原油儲罐靜壓倒罐投產(chǎn)的可行性研究

于進 張永斌 杜炘潔 張建昌

1中油國際管道公司

2中國石油西南油氣田公司安全環(huán)保與技術監(jiān)督研究院

3中國石油長慶油田第三輸油處

某原油罐區(qū)儲罐（單罐容量10×104m3）是連接海運與陸運的中轉(zhuǎn)點，在海外原油管道項目中有著極其重要的作用，隨著2015年第一艘油輪的卸載，原油儲罐逐漸進入投產(chǎn)試運階段[1-2]。結(jié)合首艘油輪靠港投用儲罐的實際情況，在投產(chǎn)過程中存在儲罐浮盤或附件滲油需要油輪停泵的運行風險，以及延長油輪靠泊時間而造成的經(jīng)濟損失。鑒于油輪靠港“空罐”投產(chǎn)存在的問題，研究靜壓倒罐投產(chǎn)技術的可行性，對于當前原油儲罐安全平穩(wěn)投產(chǎn)試運行有著一定的實際意義。

1 靜壓倒罐投產(chǎn)

靜壓倒罐投產(chǎn)主要利用該罐區(qū)已投用的11#和12#油罐中13.5×104t原油，通過流程導通、閥門控制流量的方式，利用靜壓逐一將4#～10#油罐投產(chǎn)（1#～3#罐作為儲水備用），使單罐液位達到2.0 m浮盤浮起，罐區(qū)進油方位工藝流程見圖1，倒灌投產(chǎn)流程順序見表1。

表1 倒罐投產(chǎn)流程Tab.1 Production flow of reladling

具體步驟如下：

（1）利用11#油罐液位靜壓逐一對5#、7#、9#罐進行靜壓倒罐操作。

（2） 利用 12#油罐液位靜壓逐一對 4#、6#、8#、10#罐進行靜壓倒罐操作。

（3）靜壓倒罐作業(yè)期間，通過減小閥門開度來控制進口管線流速。

圖1 罐區(qū)進油方位工藝流程Fig.1 Process flow of oil-taking direction

（4）倒罐投產(chǎn)作業(yè)時，按照由遠到近的順序進行倒罐作業(yè)。

2 靜壓倒罐時間分析

2.1 油罐進口管線瞬時流速計算

利用油罐自身靜壓進行倒罐時，進口管線中油品進入油罐的速度會逐漸降低，將11#或12#罐中的油品與進油油罐（4#～10#）進口管線中的油品建立為一個整體的水力系統(tǒng)，在考慮沿程摩阻和管件局部摩阻損失的情況下（由于閥門在不同開度時的摩阻系數(shù)很難確定，因此假設控制閥門處于全開狀態(tài)），建立11#或12#罐油品表面處（以“1”代表該處位置）和進油油罐（4#～10#）進口管線處（以“2”代表該處位置）的水力平衡方程，根據(jù)伯努利方程[3]可得：

式中：v1為倒罐作業(yè)時11#或12#罐中油品表面的下降速度，m/s； v2為倒罐作業(yè)時進油油罐（4#～10#） 進口管線的油品流速，m/s； p1為11#或12#罐中油品表面的絕對壓力，Pa； p2為進油油 罐 （4#～10#） 進 口 管線出口處的絕對壓力，Pa； H1為 11#或 12#罐中油面的高度，m；H2為進 油 油 罐 （4#～10#） 進口管線處油品與該罐內(nèi)油品表面的液位差，m；ρ為油品密度，kg/m3； g為重力加速度，9.8 m/s2；hf為沿程摩阻損失，m；hj為局部摩阻損失，m。

式中：λ為沿程摩阻系數(shù)[4-5]，可根據(jù)經(jīng)驗公式進行估算，本文取0.016；l為進口管線長度，m；d為進口管線內(nèi)徑，m。

式中ζ為局部阻力系數(shù)[6-7]（管線進出口、彎頭、三通等處均會產(chǎn)生局部阻力），阻力系數(shù)值可查閱《油庫設計與管理》[8]得到。

因此，根據(jù)公式（1）可計算出倒罐過程中11#或12#罐在不同液位時，進油油罐進口管線的瞬時流速v2

以12#罐向4#罐倒罐為例：

（1）倒罐開始時12#罐液位為15.86 m，4#罐液位為0，根據(jù)公式（4）計算出4#油罐進口管線的瞬時流速 v2(1)。

（2）倒罐至4#罐液位為1.5 m時（油品與油罐浮盤剛接觸），12#罐液位為14.36 m，根據(jù)公式（4）計算出4#油罐進口管線的瞬時流速 v2(2)（而接觸后水力情況復雜，無法計算流速）。

2.2 單罐靜壓倒罐時間預測

倒罐時間t的估算可分為兩個階段：

（1）第一階段t1。油罐液位由0上升至1.5 m時，所用時間t1可近似采用流速平均的方法[9]進行計算。

式中：v2(1)為倒罐開始時，油罐進口管線的瞬時流速，m/s；v2(2)倒罐至進油罐液位為1.5 m時油罐進口管線的瞬時流速，m/s；V卸油為倒罐期間11#或12#罐的卸油量，該值可查閱罐11#或12#的罐容標定表計算得到，m3； S進口管線為油罐進口管線橫截面積，m2。

（2）第二階段t2。油罐液位由1.5 m上升至浮盤被完全托起（至2 m）期間，油品與浮頂接觸，由于存在摩擦和浮盤重力的影響，該階段用時t2參考罐11#、12#在1月進行投產(chǎn)進油時浮盤浮起時間，約為4 h。

綜上所述，單罐進油時間t=t1+t2。

由于閥門在不同開度時其阻力系數(shù)難以確定，現(xiàn)假設控制閥門全開，可計算得到各罐倒罐的近似時間。表2為儲罐11#、12#倒罐時各罐進口管線內(nèi)油品流速及時間預測，表中涉及的計算參數(shù)（如油品黏度、倒罐管線長度、直徑等）均來自初設文件和施工設計文件。

3 閥門開度控制措施

在本單罐靜壓倒罐時間預測中，各罐進油流速是在假設控制閥全開的情況下進行計算的，但根據(jù)《立式圓筒形鋼制焊接油罐操作維護修理規(guī)程》[10]中的要求，新罐進油時液位上升速度不高于0.3 m/h（1 500 m3/h），即單罐進油時進口管線流速應小于0.8 m/s，以防止靜電荷的大量累積。而按照單罐靜壓倒罐時間預測方法，控制閥全開時計算得到的流速均大于0.8 m/s，因此，此次倒罐操作必須控制閥門開度和流速。

查閱該閘閥的產(chǎn)品說明書《成都乘風閘閥產(chǎn)品說明書》，根據(jù)閘閥的開度-流量特性曲線可知，當閥門的開度為20%時，流量系數(shù)約為全開狀態(tài)的10%，此時流速會得到有效控制。實際操作時，以罐12#向罐4#倒罐為例，控制方法如下：

（1）將0212閥的開度控制在20%。

（2）進油0.5 h后關閉0212閥，根據(jù)進油總量核算進口管線平均流速。

式中：V卸油為進油0.5 h期間12#罐卸油量，該值可查閱罐12#的罐容標定表計算得到，m3； t卸油為進油時間0.5 h，即1 800 s。

表2 原油儲罐11#、12#倒罐時各投產(chǎn)罐進口管線內(nèi)油品流速及時間預測Tab.2 Prediction of pipeline oil flow speed and time at the inlet pipeline of 11#and 12#tank when reladling

（3）如果平均流速小于0.8 m/s，繼續(xù)將0212閥開度控制在20%（如果流速很小，可按5%的幅度增大閥門開度）。

（4）如果平均流速大于0.8 m/s，按5%的幅度減小0212閥開度，0.5 h后按照公式（6）再次進行核算，直至滿足條件。

（5）流速得到有效控制后，根據(jù)單罐靜壓倒罐時間預測方法，計算12#罐中剩余油品倒罐所需時間。

4 結(jié)論及建議

通過對該罐區(qū)儲罐靜壓倒罐投產(chǎn)方案的制定，并理論計算靜壓狀態(tài)下油品倒罐流速，結(jié)合閥門產(chǎn)品說明書確定了閥門控制的具體措施，使進口管線的原油流速控制在規(guī)程允許范圍內(nèi)。結(jié)合本文研究，得出如下結(jié)論和建議：

（1）根據(jù)理論計算，控制閥全開狀態(tài)下流速大于規(guī)程中要求的0.8 m/s，投產(chǎn)操作期間需嚴格按照閥門開度控制措施進行閥門控制。

（2）在結(jié)合設備說明書的基礎上，需編制閥門開度控制流量記錄表格，每0.5 h記錄投產(chǎn)罐進油量，核對并調(diào)節(jié)原油流速。

（3）單罐逐一投產(chǎn)，并做好記錄，確定投產(chǎn)過程中閥門開度與流量的控制關系，為后續(xù)儲罐投產(chǎn)提供依據(jù)。

（4）靜壓倒罐投產(chǎn)期間還應做好儲罐浮盤及附件的檢查工作。

（5）該罐區(qū)原油儲罐靜壓倒罐投產(chǎn)技術可降低油輪及儲罐卸載投產(chǎn)的風險，具有一定的借鑒意義。