我國油氣管道輸送相關技術進展及展望

陸爭光

摘 要：近10多年來，我國油氣管道輸送技術不斷發展，技術水平逐漸提高。較系統地總結了我國油氣管道輸送相關技術的進展。對于易凝高粘原油管道輸送，介紹了冷熱油交替輸送、多品種原油加劑改性長距離順序輸送、長距離含蠟原油管道間歇輸送技術及其應用；對于天然氣管道輸送，介紹了管道輸送、液化天然氣輸送技術的進展及其應用；對于成品油管道輸送，介紹了順序輸送混油控制、成品油管道批輸計劃制定技術的創新與應用。最后，對我國長輸油氣管道輸送技術的發展趨勢進行了展望。

關 鍵 詞：油氣管道輸送；易凝高粘原油；天然氣；成品油；展望

中圖分類號：TE 832 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2015）07-1544-04

Progress and Prospect of the Oil and Gas Pipeline

Engineering Relevant Technology in China

LU Zheng-guang

（National Laboratory for Pipeline Safety/ Beijing Key Laboratory of Urban Oil and Gas Distribution Technology，

China University of Petroleum， Beijing 102249， China）

Abstract： In the past 10 years， oil and gas pipeline engineering relevant technology in China obtained rapid development. In this paper， new progress in relevant technology research of oil and gas pipeline engineering in China was systematically categorized. In pipeline transportation of waxy crude oils， technologies and applications， including batch transportation of cool and hot oil， long distance pipelining transportation of crude in batch with pour-point-depressant beneficiation and long distance pipelining intermittent transportation of waxy crudes， were introduced. In pipeline transportation of natural gas， new process and application of pipeline transportation of natural gas and LNG were discussed. In the aspect of pipeline transportation of products oil， controlling contaminated volume of products oil and batch planning of batch transportation were summarized. Finally， future development trend of oil and gas pipeline engineering technology in China was prospected.

Key words： Oil and gas pipeline engineering； Waxy crude oil； Natural gas； Product oil； Prospect

自20世紀末以來，隨著我國能源需求的不斷擴大以及能源消費結構的優化，作為國家經濟建設的重要支柱，我國長輸油氣管道的發展步伐越來越快。

截止至2014年初，我國已建油氣管道總里程約11萬km，其中原油管道2.6萬km，成品油管道2萬km，天然氣管道6.4萬km[1]。目前，我國已初步形成了“西油東送、北油南運、西氣東輸、北氣南下、海氣登陸”的油氣管網布局，以保障國家能源安全。

基于我國多年的油氣管道輸送技術研究以及建設實踐，易凝高粘原油管道輸送、天然氣管道輸送及成品油管道輸送等方面技術均得到了很大的發展。在此，本文主要對這些成果進行了總結，并展望了我國油氣管道輸送技術的發展趨勢與前景。

1 易凝高粘原油管道輸送技術

60多年來，隨著對易凝高粘原油流變性規律與機理研究的不斷深入，我國的原油管道輸送技術發展較快，取得了很大的成果。目前，冷熱油交替輸送、多品種原油加劑改性長距離順序輸送、長距離含蠟原油管道間歇輸送等技術[2]，已成功應用于我國原油管道建設與運行，提高了我國的原油管道輸送技術水平。

1.1 冷熱油交替輸送技術

國產原油與多數進口原油存在較大的物性差異，進口原油的流動性較好，可實現常溫輸送，國產的易凝高粘原油通常需要采用加熱輸送。因此，國產原油和進口原油的順序輸送工藝屬于冷熱原油交替輸送。冷熱原油交替輸送過程中遇到了許多問題亟待解決，如混油、交變溫度場及應力分析等[3]。

我國于2005年開始冷熱油交替輸送技術研究[4，5]，重點方向是冷熱油交替輸送過程中的熱力計算、水力-熱力耦合方法。基于崔秀國等[6，7]對于冷熱原油交替輸送過程中水力、熱力變化的基本規律研究，李傳憲等[8]利用有限差分法和有限元法得到管外非穩態溫度場，建立了冷熱原油交替輸送的數學模型。王凱等[9-11]則采用移位網格下的虛擬邊界條件法，編制了精度較高的非穩態水力-熱力耦合程序，建立了冷熱原油交替輸送的數學模型，并以加熱能耗最小為優化目標，建立了加熱方案經濟比選模型，為確定經濟加熱方案提供了指導。相比之下，前者提出的模型將水力系統視為準穩態，并不是嚴格意義上的非穩態水力-熱力耦合，而后者則是以油品種類、批次、批次量等運行參數為研究對象，建立的耦合模型適用性更加廣泛，可用于隨時調整出站溫度、壓力和流量。

1.2 多品種原油加劑改性長距離順序輸送技術

我國于70年代末開始研究含蠟原油加劑改性輸送工藝，目前，我國在含蠟原油加劑改性輸送工藝、降凝劑的研發方面均處于國際領先地位。基于含蠟原油加劑改性的機理與規律的深入研究，建立了加劑改性原油粘度、凝點與剪切過程中粘性流動熵產之間的數學模型[12-14]，提出了加劑改性含蠟原油粘度與加熱溫度關系的預測模型[15]。以上技術成果填充了加劑改性含蠟原油的流動性與剪切歷史、熱歷史關系的定量描述空白，此外，有機/無機納米復合降凝劑等新型降凝劑[16]也已被研發制備，均為工程應用打下了堅實的基礎。

國內第一條采用降凝劑改性常溫輸送的長輸管道是庫爾勒-鄯善輸油管道，全長476 km。原油在首站經過加劑處理后可實現全線常溫輸送，節省了4座加熱站的建設投資與運行費用[17]。為滿足西部原油管道同管輸送多種物性差異較大的原油的工藝需要，成功研發了多品種原油加劑改性長距離順序輸送技術[18]，對以后的原油加劑改性順序輸送管道設計具有重要的意義。

1.3 長距離含蠟原油管道間歇輸送技術

原油管道間歇輸送技術主要包括兩部分，一方面是停輸再啟動，另一方面是間歇輸送方案優化。在停輸再啟動方面，結合室內環道實驗，提出膠凝原油再啟動過程中存在三個階段屈服過程，建立了熱油管道停輸再啟動的水力及熱力數學模型[19，20]，利用管道模型數據計算管道的啟動壓力、達到最大啟動壓力的時間；提出了管線停輸過程中的水力、熱力、安全停輸時間及啟動壓力的計算方法，并開發了熱油管道停輸再啟動模擬計算軟件[21]；提出了根據凝管概率確定停輸時間的新方法，以初凝概率為指標的新的間歇輸送流動安全性評價方法[22，23]。

在間歇輸送方案優化方面，基于對工藝過程中目標函數、約束條件的分析，建立了埋地熱油管道的流動、傳熱物理數學模型；分析發現站間摩阻和進站油溫均呈周期性變化，周期運行時間和輸停比對間歇輸送管道熱力特性的影響較為重要[24，25]。

國內采用間歇輸送的輸油管線較多，如中洛管線、中國-朝鮮輸油管線以及西部原油管道。研發采用長距離含蠟原油管道間歇輸送技術，西部原油管道所輸吐哈原油在玉門站全分輸，實現了常態化間歇輸送[26]，使我國的含蠟原油間歇輸送技術再上一個新的臺階。

2 天然氣管道輸送技術

2.1 天然氣管網輸送

天然氣管道輸送是一種比較方便、傳統的天然氣儲運方式，是陸上天然氣運輸及貿易的主要方式。隨著西氣東輸等天然氣管道工程的開展，國內針對天然氣輸氣系統規劃和優化設計進行了許多研究。

以輸氣管線設計壽命期內總費用現值最小為目標函數，以穩定性約束、能量平衡約束及管道強度約束等為約束條件，建立了利用不同的智能算法優化輸氣管道系統設計的模型[27-29]；根據生產實踐可操作性，提出以可靠性、經濟性、平穩性、便利性為瞬態優化目標原則，建立了針對輸氣管網短期供氣調峰的多目標模糊優化算法[30，31]。

2.2 天然氣-凝析液混輸

天然氣-凝析液混輸實質上是氣液混輸，其工藝計算及模型包括穩態和瞬態模擬兩方面。基于氣液混合物流動能量方程，建立了用于天然氣-凝析液穩態計算的顯式溫降計算式，提出了基于有限差分法的水力-熱力耦合算法，從而實現混輸管道穩態、停輸再啟動的數值模擬；提出流體組分及其比例變化對天然氣-凝析液混輸上岸壓降的影響較大；開發了適用于天然氣-凝析液混輸管道的計算模擬軟件[32-35]，具有重要的工程意義。

2.3 液化天然氣輸送

基于對天然氣不同輸送方式輸送成本的對比，分析了實現LNG長距離管道輸送的技術和經濟可行性，驗證了液化天然氣在“過冷”狀態下輸送的可行性。針對海上LNG液化的工藝流程，提出了相應的液化流程，并實現液化過程的動態模擬[36]。在儲存設施方面，建立了室內小型撬裝液化實驗裝置，研發了大型低溫LNG儲罐材料、結構設計、施工工藝及絕熱分析等方面的技術，向我國大型低溫LNG儲罐國產化又邁進了實質性的一步。

3 成品油管道輸送技術

3.1 順序輸送混油控制技術

對成品油順序輸送進行數值模擬研究，得到了油品流速、管道形狀及輸送順序對成品油順序輸送混油段的影響；首次提出有效擴散系數，建立了管道順序輸送混油的質量分數一維模型；對管道混油工況進行了離線模擬，從而及時有效地控制沿線混油，對混油量的控制、混油切割具有一定的指導意義[37，38]；結合國內外混油界面跟蹤所考慮的主要因素，研發了成品油管道順序輸送混油界面在線跟蹤軟件[39]，現場應用效果較為良好。

3.2 成品油管道批輸計劃制定

國內開發了若干成品油管道調度軟件，并已成功應用于大型成品油管道。蘭成渝成品油管道應用的分輸調度軟件，由原始數據的輸入、分輸計劃制定及輸出三個模塊組成，為管道日常運行提供準確的油品批輸計劃；克-烏成品油管道批輸控制軟件是國內的SCADA系統應用軟件，其預測混油到達末站的時間和儀表實際檢測的時間相差可控制在5 min內；針對西南成品油管道長距離、多站場及復雜工藝技術等特點，研發了西南成品油輸送模擬軟件，可用于優化運行模擬、檢驗和校核管道運營者制定的分輸方案、動態跟蹤顯示、瞬態模擬、人工設定泵機組運行模擬及提供模擬歷史數據[40，41]。

總體來看，雖然國內自主研發的順序輸送軟件在局部管道上得到了成功的應用，但是軟件還不具有商業化的能力，也沒有自主品牌。

4 未來與展望

4.1 新材料、新工藝、新技術的應用

（1）基于納米材料的特殊效應及原油流動改性輸送技術的成熟，加入納米材料改性的原油輸送技術，將會成為原油管道輸送技術的重點研究方向；

（2）在天然氣管道輸送中，新型減阻劑的研發將會促進天然氣管道減阻技術的發展，簡化減阻技術操作工藝；

（3）對于吸附天然氣（ANG）技術、天然氣水合物（NGH）儲運技術的研究是目前乃至將來需要重要發展的天然氣儲運技術；

（4）國內天然氣管網可靠性的研究目前正處于起步階段，形成一套系統的理論來評價輸氣管網的可靠性水平是未來研究的重要方向之一。

4.2 管網仿真軟件優化

（1）開發通用型的成品油管道調度軟件，打造國內成品油管道調度軟件自主品牌。實現分輸計劃方案可隨時變、生成速度較快，便捷、高效、實用性強，進而提供準確的油品批輸計劃、信息；

（2）開發通用型的天然氣管網優化模型、應用軟件，實現高效、準確地進行管網穩態優化計算，并實際應用于大型天然氣管網中；

（3）針對國內較為嚴峻的供氣調峰現狀，系統地提出實用的輸氣管道系統調峰仿真、分析、評價及優化的方法，對于輸氣管道調峰具有重要的指導意義。

參考文獻：

[1] 高鵬， 王海英， 朱金華， 等. 2011-2013 年中國油氣管道進展[J]. 國際石油經濟， 2014 （6）： 57-63.

[2] 張勁軍， 何利民， 宮敬， 等. 油氣儲運理論與技術進展[J]. 中國石油大學學報： 自然科學版， 2013， 37（5）： 151-162.

[3] 吳玉國. 冷熱原油順序輸送技術研究[D]. 東營： 中國石油大學 （華東）， 2010.

[4]崔秀國.冷熱油交替輸送管道非穩態水力-熱力耦合問題分析及其應用[D]. 北京： 中國石油大學（ 北京） 石油天然氣工程學院，2005：26-29.

[5] 宇波，徐誠，張勁軍.冷熱原油交替輸送停輸再啟動研究[J].油氣儲運，2009，28（ 11） ： 4-16.

[6] 崔秀國，張勁軍.冷熱油交替順序輸送過程熱力問題的研究[J].油氣儲運，2004，23（ 11） ： 15-19.

[7] 范海成.冷熱油交替輸送研究[D].北京： 石油大學石油天然氣工程學院，2005.

[8] 李傳憲， 施靜. 冷熱原油順序輸送過程的熱力分析[J]. 中國石油大學學報： 自然科學版， 2013， 37（2）： 112-118.

[9]WANG K，ZHANG J J，YU B，et al， Numerical simulation on the thermal and hydraulic behaviors of batch pipelining crude oils with different inlet temperatures [J]. Oil & Gas Science and Technology-Rev IFP，2009，64 （ 4） ： 503-520.

[10] 王凱， 張勁軍， 宇波. 原油管道差溫順序輸送水力-熱力耦合計算模型[J]. 油氣儲運， 2013， 32（2）： 143-151.

[11]王凱， 張勁軍， 宇波. 冷熱原油交替順序輸送中加熱時機的經濟比選[J]. 中國石油大學學報： 自然科學版， 2008， 32（5）： 102-107.

[12]張勁軍 潘道蘭等： 剪切作用對加劑原油凝點影響的數學模型[J]. 石油學報， 2004， 25（ 2）.

[13]Li Yufeng， Zhang Jinjun： Prediction of viscosity variation for waxy crude oils beneficiated by pour-point-depressants during pipeline[J]. Petroleum Science and Technology， 2005， 23.

[14]李鴻英， 丁建林， 張勁軍. 含蠟原油流動特性與熱歷史和剪切歷史的關系[J]. 油氣儲運， 2008， 27（5）： 16-20.

[15]LI Hong-ying ，ZHANG Jin-jun.A generalized model for predicting non-Newtonian viscosity of waxy crudes as a function of temperature and precipitated wax [J].Fuel，2003，82（11）：1387-1397.

[16]WU Yu-min，NI Guang-di，YANG Fei，et al. Modified malefic anhydride co-polymers as pour-point depressants and their effects on waxy crude oil rheology [J]. Energy & Fuels，2012，26：995-1001.

[17]張勁軍. 易凝高粘原油管輸技術及其發展[J]. 中國工程科學， 2002， 4（6）： 71-76.

[18]LING Xiao，ZHANG Jin-jun，LI Hong-ying，et al. Transportation of waxy crudes in batch through China west crude oil pipeline with pour-point-depressant beneficiation （IPC2008-64288）： Proc of the ASME 7th International Pipeline Conference [C]. Canada： Calgary，2008.

[19]李才，張曉萍，蘇仲勛，等.熱含蠟原油管道停輸再啟動壓力研究[J].油氣儲運，1998，17（1）：10-14.

[20]李才，張曉萍，等.膠凝原油管道再啟動壓力傳遞速度的研究[J].油氣儲運，1997，17（2）：6-10.

[21]安家榮，史秀敏，張國忠.熱油管道停輸與再啟動過程模擬計算軟件[J].油氣儲運，1998，17（3）：12-14.

[22]YU Bo，YU Guo-jun，CAO Zhi-zhu，et al. Fast calcu lation of the soil temperature field around a buried oil pipeline using a body-fitted coordinates-based POD- Galerkin reduced-order model [J]. Numerical Heat Transter，Part A： Applications， 2013，63（10）：776-794.

[23]苗青， 衣桂影， 徐波， 等. 中國-朝鮮原油管道中方段流動安全性評價[J]. 油氣儲運， 2011， 30（4）： 252-254.

[24]柳歆， 張勁軍， 宇波. 熱油管道間歇輸送熱力水力特性[J]. 油氣儲運， 2011， 30（6）： 419-422.

[25]邢曉凱， 顏春者. 埋地熱油管道間歇輸送過程研究[J]. 石油規劃設計， 1997， 8（6）： 29-31.

[26]Liu X， Zhang J， Li H， et al. Intermittent operations， PPD optimize low flow-rate waxy crude system[J]. Oil & gas journal， 2010， 108（46）： 134-138.

[27]李智， 謝兆鴻， 秦建華. 蟻群算法在天然氣輸送管道優化設計中的應用[J]. 天然氣工業， 2005， 25（9）： 104-106.

[28] 蔣永明. 基于蟻群算法的天然氣長輸管線優化設計研究[D]. 哈爾濱： 哈爾濱工業大學， 2007.

[29]李立剛， 張朝暉， 戴永壽， 等. 基于改進模式搜索算法的天然氣管網運行優化[J]. 中國石油大學學報： 自然科學版， 2012， 36（4）： 139-143.

[30]鄭志煒， 吳長春. 輸氣管道系統供氣調峰技術進展[J]. 科技導報， 2011， 28（11-12）： 75-79.

[31]ZUO Li-li，WU Chang-chun，ZHENG Hong-wei，et al.Multi-object decision-making on peak shaving of West-East Gas Pipeline： Proceedings of the IPC [C].Canada： Calgary，2008.

[32] 鄧道明， 宮敬. 天然氣-凝析液混輸管線溫降計算[J]. 工程熱物理學報， 2008， 29（10）： 1691-1694.

[33]王智， 宮敬， 尹鐵男， 等. 天然氣凝析液長距離管道穩態水力熱力計算[J]. 東北石油大學學報 ISTIC， 2013， 37（4）.

[34]MENG Ling-ya，LI Yu-xing，ZHANG Jian，et al. The development of a multiphase flow meter without separation based on sloped open channel dynamics [J]. Flow Measurement and Instrumentation，2011，22 （ 2 ）： 120-125.

[35]LI Yu-xing，WANG Jun. Study on wet gas online flow rate measurement based on dual slotted orifice plate [J].Flow Measurement and Instrumentation，2009，20（4）：168-173.

[36]余紅梅， 李兆慈， 姚麟昱， 等. L NG 長距離管道輸送可行性分析[J]. 深冷技術， 2008， 1.

[37]李濤， 楊廣志， 宮園園， 等. 成品油順序輸送混油段的數值模擬[J]. 青島科技大學學報： 自然科學版， 2013， 34（3）： 279-284.

[38]胡煊，陳世一.管道順序輸送混油濃度一維模型的應用[J].油氣儲運，2010，29（12）：913-915.

[39]郭祎.提高成品油管道混油界面跟蹤精度的新方法[J].油氣儲運，2010，29（12）：908-909.

[40]LIANG Yong-tu，SHI Bo-hui，GUO Xiao-lei. Software helps manage multiproduct pipeline in china [J]. Pipeline & Gas Journal，2011，11：83-84.

[41]Yongtu L， Ming L， Ni Z. A study on optimizing delivering scheduling for a multiproduct pipeline[J]. Computers & Chemical Engineering， 2012， 44： 127-140.

（上接第1543頁）

弄清楚煉化企業VOCs的來源并對其來源進行解析就是解決問題的首要任務，但是現在我們能掌握的只是簡單的煉化企業VOCs來源，沒有具體的排放源清單，沒有系統的有針對性的政策，沒有專用的針對性治理技術……正因為這方面相關研究的匱乏，使得進一步開展研究工作變得更為有意義和價值。

參考文獻：

[1]馬慧蓮，張海軍，田玉增，等. 新型水蒸氣頂空富集裝置在飲用水中痕量揮發性有機物非目標篩查中的應用[J]. 色譜，2011（9）：912-917.

[2]王淑梅. 唐孝炎：奧運運動員的"天敵"——臭氧和細顆粒物[J]. 環境，2008（7）：26-27.

[3]謝娜，李英芹，張芳，等. 石油石化企業溫室氣體清單編制簡析[J]. 油氣田環境保護，2010（4）： 1-3+10.

[4]劉忠河，齊湘毅. 石化行業揮發性有機污染物調查及防治建議[J]. 精細石油化工，2013（2）：65-67.

[5]曹磊，曹越. 化工項目無組織廢氣評價探討[J]. 環境科學與管理，2006（9）：184-187.

[6]魯建新，顧雪松，趙銘. 化工項目無組織廢氣監測中有關問題探討[J]. 內蒙古環境科學，2008（2）：89-91.

[7]杜芳偉. 淺談如何提高煉油污水處理技術[J]. 中國石油和化工標準與質量，2013（3）.

[8]戴曉波，伏晴艷，徐宏，等. 石化行業無組織排放VOCs的定量方法和控制對策探討[A]. 中國不同經濟區域環境污染特征的比較分析與研究學術研討會論文集[C].2009.

[9]張秀青. 石化企業廢氣無組織排放源及排放量估算簡介[J]. 裝備環境工程，2008（5）：74-77.

[10]張建. PM2.5：環保攻堅新坐標---大氣污染引發廣泛關注[J]. 中國石油企業，2012（4）：38-42.

[11]肖獻法.國務院《大氣十條》發布：汽車行業環保之路再添變數---《北京清潔計劃》是落實和具體行動[J]. 商用汽車，2013（18）：20-23.

[12]陳穎，楊常青，李瑤，等. 以控制工業源揮發性有機物加強灰霾治理的對策探討[J]. 環境與可持續發展，2014（2）：24-26.