寒區輸油管道正反輸溫降規律分析

周剛，張偉，楊林,3，李哲，劉鳳榮，王佳楠，王蒙

（1. 東北石油大學提高采收率教育部重點實驗室，黑龍江 大慶 163318； 2. 大慶油田有限責任公司第三采油廠，黑龍江 大慶 163113；3. 大慶油田有限責任公司儲運銷售分公司，黑龍江 大慶 163453； 4. 大慶油田化工有限公司東昊表活劑公司，黑龍江 大慶 163453）

石油化工

寒區輸油管道正反輸溫降規律分析

周剛1，張偉2，楊林1,3，李哲1，劉鳳榮1，王佳楠1，王蒙4

（1. 東北石油大學提高采收率教育部重點實驗室，黑龍江 大慶 163318； 2. 大慶油田有限責任公司第三采油廠，黑龍江 大慶 163113；3. 大慶油田有限責任公司儲運銷售分公司，黑龍江 大慶 163453； 4. 大慶油田化工有限公司東昊表活劑公司，黑龍江 大慶 163453）

采用SPS仿真軟件建立寒區埋地熱油管道的正反輸仿真模型，對正反輸送工藝的溫降變化進行仿真。分析正反輸運行時沿線油溫隨時間變化規律，首站油溫隨時間變化規律及不同時刻加熱后的油頭在管道中流動時的溫降變化規律。仿真結果分析表明，反輸開始后，反輸首站油溫先迅速降低后升高，最后達到穩定，且反輸運行溫降變化在20h左右達到穩定；對于保溫管道，反輸最低溫度出現在冷油頭到達首站時，在制定正反輸運行方案時需特別注意。通過運用SPS軟件對埋地熱油管道正反輸溫降分析，可對以后制定正反輸運行方案具有一定指導意義。

寒區；輸油管道；正反輸；SPS仿真軟件；溫降

目前國內大部分油田已處于開發中后期，尤其是大慶油田、呼倫貝爾油田等寒區油田，油田產能下降，導致原油管道處于低輸量運行狀態。由于寒區原油具有高凝點、高含蠟、高粘度的“三高”特點，低輸量運行會使管道溫降增大，凝管概率大大升高

[1]。正反輸送工藝是解決低輸量運行的一種有效方法[2-3]，本文運用油氣管道仿真軟件SPS[4]建立寒區輸油管道的正反輸仿真模型，對正反輸過程的溫降規律進行仿真，并對反輸運行時的溫降進行分析。

1 SPS軟件簡介

(Stoner Pipeline Simulator)SPS能夠對管道輸送的單一種流體，批次流體或單相混合流體進行模擬，是先進的瞬態水力模擬軟件。SPS通過計算流量、壓力、密度、溫度和其它一些沿管線隨時間變化的變量來建立復雜的數學模型，以此來對復雜的工況調節進行實時仿真，是國內外公認的高精度長輸管道工藝仿真計算軟件，已經在國內秦京線[5]、烏蘭線[6]等多條管道中成功得到應用。

2 正反輸運行模型的建立

2.1 基礎仿真參數

東北某原油管道全長39.5 km，管徑DN200，全線設有首站、末站，輸送介質為原油，末站壓力為 0.3 MPa。根據現場正反輸運行方案，正輸運行時首站溫度為82℃，輸量為80 m3/h，反輸運行時末站溫度為75 ℃，輸量為97 m3/h，正輸切反輸操作流程按80 min計算。管道、環境相關參數及沿線高程示意圖如表1和圖1所示。

表1 管道和環境相關參數Table 1 The related parameters of pipes and environment

圖1 沿線高程示意圖Fig.1 The schematic diagram of elevation

2.2 正反輸送工藝模型建立

假設條件：在現場實際運行中，正反輸送工藝流程切換需進行大量設備操作和流程切換，由于復雜的流程切換主要是為了保證正反輸切換過程的安全性，本文在運用SPS進行仿真模擬時將正反輸送工藝切換流程進行簡化，在MODEL BUILDER中建立簡化后的正反輸送模型如圖2所示。

圖2 正反輸送工藝簡化模型Fig.2 The simplified model of right and reverse transportation

將管道高程-距離曲線及相關參數輸入到軟件中，正反輸送溫降計算選擇TRANSTHERMAL傳熱計算模型，土壤邊界選擇等效圓筒模型邊界。

3 正反輸運行溫降規律分析

3.1 正輸運行及正輸切反輸過程中沿線溫度變化

在相關參數輸入及模型建立以后，首先需要對模型進行正輸穩態運行仿真。將多組現場運行實測數據輸入軟件，在INTRAN文件中編寫正輸控制程序，使正輸達到穩態運行，通過INGRAF文件編寫相關程序將計算結果在OUTGRF中進行輸出。

在INTRAN文件中編寫正輸切反輸流程控制程序，為了避免水擊造成壓力波動過大現象出現，緩慢依次關閉閥B1，閥B3，并依次打開閥B4，閥B2，切換到反輸運行狀態。，正輸穩態運行及正輸切反輸過程管道沿線油溫變化仿真結果如圖3所示。

圖3 正輸穩態運行及正輸切反輸過程管道沿線油溫變化仿真結果Fig.3 The simulation results of oil temperature variation along pipes on steady operation of right transportation and the process of right transportation switched to reverse transportation

由表2分析可知，由于管道保溫層具有很好的隔熱作用，阻礙了管道中存油向周圍土壤的散熱，使得正輸穩態運行與正輸切反輸流程結束后的管道沿線油溫變化不大。

3.2 反輸運行冷油頭及沿線溫度變化

圖4 反輸運行油溫隨時間變化仿真結果Fig.4 The simulation results of oil temperature variation of reverse transportation

正輸切反輸過程結束后，進入反輸運行狀態，反輸運行模型的初始條件為正輸切反輸過程結束后的管道沿線油溫，周圍土壤溫度為穩定運行時所建立的土壤溫度場。反輸運行油溫隨時間變化仿真結果如圖4所示。由圖4，通過分析整個反輸運行過程中管道各距離處每一時刻管內原油沿線油溫隨反輸運行時間的變化可知，反輸開始后冷油頭反向推進，最終冷油頭到達首站處的溫度要低于正輸時的末站溫度，這是由于管道保溫層的隔熱特性引起的，反輸時保溫層隔絕了土壤向冷油頭傳熱，使冷油頭在管道輸送過程中沒有出現溫升現象，反而出現了進一步的溫降。

另外，反輸開始后末站油溫與土壤溫度之間的溫差較大，出現較大的溫降梯度使油溫迅速降低，隨著運行時間的積累，由于熱油頭在管道不斷向前推移，出現溫降梯度較大的管段部分也隨之向前推移，同時，不斷有新的熱油頭對周圍土壤進行傳熱，進而使熱油頭與土壤之間的溫差減小，最終在20 h左右反輸運行管道內油溫達到穩態。

3.3 反輸首站油溫分析

反輸首站油溫隨時間變化仿真結果如圖 5所示。

圖5 首站油溫隨時間變化仿真結果Fig.5 The simulation results of oil temperature variation of initial station

由圖5分析可知，反輸開始后，首站附近處存留的原油溫度較高，與土壤溫差較大，使首站處油溫迅速下降，當管內全部存油排出管道時，首站油溫達到最低點，這也是正反輸送整個過程中出現的最低油溫點，是需要特別注意的。之后，隨著熱油不斷經過首站，使首站處油溫不斷升高，最終在20h左右首站油溫達到穩定狀態。

3.4 加熱后的末站原油在管道中的溫度變化

不同時刻加熱后的油頭在管道中流動時的溫降變化過程如圖6所示。

由圖6分析可知，0 h末站的熱油頭油溫較高，而由于正輸結束時此處的土壤溫度較低，使末站熱油頭油溫迅速下降，將熱量傳遞給周圍土壤系統，使周圍土壤溫度升高，進一步使下一時刻的熱油頭與周圍土壤之間的溫差減小，由此驗證了之前溫降分析的準確性。最終在5 h時的熱油頭流過管道時油溫變化趨于穩定，由于模擬反輸流量為97 m3/h，經計算熱油頭需要15 h左右流經整個管道，這與前述所分析的反輸運行20 h左右達到穩定是一致的。

圖6 加熱后油頭在管道中溫度變化Fig.6 The oil temperature variation of hot oil head in pipeline

4 結論與建議

（1）運用SPS仿真軟件構建正反輸送工藝仿真模型，對正反輸送工藝的管道油溫溫降變化進行仿真。

（2）通過對正反輸運行時沿線油溫隨時間的變化進行分析，得出反輸開始后，所選管道在20h左右達到穩定運行，且對于保溫管道，最低溫度出現在冷油頭到達首站時，制定反輸方案時需特別留意。

（3）通過對反輸首站油溫隨時間的變化進行分析，得出反輸首站油溫先降低再升高，最后達到穩定的溫降規律。

（4）通過分析加熱后油頭在管道中溫度變化，得出反輸時，熱油頭對周圍土壤系統進行傳熱的規律，進一步驗證了之前溫降分析的準確性，并對寒區輸油管道制定正反輸送運行方案提供一定指導。

［1］董有智,吳明,繆娟,王昆,趙名師,劉寶明,吳東旭. 低輸量運行管道的不穩定性分析[J]. 管道技術與設備,2007,02:15-16+19.

［2］戢運波. 原油管道低輸量運行影響因素分析與優化措施[J]. 長江大學學報(自科版),2013,25:101-103.

［3］馬偉平,李立,徐海紅,等. 任京輸油管道加降凝劑正反輸運行規律研究[J]. 油氣儲運,2006,02:27-30+62+3+2.

［4］Advantica. Stoner Pipeline Simulator(SPS)9.7.2[R].2009

［5］熊輝. 原油管道仿真系統的開發[D].青島：中國石油大學,2010.

［6］霍連風. 順序輸送管道調度計劃動態模擬研究[D].成都：西南交通大學,2006.

Analysis of the Temperature Drop During the Process of Right and Reverse Transportation in Cold Region

ZHOU Gang1，ZHANG Wei2，YANG Lin1,3，LI Zhe1，LIU Feng-rong1，WANG Jia-nan1，WANG Men4
（1. Key Laboratory of Enhanced Oil Recovery of Education Ministry, Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318, China; 2. Daqing Oilfield Company NO.3 Oil Production Plant, Heilongjiang Daqing 163113, China; 3. Daqing Oilfield Company Storage & Transportation and Marketing Branch, Heilongjiang Daqing 163453, China; 4. Daqing Oilfield Chemical Limited Company Donghao Surface Active Agent Branch, Heilongjiang Daqing 163453, China）

Pipeline simulation software SPS was adopted to establish the simulation model of right and reverse transportation of buried oil pipelines in cold region. The law of the temperature drop during the process of right and reverse transportation was analyzed, including temperature variation along pipes and in initial station over time, and temperature drop variation when oil head floating after heating at different moments. The simulations suggest that oil temperature in initial station drops rapidly and then increases when reverse transportation beginning, keeps stable finally. The temperature variation during reverse transportation is little after 20 h. The lowest temperature of insulated pipeline during reverse transportation appears as cold oil head reaches to initial station. Analysis of the temperature drop during the process of right and reverse transportation of buried hot oil pipeline based on SPS has guiding significance to make the plan of right and reverse transportation in future.

Cold region；Oil pipeline；Right and reverse transportation；SPS；Temperature drop

TE 832

A

1671-0460（2016）03-0542-03

國家科技支撐計劃資助項目，項目編號：2012BAH28F00中國石油科技創新基金研究項目，項目編號：2014D-5006-0607

2015-12-02

周剛（1988-），男，山東省濰坊市人，碩士研究生，油氣儲運工程專業，研究方向：油氣長距離管輸技術。E-mail：zhougang2017@163.com