武信成品油管道增設孝感混油罐分析研究

李鑫偉 韋克斌

〔中國石化銷售有限公司華中分公司 湖北武漢 430023〕

1 管道概況

中國石化武漢—信陽成品油管道采用常溫、密閉、順序輸送工藝，輸送介質包括0號車用柴油、92號組分汽油和95號組分汽油。管道起點為湖北武漢油庫，終點為河南信陽油庫。武信成品油管道設計輸量225×104t/a，全長235.4 km，管徑Φ323.9×6.4(7.9)mm，設計壓力為9.5 MPa。沿線設孝感和廣水兩個分輸下載站。全線只有信陽末站設有混油下載及回摻設施，為300 m3的富柴罐和富汽罐各1座及2臺Q額=10 m3/h的回摻泵。管道具體參數見表1。

表1 武信管道站場設置情況

2 問題描述

武信管道自2013年投入運行以來，連續穩定運行，在2013年11月份實現了0號普通柴油與0號車用柴油順序輸送，現武信管道進行92號組分汽油、95號組分汽油與0號車用柴油的順序輸送。由于武信管道全線只在末站信陽油庫設立了混油接收和回摻處理裝置，全線混油壓力均集中在信陽末站，導致信陽站無法實現混油全回摻，需通過混油回拖才能保證正常輸油。

基于上述問題，現計劃在孝感站增設混油罐和混油回摻裝置，通過孝感混油分輸減少信陽混油壓力，實現孝感站和信陽站混油全回摻。

3 理論分析

3.1 順序輸送混油產生的因素

兩種油品在管內交替時，產生混油的因素主要有三個：一是管道橫截面沿徑向流速分布不均勻，使后行油品呈楔形進入前行的油品中，產生混油；二是管內流體沿管道徑向、軸向造成的紊流擴散作用，紊流擴散過程破壞了楔形油頭的分布，使兩種油品混合，在一定程度上使混油段油品沿管子截面趨于均勻分布；三是混油段內不同油品間接的分子擴散，也促使沿管子截面混油趨于均勻分布。對于紊流強度不大或層流流動的管內流體，橫截面上油品的混合過程主要是分子擴散的作用。

3.2 混油形成的過程

混油形成過程可由圖1說明：如果管道從輸送A油轉為輸送B油的時刻為t0，在此瞬間，兩種油品的初始接觸面O的左右兩側分別是純油B和純油A，接觸面上的油品體積濃度為KA=KB=0.5，如圖1中(a)所示。經過一段時間t=t2-t1，到時刻t1，油品A、B通過起始接觸面相互滲透，在起始接觸面兩側分別形成一段長為La1、Lb1的混油段，如圖1中(b)、(c)所示在混油段內自右向左A油濃度逐漸減小,B油濃度逐漸增大，在任意截面都有KA+KB=1，初始接觸面處仍然為KA=KB=0.5。到時刻t2，起始接觸面兩側混油段分別加長，如圖1中(d)、(e)所示，混油段內油品濃度變化趨于平緩。可以看出，當管內流速一定時，在某一時刻t，混油段內任一截面上的油品濃度與該截面距起始接觸面的距離x及第二種油品的輸送時間t-t0有關，如設t0=0，則有KA=f1(x,t)，KB=f2(x,t)，且KA+KB=1。

圖1 混油過程示意圖

3.3 混油長度計算

3.2.1 混油長度理論計算公式

在管道中順序輸送汽柴油時，因油品的粘度、管徑、流速、管道長度不同，混油長度亦不同，混油長度可以用理論公式(1)計算：

(1)

式中C——混油長度，m；

Z——混油濃度系數；

L——管道長度，m；

V——平均流速，m/s；

DT——紊流擴散系數。

式(1)為由擴散理論推導的任意對稱濃度范圍內混油長度計算公式，其中，紊流擴散系數DT的計算方法如雅博隆斯基—系茲基洛夫公式(2)：

(2)

式中：νpj——兩種交替油品運動粘度的算數平均值，m2/s；

Repj——按νpj和管內平均流速計算的雷諾數。

應用式(1)計算混油量時，要引入修正系數α。將式(2)代入式(1)得到：

(3)

式中：d——管道內徑，m。

3.2.2變流速下混油長度計算

武信管道全線管徑相同，但在順序輸送時存在變流速情況，不同流速時管道混油長度也不同，因此需對變流速情況下混油的長度計算進行分析。

假設一條成品油管道長度為L，管徑為d，在距離起點L1位置處有一個分輸點，分輸點前流速為V1，雷諾數為Re1；分輸點后流速為V2，雷諾數為Re2；混油經過距離L1的輸送，形成混油長度C1。根據公式(3)得：

(4)

經過分輸點后，管道流態發生變化，雷諾數變為Re2，混油擴散速度發生變化，新增混油若按下式(5)計算：

(5)

由于初始混油生成速度較快，按式(5)計算混油量較大。但管道流態發生變化，雷諾數變為Re2時已經生成一定長度的初始混油，對混油增長速度有一定的影響，按式(5)計算混油量，其結果遠大于實際生成的量。若最終混油長度按式(6)計算：

(6)

則在管輸距離L1之前，混油長度是按雷諾數Re2計算，與實際不符。因此，如何較準確地計算出管道分輸后混油長度的變化，需引入當量長度的概念，即混油頭經過距離L1的輸送，雷諾數為Re1，形成混油長度C1；當流態發生變化，雷諾數變為Re2時，根據混油長度C1推算出，在雷諾數為Re2時形成C1長度混油的管道當量長度L′：

(7)

最終混油長度為：

(8)

3.4 孝感分輸混油長度計算

武信管道順序輸送混油界面為92號汽油和0號車柴，其中92號汽油的運動粘度為0.6 mm2/s，0號車柴的運動粘度為4.5 mm2/s。體積濃度范圍取5%～95%，其中武漢至孝感段流量為360 m3/h，孝感至信陽段流量為220 m3/h，管道具體參數見表1。現用式(3)和式(8)對每個混油界面中孝感分輸混油后孝感混油量、信陽混油量及全線總混油量進行計算分析，具體結果詳見表2、表3和圖2所示。

表2 孝感不同比例混油分輸后孝感、信陽及總混油下載量 m3

表3 實際管輸中孝感混油過站量和信陽混油下載量

圖2 孝感不同比例分輸后混油變化圖

由表2、表3和圖2可知，隨著孝感分輸混油比例的增大，信陽混油下載量減少幅度逐漸降低，而要兩個站場下載的總混油量持續上升。但孝感在最大比例分輸混油后可使得信陽混油下載量由原來的57 m3降至47 m3左右，每個界面少下降10 m3左右，每個月輸送一個批次，每個批次兩個混油界面，則全年可少將近240 m3左右的混油，對于混油回摻困難的信陽站有極大的幫助，下面具體分析混油回摻情況。

4 混油回摻計算

混油罐的混油消化主要靠混油的回摻處理，因此混油的切割依據應以混油的回摻情況為主，確保進混油罐的混油能夠全部被回摻處理才能使混油不積壓，不影響管道連續穩定輸送。

混油回摻首先需要計算好純油的摻混量，其次計算混油回摻量，然后進行回摻。

4.1 純油回摻量的計算

(1)純汽油中回摻入純柴油，允許回摻柴油的最高體積濃度計算依式(9)：

(9)

式中：KD——柴油混入汽油中，柴油允許的體積濃度，%；

ta——有一定質量潛力汽油的實際終餾點，℃；

[ta]——國家標準中規定汽油的允許最高終餾點，℃。

(2)純柴油中回摻入純汽油，允許回摻汽油的最高體積濃度計算依式(10)：

(10)

式中：KG——汽油混入柴油中，汽油允許的體積濃度，%；

tb——有一定質量潛力柴油的實際閃點，℃；

[tb]——國家標準中規定柴油的允許最低閃點，℃。

4.2 混油濃度的計算

由于油品的密度具有體積可加和性，對于汽柴混油來說，只要測定純油和混油的密度，就可以按照公式計算出混油中汽油、柴油的濃度。

(11)

(12)

式中：XG——汽油的體積濃度，%；

XD——柴油的體積濃度，%；

ρH——混油的標準密度，kg/m3；

ΡG——汽油的標準密度，kg/m3；

ρD——柴油的標準密度，kg/m3。

4.3 混油回摻量的計算

(1)混油回摻百分量計算：

純柴油中摻入富柴油的百分量=KG÷XG

(13)

純汽油中摻入富汽油的百分量=KD÷XD

(14)

(2)混油回摻量的計算：

富柴油的回摻量(m3)=柴油下載量(m3)×KG÷XG

(15)

富汽油的回摻量(m3)=汽油下載量(m3)×KD÷XD

(16)

4.4 實例計算與分析

武信管道現順序輸送92號汽油、95號汽油和0號車柴三種油品，混油回摻只在下載92號汽油和0號車柴時進行，現將孝感站和信陽站2016年、2017年92號汽油和0號車柴下載量的結果，見表4。

表4 孝感站、信陽站汽柴油下載量 ×104t

由于混油切割時有部分油頭和油尾需要純油進行中和，保證油品質量，因此根據經驗，孝感站和信陽站可回摻純油量按總下載量60 %計算，在混油切割時進富柴罐和富汽罐混油量比例一般為7∶3，則孝感站在不同混油分輸比例情況下，孝感站和信陽站全年富柴與富汽總下載量統計見表5。在計算時取富柴罐油品標密為805 kg/m3，富汽罐油品標密為768 kg/m3。將表4數據帶入式(9)～式(16)，具體計算結果詳見表6和表7所示。

表5 孝感站、信陽站全年富柴與富汽總下載量 m3

表6 孝感站、信陽站富汽回摻潛力 m3

表7 孝感站、信陽站富柴回摻潛力 m3

由表5、表6得到圖3(圖中數據表示純汽油終餾點，℃)，可以看出孝感站、信陽站富汽下載量與不同純汽油指標下回摻量的對比情況。通過表5和表6的對比可得孝感站、信陽站在孝感不同混油分輸比例下實現富汽全回摻所需的武漢站出庫純汽油終餾點，由于從武漢輸送純汽油到達信陽距離過長，純汽油終餾點根據經驗將會上升1.5 ℃左右，到達孝感時純汽油終餾點基本不變，計算時需考慮，具體數據見表8。

圖3 孝感站、信陽站富汽下載量與回摻量對比圖

表8 孝感站、信陽站富汽全回摻所需武漢站出庫純汽油終餾點

由表(8)可知，孝感實現富汽全回摻只需武漢出庫的純汽油終餾點達201℃即可，因此孝感富汽混油基本可以實現全回摻。信陽站在孝感混油分輸比例為10 %及以下時實現混油全回摻需要武漢出庫的純汽油終餾點達198.3 ℃。在其余分輸比例情況下信陽實現全回摻則需要武漢出庫的純汽油終餾點達到198.7 ℃。

由表5、表7得到圖4(圖中數據表示純柴油閃點，℃)，可以看出孝感站、信陽站富柴下載量與不同純柴油指標下回摻量的對比情況。通過表5和表7的對比可得孝感站、信陽站在孝感不同混油分輸比例下實現富柴全回摻所需武漢站出庫的純柴油閃點，由于從武漢輸送純柴油到達信陽距離過長，純柴油閃點根據經驗將會下降1.5℃左右，到達孝感時純柴油閃點基本不變，計算時需考慮，具體數據見表9。

圖4 孝感站、信陽站富柴下載量與回摻量對比圖

表9 孝感站、信陽站富柴全回摻所需武漢站出庫純柴油閃點

由表(9)可知，孝感站實現分輸富柴混油全回摻需要武漢站出庫的純柴油閃點達66.5℃及以上。信陽站在孝感混油分輸比例在20%及以下時實現混油全回摻需要武漢站出庫的純柴油閃點達71.5℃，在其余分輸比例情況下信陽實現全回摻則需要武漢站出庫的純柴油閃點達71℃。

5 結語

(1)孝感增設混油罐分輸混油后，信陽站每年最大可減少混油下載約240 m3。

(2)孝感實現富汽全回摻只需武漢站出庫純汽油終餾點達201 ℃即可，因此孝感富汽混油基本可以實現全回摻。信陽站在孝感混油分輸比例在10 %及以下時實現混油全回摻需要武漢站出庫純汽油終餾點達到198.3 ℃，在其余分輸比例情況下信陽實現全回摻則需要武漢出庫純汽油終餾點達到198.7 ℃。

(3)孝感站實現分輸富柴混油全回摻需要武漢站出庫純柴油閃點達到66.5 ℃及以上。信陽站在孝感混油分輸比例在20 %及以下時實現混油全回摻需要武漢站出庫純柴油閃點達到71.5 ℃，其余分輸比例情況下信陽實現全回摻則需要武漢站出庫純柴油閃點達到71 ℃。

(4)可將孝感站作為混油順序輸送時的末站，孝感站可將本站下載的混油完全消化。