，混油长度可以用理论公式(1)计算：

(1)

式中C——混油长度，m；

Z——混油浓度系数；

L——管道长度，m；

V——平均流速，m/s；

DT——紊流扩散系数。

式(1)为由扩散理论推导的任意对称浓度范围内混油长度计算公式，其中，紊流扩散系数DT的计算方法如雅博隆斯基—系兹基洛夫公式(2)：

(2)

式中：νpj——两种交替油品运动粘度的算数平均值，m2/s；

Repj——按νpj和管内平均流速计算的雷诺数。

应用式(1)计算混油量时，要引入修正系数α。将式(2)代入式(1)得到：

(3)

式中：d——管道内径，m。

3.2.2变流速下混油长度计算

武信管道全线管径相同，但在顺序输送时存在变流速情况，不同流速时管道混油长度也不同，因此需对变流速情况下混油的长度计算进行分析。

假设一条成品油管道长度为L，管径为d，在距离起点L1位置处有一个分输点，分输点前流速为V1，雷诺数为Re1；分输点后流速为V2，雷诺数为Re2；混油经过距离L1的输送，形成混油长度C1。根据公式(3)得：

(4)

经过分输点后，管道流态发生变化，雷诺数变为Re2，混油扩散速度发生变化，新增混油若按下式(5)计算：

(5)

由于初始混油生成速度较快，按式(5)计算混油量较大。但管道流态发生变化，雷诺数变为Re2时已经生成一定长度的初始混油，对混油增长速度有一定的影响，按式(5)计算混油量，其结果远大于实际生成的量。若最终混油长度按式(6)计算：

(6)

则在管输距离L1之前，混油长度是按雷诺数Re2计算，与实际不符。因此，如何较准确地计算出管道分输后混油长度的变化，需引入当量长度的概念，即混油头经过距离L1的输送，雷诺数为Re1，形成混油长度C1；当流态发生变化，雷诺数变为Re2时，根据混油长度C1推算出，在雷诺数为Re2时形成C1长度混油的管道当量长度L′：

(7)

最终混油长度为：

(8)

3.4 孝感分输混油长度计算

武信管道顺序输送混油界面为92号汽油和0号车柴，其中92号汽油的运动粘度为0.6 mm2/s，0号车柴的运动粘度为4.5 mm2/s。体积浓度范围取5%～95%，其中武汉至孝感段流量为360 m3/h，孝感至信阳段流量为220 m3/h，管道具体参数见表1。现用式(3)和式(8)对每个混油界面中孝感分输混油后孝感混油量、信阳混油量及全线总混油量进行计算分析，具体结果详见表2、表3和图2所示。

表2 孝感不同比例混油分输后孝感、信阳及总混油下载量 m3

表3 实际管输中孝感混油过站量和信阳混油下载量

图2 孝感不同比例分输后混油变化图

由表2、表3和图2可知，随着孝感分输混油比例的增大，信阳混油下载量减少幅度逐渐降低，而要两个站场下载的总混油量持续上升。但孝感在最大比例分输混油后可使得信阳混油下载量由原来的57 m3降至47 m3左右，每个界面少下降10 m3左右，每个月输送一个批次，每个批次两个混油界面，则全年可少将近240 m3左右的混油，对于混油回掺困难的信阳站有极大的帮助，下面具体分析混油回掺情况。

4 混油回掺计算

混油罐的混油消化主要靠混油的回掺处理，因此混油的切割依据应以混油的回掺情况为主，确保进混油罐的混油能够全部被回掺处理才能使混油不积压，不影响管道连续稳定输送。

混油回掺首先需要计算好纯油的掺混量，其次计算混油回掺量，然后进行回掺。

4.1 纯油回掺量的计算

(1)纯汽油中回掺入纯柴油，允许回掺柴油的最高体积浓度计算依式(9)：

(9)

式中：KD——柴油混入汽油中，柴油允许的体积浓度，%；

ta——有一定质量潜力汽油的实际终馏点，℃；

[ta]——国家标准中规定汽油的允许最高终馏点，℃。

(2)纯柴油中回掺入纯汽油，允许回掺汽油的最高体积浓度计算依式(10)：

(10)

式中：KG——汽油混入柴油中，汽油允许的体积浓度，%；

tb——有一定质量潜力柴油的实际闪点，℃；

[tb]——国家标准中规定柴油的允许最低闪点，℃。

4.2 混油浓度的计算

由于油品的密度具有体积可加和性，对于汽柴混油来说，只要测定纯油和混油的密度，就可以按照公式计算出混油中汽油、柴油的浓度。

(11)

(12)

式中：XG——汽油的体积浓度，%；

XD——柴油的体积浓度，%；

ρH——混油的标准密度，kg/m3；

ΡG——汽油的标准密度，kg/m3；

ρD——柴油的标准密度，kg/m3。

4.3 混油回掺量的计算

(1)混油回掺百分量计算：

纯柴油中掺入富柴油的百分量=KG÷XG

(13)

纯汽油中掺入富汽油的百分量=KD÷XD

(14)

(2)混油回掺量的计算：

富柴油的回掺量(m3)=柴油下载量(m3)×KG÷XG

(15)

富汽油的回掺量(m3)=汽油下载量(m3)×KD÷XD

(16)

4.4 实例计算与分析

武信管道现顺序输送92号汽油、95号汽油和0号车柴三种油品，混油回掺只在下载92号汽油和0号车柴时进行，现将孝感站和信阳站2016年、2017年92号汽油和0号车柴下载量的结果，见表4。

表4 孝感站、信阳站汽柴油下载量 ×104t

由于混油切割时有部分油头和油尾需要纯油进行中和，保证油品质量，因此根据经验，孝感站和信阳站可回掺纯油量按总下载量60 %计算，在混油切割时进富柴罐和富汽罐混油量比例一般为7∶3，则孝感站在不同混油分输比例情况下，孝感站和信阳站全年富柴与富汽总下载量统计见表5。在计算时取富柴罐油品标密为805 kg/m3，富汽罐油品标密为768 kg/m3。将表4数据带入式(9)～式(16)，具体计算结果详见表6和表7所示。

表5 孝感站、信阳站全年富柴与富汽总下载量 m3

表6 孝感站、信阳站富汽回掺潜力 m3

表7 孝感站、信阳站富柴回掺潜力 m3

由表5、表6得到图3(图中数据表示纯汽油终馏点，℃)，可以看出孝感站、信阳站富汽下载量与不同纯汽油指标下回掺量的对比情况。通过表5和表6的对比可得孝感站、信阳站在孝感不同混油分输比例下实现富汽全回掺所需的武汉站出库纯汽油终馏点，由于从武汉输送纯汽油到达信阳距离过长，纯汽油终馏点根据经验将会上升1.5 ℃左右，到达孝感时纯汽油终馏点基本不变，计算时需考虑，具体数据见表8。

图3 孝感站、信阳站富汽下载量与回掺量对比图

表8 孝感站、信阳站富汽全回掺所需武汉站出库纯汽油终馏点

由表(8)可知，孝感实现富汽全回掺只需武汉出库的纯汽油终馏点达201℃即可，因此孝感富汽混油基本可以实现全回掺。信阳站在孝感混油分输比例为10 %及以下时实现混油全回掺需要武汉出库的纯汽油终馏点达198.3 ℃。在其余分输比例情况下信阳实现全回掺则需要武汉出库的纯汽油终馏点达到198.7 ℃。

由表5、表7得到图4(图中数据表示纯柴油闪点，℃)，可以看出孝感站、信阳站富柴下载量与不同纯柴油指标下回掺量的对比情况。通过表5和表7的对比可得孝感站、信阳站在孝感不同混油分输比例下实现富柴全回掺所需武汉站出库的纯柴油闪点，由于从武汉输送纯柴油到达信阳距离过长，纯柴油闪点根据经验将会下降1.5℃左右，到达孝感时纯柴油闪点基本不变，计算时需考虑，具体数据见表9。