气管道能耗计算方法研究

付子恒（大庆油田技术监督中心）

1 Baker模型的建立

1.1 确定流态

Baker 模型主要基于流型来对气液两相管流法进行处理。当气液流动型态有所区别时，在很大程度上是由于压力出现损耗，导致其受到一定的影响，为此需对两相流动型态有一个较为全面的了解[1]。在此基础上，构建水平管流流型分界（图1）。

图1 Baker模型流型分界

1.2 计算单一气相压降梯度

其中

x——一定质量的含气率，%；

G——总质量流量，kg/s；

d——内径，m；

A——管路截面，m2；

λg——单相气体的水力摩擦系数；

ρg——气体密度，kg/m3；

Reg——气相雷诺数；

wsg——液相折算流速，m/s；

Gg——气相质量流量，kg/s；

ug——动力黏度，Pa·s。

1.3 计算单一液相压降梯度

其中

ρL——液相密度，kg/m3。

气泡流：

表1 运行参数

式中：

X2——洛马参数；

Gl——液相的质量流量，kg/s；

1.5 在已知的条件下，计算混输管路的总压降梯度

Baker 模型可以用于大型工程系统的计算。其是以洛马法为参考，经过大量的实验验证而建立的模型。通过该模型计算获取的相关数据有着较高的准确度和可信度，可以扩大应用范围[2]。综上所述，采用Baker模型可计算两相管道的压降。

2 气管道能耗实例计算

2.1 运行参数

庆新油田采油一工区5 号计量间4 环和6 环的生产运行参数见表1。

2.2 计算结果分析

表2、表3 显示的是沿程温降和压降的计算结果。

表2 温降实例计算结果同实际结果的分析和比较

表3 压降实例计算结果与实际结果对比

通过对比分析可以发现，理论计算与实际监测的温降差为10.7%。结果表明，该集输过程的温降模型非常适合现场应用。基于Baker 模型对监测压降差进行计算可知，其计算结果相对要小1.7%，由此得到的数值，可以为实际水力分析提供较为有效的依据。

2.3 工艺运行参数优化

2.3.1 构建目标函数

以转油站为单元进行优化分析，转油站系统主要由掺水泵、外输泵、掺水炉以及外输炉等部分构成，能源需求较高。

当掺水量持续增长时，管道中产液表现出的流动特性也会在此基础上发生一定的改变，此时需适当调整掺水量和掺水温度的数值[3]。下式为系统优化的目标函数，即

目标函数将总成本设定为最小值，因外输泵的排量相当于所有液体产量相加的总数，所以，将第二项作为常数来进行计算，以保证其具备较高的准确度[4]。

由于掺水泵总排量、加热炉流量和掺水量的数值一致，则有

式中：nw——转油站所辖油井总数；

qms——油井掺水量，m3/h。输油泵的总排量与产液量的总和相等，则有

式中：qos——油井产液量，m3/h。

2.3.2 构建约束条件

1）井口回压。井口需一直维持在回压状态，基于此对集油半径进行计算，在此过程中，井口回压的大小需比许用值小一些，从而得到下式，即

式中：pos——油井井口回压，MPa；

[po]——井口回压许用值，MPa。

2）井口掺水压力。为确保掺水工作能够有效实施，在井口处的掺水压力大于井口回压的情况下，能够使掺水正常实施。

式中：pms——油井掺水压力，MPa；

δ——常数，处于0.2～0.4 MPa之间。

1）原油进站温度。为避免输送原油时产生不良现象，如凝固，在输送过程中需一直将进站温度维持在较高的数值，从而得到下式，即

式中：np——进站的集油管线数量；

tzl——集油管线进站温度，℃；

tz——原油进站的温度许用值，℃。

2）原油出站温度。为保障将原油顺利输送到目的地，需保障出站温度一直维持在较高状态，从而得到下式，即

[t′z]——原油出站温度许用值，℃。

2.3.3 模型求解

以油气集输系统生产运行参数为基础，对数学模型进行了相应的构建与优化。其中，泵排量、掺水量以及掺水水温等属于模型中的连续变量；井口回压、掺水压力、进站温度等属于模型中的变量隐函数，故此类问题应属于混合变量非线性优化问题。也就是先对相关条件进行设置，而后在此基础上，选定油井含水量以及水温等数值，提高规范度。

表4 优化前集输系统运行参数

表5 优化后集输系统运行参数

在进行模型求解的过程中，需先明确室内模拟的边界，在此基础上，确保回油凝固点的温度比3 ℃要小，而后再针对所涉及到的相关参数实施优化处理。对掺水水温进行设置，使之保持65 ℃，以热力学理论对需求进行详细地计算，并设置各环节的最大掺水量，由此循环往复，从而获得转油站所有集油总的最大掺水量，对模型实施更全面的优化，得到系统实际所需的费用[5]。然后在零下2 ℃增加值的条件下，计算各阶段掺水温度所需消耗的成本，对比不同掺水温度和掺水量情况下转油站系统所消耗的运行费用，由此得到最佳方案。

2.4 优化结果分析

表4 为优化前集输系统的生产情况。表5 为优化后集输系统的生产情况。天然气单价设为1.45 元/m3，用电单价设为0.57元/kWh。

由表4、表5 可知，采油一区的各项指标都有所降低，其中：夏季掺水温度比优化前降低8 ℃，掺水量减少5.6 m3/h，油耗减小4.43 m3/t，掺水用电单耗减少0.24 kWh/t，能耗成本降低2 530.1 元/d；冬季优化后的掺水温度比优化前的温度降低8 ℃，掺水量减少29.9 m3/h，油耗减小2.22 m3/t，掺水用电单耗减少0.18 kWh/t，能耗成本降低1 944.3元/d。

3 结束语

基于Baker 模型，对庆新油田采油一工区的管道油耗进行了计算及工艺优化，使采油一工区夏季减小4.42 m3/t的油耗，掺水用电单耗减少0.23 kWh/t，累计降低2 530.1 元/d 的能耗成本；冬季减小2.22 m3/t 的油耗，掺水用电单耗减少0.17 kWh/t，累计降低1 944.3元/d的能耗成本。