長輸原油管道能耗關鍵影響因素研究

梁宏寶 馬百濤 姜 勇 李 博

(1.東北石油大學機械科學與工程學院；2.北京油氣調控中心)

長輸原油管道能耗關鍵影響因素研究

梁宏寶*1馬百濤1姜 勇2李 博1

(1.東北石油大學機械科學與工程學院；2.北京油氣調控中心)

對長輸原油管道的能耗進行數學建模，通過實例分析了影響長輸原油管道能耗的主要因素和變化規律。提出了降低管道能耗的具體措施，有效降低了長輸原油管道的運行費用、提高了經濟效益。

原油管道 能耗 數學建模 運行成本

管道運輸是運輸原油的主要方式，截止2013年12月，我國油氣管道總長度達到8.70萬公里，其中，天然氣管道約4.85萬公里，原油管道約2.31萬公里，成品油管道約1.53萬公里。輸油管道的運行是一個復雜的過程，它受到出站溫度、管線環境狀況及油品的粘溫關系等影響[1,2]。長輸管道在運行的過程中，各種因素對能耗的影響各不相同，為了降低長輸原油管道的能耗，許多國內外的專家和學者對熱油管道的優化進行了大量的研究，取得了一定進展。針對我國輸油管道的不同工況，一些研究人員從目標函數、決策變量及約束條件等方面進行研究[3]。但是，研究人員在降低原油管道能耗方面，并沒有對原油管道運行過程進行能耗的具體分析與計算。為此，筆者通過實例分析管道能耗費用的主要影響因素，并給出優化運行措施。

1 建立長輸原油管道能耗的數學模型

1.1長輸原油管道的穩態軸向溫降

原油管道運輸過程中，當原油進入管道之前需要在加熱站加熱，以便運輸順暢，要保證當加熱到一定溫度時，原油在流動過程中向管道外散發熱量后，原油的溫度仍不會太低。當原油經過加熱站后，再經過泵站加壓，以便保證原有的流速。假定原油管道的流量和原油物性不變時，管道沿程的溫度分布可表示為：

TL=(T0+b)+[TR-(T0+b)]e-aL

(1)

式中b——與摩擦有關的系數；

c——均溫下原油的比熱容，J/(kg·℃)；

D——管道外徑，m；

G——原油的質量流量，kg/s；

i——油流的水力坡降；

K——管道的總傳熱系數，W/(m2·℃)；

L——管道加熱輸送長度，m；

T0——周圍介質溫度，℃；

TL——距起點為L處的油溫，℃；

TR——管道起點油溫，℃。

若忽略摩擦的影響，令b=0，代入式(1)可以得到蘇霍夫公式：

TL=T0+(TR-T0)e-aL

(2)

1.2熱能消耗的計算

原油經過加熱站時，加熱站中的加熱爐對原油進行加溫、加壓以保證油流運輸流暢。加熱站燃料一般采用原油或油渣。加熱站的熱能消耗也是能耗的重要組成部分[4,5]。加熱站的有效熱負荷計算公式為：

q=Gc(TR-T0)

(3)

加熱站工作過程中，在t時間(單位h)內，燃料油的消耗總量和把10kt原油輸送1km的距離所消耗的燃料總量的計算公式分別為：

(4)

式中c——均溫下的油品比熱容，kJ/(kg·℃)；

E——燃料油低位熱值，kJ/kg；

TR——出站溫度,℃；

TZ——進站溫度,℃；

η——加熱系統效率。

1.3原油管道的摩阻計算

經加熱站加熱的原油在管道里面流動時，需要進行摩阻計算。過去人們計算原油管道摩阻的時候,一般根據平均溫度法將原油的物性參數當做定值,同時忽略流態變化的影響，以及流型轉變的影響,在這樣的情況下必然會帶來一些計算誤差。筆者考慮到流態和流型因素會隨著油溫以及外界溫度的變化而變化,從而對加熱站間管路的摩阻損失計算進行了區間劃分并且采用了數值解法。熱油管道的摩阻計算公式為。

(5)

式中d——管道內徑，m；

Q——體積流量，m3/s；

v——油品運動粘度，m2/s。

在式(5)中，達西參數A、β、m的值不是固定的，是隨流態和流型的變化而變化的，它們的數值以及各流態區沿程摩阻的計算式見表1。

表1 不同流態時A、m、β值

注：Re1=59.5/ (ε8/7)；Re2=(665-7651gε)ε；ε=2e/d；e為管面平均絕對當量粗糙度，m。

1.4動力能耗的計算

機械能消耗的大小由原油管道的高差和管道輸送原油時的摩阻損失所決定。管道運輸原油的過程中主要就是電的消耗量，泵提供給單位質量原油的有效能頭為：

(6)

式中hf——沿程摩阻損失,m；

hmi——各站站內摩阻,m；

ZQ——管段起點處高程,m；

ZZ——管段終點處高程,m。

泵的有效功率為:

(7)

式中h——揚程,m；

N有效——泵的有效功率,kW；

Q——泵排量,m3；

ρ——原油密度,kg/m3。

2 原油管道能耗的影響因素的研究

2.1加熱原油管道熱能消耗的影響因素

燃料油單耗是加熱管道熱能耗的主要影響因素之一，它不但取決于加熱爐的效率，而且還受到管道輸入量輸出的影響。燃料油單耗計算公式為：

(8)

(9)

從式(9)可以看出：當進站溫度不變的情況下，油單耗與(TZ-T0)的關系是成正比的，與加熱爐的效率η成反比關系。經過分析可以知道，長輸原油管道影響油單耗的因素主要包括原油實物輸入量和輸出量、介質的溫度、加熱爐的有效功率。長輸原油管道輸入量和輸出量越大，介質溫度越高，加熱爐的效率越高，燃料油單耗越低。通過分析可以得出如下結論：

a. 長輸原油管道的輸入量變化對熱能的消耗有一定的影響。當長輸原油管道進站油溫為一個固定值時，假設在原油其他物性參數不變的情況下，如果原油管道的原油輸送量減少，原油的出站油溫變高，整個管路的沿程熱損失會增大，加熱爐的燃料油消耗量也會隨之升高。

b. 溫度變化對熱能的消耗有一定影響。在季節性的溫度變化過程中，地下長輸原油管道周圍介質的溫度也會改變，使得長輸原油管道的散熱發生了改變，從而使得長輸原油管道的能耗發生改變。當長輸原油管道周圍介質溫度上升時，長輸原油管道熱能的消耗會降低，當原油管道周圍介質溫度降低時，長輸原油管道熱能的消耗會有所提高。同時，長輸原油管道的總傳熱系數對原油管道的熱能消耗也有一定的制約。

2.2原油管道動力消耗的影響因素

電單耗是影響原油管道動力消耗的主要因素之一，電力的消耗同時受到多方面因素的制約，包括流量、粘度、泵效率、電機效率、雷諾數及密度等。電單耗計算公式為[6]：

(10)

(11)

從式(11)可以看出，對于水平的長輸原油管道來說，電單耗跟原油的流量Q2-m和原油粘度vm是成正比關系的，同時，與泵的效率η1和電機效率η2成反比關系，原油管道中的原油在水力光滑區m的值為0.25。原油的粘度與輸送量對電單耗有一定影響。輸送量對電單耗的影響比粘度對電單耗影響大得多。對于有部分大落差的原油管道來說，為了克服高程差所消耗的電單耗可以看作是一個恒定值。原油流量的變化對動力消耗有一定影響，含蠟的長輸原油管道大部分都工作在湍流的水力光滑區，所以會使泵的電耗增大，當雷諾數值變大時，管道原油輸送量會加大對摩阻的影響。原油的粘度、密度和油品物性對長輸原油管道動力消耗的影響較大。當原油的粘度變大時會導致摩阻損失也變大，耗電量也會上升。當原油的輸送量為一定值時，原油的粘度決定摩阻損失的大小；輸送原油的溫度決定原油粘度；原油輸送量的大小和原油管道周圍介質溫度的高低決定原油粘度的大小。

3 實例分析

以秦京線長輸原油管道為例，進行電單耗、油單耗影響因素的量化分析。原油管道全長為330km，原油管徑529mm，壁厚8mm，材料70#鋼，原油管道沿程建有6個電機驅動的泵站，6個燃油的加熱站，原油管道的設計輸送量為6Mt，在計算時取原油密度為850kg/m3。原油管道的基本參數見表2。

表2 管道的基本數據

3.1電單耗影響因素分析和控制方法

在原油管道的運輸過程中，伴隨著原油溫度的變化，其粘度也會變化，對電單耗的影響很大，定量地分析秦京線原油輸送量、原油粘度等因素對電耗的影響，得出其變化規律。

3.1.1原油輸送量變化對電單耗的影響

假定介質溫度、海拔及泵效率等因素一定時，得到的原油輸送量變化對電單耗的影響見表3。

表3 不同輸送量下的電單耗

可以看出，原油管道的原油輸送量增加10%時，電單耗增加約17%。所以，為了降低原油管道原油輸送能耗，在原油管道設計的過程中，應優先把原油輸送量對電單耗的影響考慮在內，同時要對設計好的原油管道進行優化設計，選定合理的管理流程[6]。

3.1.2粘度變化對電單耗的影響

長輸原油管道在運行的過程中，原油的粘度對電單耗的影響也是很大的，在其他外界因素不變的情況下，得到粘度的變化對電單耗的影響見表4。

表4 不同粘度下的電單耗

當秦京線原油管道中的液體粘度為1.5×106m2/s時，油流處在混合摩擦區。在混合摩擦區里會使一部分能量浪費掉，從表4可以看出，當原油流態處于水力光滑區時，原油粘度增加10%，電單耗增加約2.2%。所以，在原油管道運輸過程中應適當控制油流溫度，控制油流溫度也就控制了油的粘度，使油的粘度值最適宜，從而可以降低電單耗，節約管道的運行費用。

3.2油單耗影響因素分析與節能措施

假定秦京線的各進站溫度為定值(35℃),地溫取17℃，原油比熱容取2.2kJ/(kg·℃),原油的低位熱值取42MJ/kg，加熱站加熱系統效率83%，原油管道總傳熱系數為1.96W/(m2·℃)。在熱力學計算過程中忽略摩擦熱的作用，利用蘇霍夫公式進行熱力學計算。

3.2.1輸送量變化對油耗的影響

長輸原油管道在運行的過程中，原油管道的輸油量對油單耗的影響很大，在其他外界因素一定的條件下，得到輸送量變化對油單耗的影響見表5。

表5 不同輸送量下各站出站溫度和油單耗

可以得出：年輸送量對油單耗的影響很大，當輸送量增加9%時，油單耗降低約8%。因此，適當的控制輸送量可以降低油單耗。

3.2.2地溫變化對油單耗的影響

地溫是影響原油運輸能耗的重要因素，其他因素不變的情況下，得到地溫變化對油單耗的影響見表6。

表6 不同地溫下各站出站溫度和油單耗

可以看出：當外界的介質地溫從0℃增加到10℃時，會使油單耗降低約29%；當外界的介質地溫從10℃增加到20℃時，油單耗降低約40%；當外界的介質地溫從20℃增加到30℃時，油單耗降低約75%。由此可得，地溫對原油管道的能耗的影響非常明顯。所以，為了有效降低原油管道的能耗，在原油輸送過程中，使終點站油溫高于原油自身凝固點，可以很好地達到節能效果，在具體實施操作方法上可以運用逐次降溫的方式。

4 結論

4.1原油管道運輸中，應使終點站的原油溫度略高于原油自身凝固點，可以有效降低能耗。

4.2適當的控制原油的輸送量可以降低油單耗，輸送量增加10%，油單耗降低約10%，電單耗增加18%。輸送量越大、地溫越高、加熱爐效率越大，油單耗越低。

[1] 李云杰.油氣管道能耗測算方法研究[D].青島：中國石油大學(華東)，2009.

[2] 李曉宇.原油管輸能耗預測方法研究[J]. 油氣儲運，2009，28(6)：64～68.

[3] Churskovs S K，Nesterov I D，Bogstykh K F.Methods of Reducing Energy Consumption at the Partial Crude Oil Topping Stage[J]. Chemistry and Technology of Fule and Oils,2013,49(1):6～9.

[4] 劉冰.油氣管道能效管理[M].北京:地質出版社，2011.

[5] 楊筱蘅.輸油管道設計與管理[M].北京：中國石油大學出版社,2006.

[6] 林國華．有關原油管道熱損失的探討[J]．油氣儲運，1986，5(2)：61～64．

AnalysisofFactorsInfluencingEnergyConsumptionofCrudeOilPipelines

LIANG Hong-bao1, MA Bai-tao1, JIANG Yong2, LI Bo1

(1.CollegeofMechanicalScienceandEngineering,NortheastPetroleumUniversity,Daqing163318,China;2.PetroChinaOil&GasPipelineControlCenter,Beijing100101,China)

The mathematical modeling of the energy consumption of oil long-distance transmission pipeline was implemented and the main factors which affecting the energy consumption and its change rule were analyzed so as to propose the specific measures to reduce energy consumption and operating cost of the pipeline as well as improve its economic benefits.

crude oil pipeline, energy consumption, mathematical modeling, operating cost

*梁宏寶，男，1966年8月生，教授。黑龍江省大慶市，163318。

TQ055.8+1

A

0254-6094(2016)03-0311-05

2015-07-01)