含蜡热油管道蜡层厚度预测
2021-06-15牛建森
牛建森
(西安石油大学，陕西 西安 710065)
含蜡原油在长输管道运输过程中会不断的结晶析出，并且会不断的积聚在管壁处。一般情况下，我们选择长输管道是因为其经济。为了符合经济安全的原则，我们需要对蜡层厚度进行预测，以便指导管道实时运行得更加经济和安全。析蜡造成的影响：一方面减小加热费用；另一方面加剧输送费用。因此，不能简单地认为析蜡是不好的，需要得到一个最优解，让析蜡有利于输送原油，这里最关键的是能够预测得到蜡层的厚度。一般来说，容易得到出站压力与进站压力，油品性质、压降、温度等运行参数，以及环境参数，所以需要找到一种方法，用这些数据就能得到管道的析蜡厚度。
1 结蜡厚度的数学模型
1.1 目标函数
原油的水力坡降和摩阻损失的关系式
dh=i(t)dl
(1)
(2)
管道稳定运行的轴向温降关系：
K(x)πD(t-t0)dl=-Gc(t)dt+Ggi(t)dl
(3)
(4)
积分得到：
(5)
(6)
式中:dh为微元管道摩阻损失，m；dl为微元管道长度，m；i(t)为油流的水力坡降，m/m；T为dl微元管道处的油温，℃；G为油品的质量流量，kg/s；ρ(t)为油品的密度，kg/m2；D为管道外直径。
1.2 沿线温度的计算
由列宾宗温降公式[1,2]求出加热站的出站温度TR
TR=T0+b+(TZ-T0)ealR
(7)
a=KπD/(GCy)
(8)
式中：K为管道总传热系数，(W/(m2*℃))a，b为中间系数；D为管道直径，m；i为水里坡降，m/m。
由此可以知道，进站温度和其余的数据已知。上面方程的根，可以运用迭代法[1]求解。平均温度计算方法如下：
(9)
1.3 管道的总传热系数[2]
总传热系数是一个由各种因素影响的变量，是影响长输管道运输过程中热量损失最关键的因素。一般情况下，我们对钢材的导热进行忽略不计的处理，因为钢铁导热系数很小，我们只考虑：①防腐层,②结蜡层,③内管壁,④外管壁这4个层面的导热影响[3]。
(10)
式中：α1为油流至管内壁换热系数，(W/(m2·℃))；α2为管外壁至土壤的换热系数，(W/(m2·℃))；DW为管外壁直径，(m)；Dn为无蜡沉积时管内直径，(m)。
2 结蜡厚度的计算
如果进站温度大于析蜡点，则析出的蜡晶体很少，在这里我们采取平均方法，认为结蜡层在管线中相同。如果进站温度小于析蜡点，会析出大量的蜡晶体，在这里简化认为管线运行温度大于析蜡点之前都没有结蜡，温度小于析蜡点后的管线进行拉层厚度的计算。其中Z1,Z2为起点与该位置的高程差。计算流程如图1。
图1 结蜡原子度计算流程
3 计算实例
一条长 151 km 的长输管道,管道的直径 720 mm,壁厚 8 mm,外敷 10 mm 的防腐层,管道埋深 1.5 m,土壤、防腐层和石蜡的导热系数分别为1.2、0.17和 0.08 W (m·℃)。日输量t,出站温度 57 ℃,出站压力 6.4 MPa,进站温度 30.3 ℃，进站压力 0.7 MPa。管道埋深处的温度 2 ℃,沿程摩阻 554 m。通过计算得出平均结蜡厚度处在第 59 km 处后面管壁结蜡厚度为 3.9 mm。
选取以上数据，在相同入口温度和输量条件下，冬季管内温降幅度较大，入口油温为 38 ℃ 时，出口油温为 28 ℃，低于析蜡温度。在距离入口 59 km 处，管内温度降到析蜡点以下，管壁有蜡析出，随输送距离的增加，沿线蜡沉积层厚度逐渐增厚。如图2。
图2 冬季管道含蜡曲线
由图2可知，在冬季，管道运输一段时间之后，随着蜡晶的不断堆积，在大约 60 km 处，开始结蜡。原因是油流温度大于析蜡点，但60 km 之后油流温度降至析蜡点，开始出现析蜡；位置越后，堆积的蜡晶体越多，其蜡层厚度越大。而夏季管道中含蜡原油不会析出蜡晶体，其原因是：夏季气温不变且较高，土地温度达到25℃以上；由于一般情况下都是埋地管道，而且出站原油也经过加热处理，管道内部原油的温度都大于该原油的析蜡温度，此时原油不会大量析出蜡晶体，结蜡厚度可以忽略不计。在夏季运行时，可以忽略管道结蜡问题；当冬季来临，需要加强管道的管理，应及时的管道清蜡、清管，以便管道安全运行以及运行得更加经济。
4 结论
本文建立了蜡沉积模型。考虑到随管线运行，管道内部会出现蜡晶析出，造成管道有效截面的减小。若还是按照以前的管径计算，误差会很大，因此考虑实际情况。为了方便实际应用，只需要出站和进站压力就可得到较为准确的管道内部蜡层厚度。计算了运行13、17、21、25 d后的析蜡厚度。析蜡厚度与真实情况较为符合，即：基本上从 59 km 开始处析蜡，且析蜡厚度较为准确，能够指导平时清管时间的选择。在此基础上，对夏季和冬季管道结蜡情况进行了对比，对其出现不同情况的原因给出了合理的解释，有助于平时管道管理以及更高效的管道运营管理。
