結蠟厚度對含蠟原油管道蠟沉積速率預測的影響

張瑩

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結蠟厚度對含蠟原油管道蠟沉積速率預測的影響

張瑩

（中國石油大學（北京）油氣管道輸送安全國家工程實驗室， 北京 102249）

以鐵嶺-秦皇島管道冬季輸送大慶原油為算例，對考慮和不考慮已有沉積物對后續沉積速率影響這兩種算法通過MATLAB軟件編程進行對比。結果表明，兩種算法蠟沉積速率的差異與相對結蠟厚度成線性關系，相對結蠟厚度越大，差異越大。通過進一步計算分析，明確了造成兩種算法差異的主要原因是動力參數的變化。

含蠟原油；結蠟厚度；蠟沉積速率；

我國原油多為含蠟原油，在管道輸送過程中，溶解于油中的蠟分子會隨著油流溫度的降低而逐漸析出并沉積在管壁上，隨著運行時間的延長，結蠟厚度越來越大，會造成管道內有效管徑減小，造成輸量降低、壓力增大、輸送成本增大等問題，故當結蠟厚度達到一定程度時就必須對管道進行清管。因此需要準確地判斷結蠟速率，才能準確地對結蠟厚度做出預測，這對于輸油管道安全、經濟運行至關重要[1]。根據查閱的已有文獻中，發現在對結蠟速率計算時有的文獻考慮了已有的結蠟厚度對后續蠟沉積速率的影響，而有的文獻并未提及上述影響，故本文希望通過就考慮和不考慮結蠟厚度對蠟沉積速率的影響做比較。

1 結蠟模型概述

國內外學者在研究結蠟規律時，一般先從蠟沉積機理分析入手，然后通過室內模擬實驗，在獲取實驗數據的基礎上，建立半理論半經驗模型，再通過現場數據對模型檢驗，從而判定模型的適用性及準確性。結蠟模型主要分兩類：一類是蠟析出模型[2-4]，另一類是蠟沉積模型[5-7]。

本論文根據蠟沉積方面的已有成果，并以中國石油大學（北京）黃啟玉[7]等人的普適性結蠟模型為核心基礎，就考慮和不考慮結蠟厚度采用MATLAB軟件編程對蠟沉積速率的影響這兩種算法對蠟沉積結果進行計算。

2 計算介紹

2.1 結蠟模型

與前人的結蠟模型相比，普適性模型明確地考慮了管壁處剪切應力的影響，將一些確定及不確定因素歸于值中。該模型的優點在于當其被用于現場結蠟預測時不需要通過大量的模擬實驗并且經過驗證，準確度較高。具體計算式為：

2.2 主要參數

（1）沿線油溫

利用蘇霍夫公式計算，本文中按1 km為一個步長單位，不足1 km的按1 km計算。

（2）管壁處徑向溫度梯度d/d

（3）管壁處剪切應力

表1 管壁處剪切應力

（4）管壁處蠟分子溶解度系數

運用DSC方法可以確定原油的含蠟量以及某一溫度區內原油的析蠟量，根據原油的析蠟特性曲線（不同溫度的累積析蠟量），得到平均油溫下管壁處蠟分子溶解度系數。

（5）黏度、密度、比熱容、導熱系數

黏度：根據原油的黏溫曲線得到對應溫度下的黏度。

比熱容：比熱容是溫度的函數，原油和成品油的比熱容一般在1.6~2.5 kJ/(kg·℃)，本文粗略計算時取2 150 J/(kg·℃)。

導熱系數：本文粗略計算原油導熱系數取0.14 W/(m·℃)。石蠟導熱系數取2.5 W/(m·℃)。

（6）總傳熱系數

3 計算程序框圖

計算程序見圖1。

4 程序算例

以鐵秦線鐵嶺—新民站間管段冬季輸送大慶原油時為算例。

原油物性：大慶原油凝點33.5 ℃，析蠟點44.2 ℃，含蠟量28.44%，20 ℃時的密度為860 kg/m3。

選取距出站1 km（起點）、8 km（結蠟最嚴重的點）和92 km（終點）處的節點進行分析，實線代表不考慮結蠟厚度對蠟沉積速率的影響，虛線代表考慮結蠟厚度對蠟沉積速率的影響。

圖1 考慮結蠟厚度對蠟沉積速率影響的程序框圖

圖2 不同節點處兩種算法的蠟沉積速率

（1）不同節點處，考慮和不考慮結蠟厚度影響時，蠟沉積速率規律一致。即不考慮結蠟厚度影響時，蠟沉積速率不變；考慮結蠟厚度影響時，結蠟厚度越大，蠟沉積速率越小。

（2）同一節點處，在考慮結蠟厚度對傳熱影響時，結蠟厚度越大，蠟沉積速率減小得越快。因為考慮結蠟厚度時對傳熱影響時，結蠟厚度越大，總傳熱系數減小得越來越快，相當于形成的保溫蠟層的保溫效果越來越好，油流與外界換熱受阻，同一節點處蠟層表面的溫度升高得越來越快，徑向溫度梯度減小得越來越快，蠟分子擴散速率減慢，因此結蠟速率也因此隨結蠟厚度增加而減小得越來越快。

為更加清楚地描述兩種算法蠟沉積速率的差異，故定義了如下變量：

以=8 km處的節點為例，計算了該處兩種算法蠟沉積速率差異、傳熱系數的差異、管壁處剪切力差異和溫度梯度差異隨結蠟厚度的變化情況，見圖3(a)、圖3(b)、圖3(c)和圖3(d)。

圖3(a)~(d) 各參數的差異與結蠟厚度的關系

這是由于隨著運行時間的延長，同一節點處的蠟層厚度不斷增大，在考慮結蠟厚度對傳熱的影響時，該節點處的總傳熱系數和管內徑也會不斷減小，進而引起了蠟沉積速率計算公式中的徑向溫度梯度、管壁處剪切力等參數的變化。

5 結 論

［1］王平, 江國業, 田藝兵，等. 結蠟厚度對輸油成本的影響[J]. 石油化工高等學校學報, 2002, 01: 47-50.

［2］Won K W. Thermo dynamics Calculation of Cloud Point Temperature and Wax Phase Composition of Refined Hydrocarbon Mixtures[J]. Fluid Phase Equil, 1989 (53).

［3］Hansen J H, Pedersen K S. Thermo dynamic Model for Predicting Wax Formation in Crude Oils[J]. AIChE: 1988 (34).

［4］Svendsen J A. Mathematical Modeling of Wax Deposition in Oil Pipeline Systems[J]. AIChE, 1993 (39).

［5］Burger E D., Perkins T K., Striegler J H. Studies of Wax Deposition in the Trans–Alaska Pipeline[J]. Journal of Petroleum Technology, 1981(4): 1075-1086.

［6］Hamouda A A, Ravn y J M. Prediction of Wax Deposition in Pipelines and Field Experience on the Influence of Wax on Drag-Reducer Performance, OTC 7060, the 24th Annual OTC, Houston, Texas, 1992, 669-679.

［7］黃啟玉,李瑜仙,張勁軍.普適性結蠟模型研究[J].石油學報, 2008, 03: 459-462.

Effect of Wax Deposit Thickness on Prediction of Wax Deposition Rate in Waxy Crude Oil Pipelines

（National Engineering Laboratory of Oil and Gas Pipeline Transportation Safety, China University of Petroleum, Beijing 102249，China）

Taking Tieling-Qinhuangdao pipeline for transporting Daqing crude oil in winter for an example, based on the mechanism of waxy crude wax deposition and wax deposition rate model, two kinds of algorithms: considering and without considering the impact of wax deposits on subsequent wax deposition rate, were developed; a comparison was carried out for calculating the wax deposition rate by using Matlab language. The results show that, in the pipeline transportation of waxy crude oil, the difference between wax deposition rates calculated by using two algorithms has a linear relationship with wax deposit thickness, the greater the relative wax deposit thickness, the greater the difference is. Furthermore, the computing results show that, the main factor to cause the difference of these two algorithms is the variation of the dynamic parameter.

waxy crude oil; wax deposition rate; pipeline transportation

TE 832

A

1004-0935（2017）04-0377-04

2017-03-06

張瑩（1993-），女，中國石油大學（北京）研究生在讀，湖北省荊州市人，2015 年畢業于中國石油大學（北京）油氣儲運工程專業， 研究方向：從事多相管流及油氣田集輸。