輸油管道優化運行分析研究

趙學儉

（中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司油氣集輸總廠，山東 東營 257100）

某輸油管道更新后的管線于2015 年3 月投產，全長88.3km，管徑Φ610×7.9（8.7），設計工作壓力5.0MPa，設計輸送能力800×104t/a，具備1000×104t/a 的能力。主干線上包括三個站場：首站東營原油庫、中間熱泵站廣饒輸油站及末站臨淄原油庫，在首站與中間站之間（距東營原油庫28km），花官輸油站啟泵將清河油匯入干線，在廣饒輸油站給現河采油廠摻稀，同時接收其稠油。另一段于2006 年10 月投產，全長13.7km，管徑Φ508×7.1，設計工作壓力4.0MPa，設計輸油能力600×104t/a。

1 現狀分析

該輸油管道輸送的原油屬于稠油范疇，對于一條稠油輸送管道，消耗的能量主要包括電力和燃料兩種。兩種能量消耗是一對矛盾體，提高輸油溫度，輸油的燃料消耗會上升，而油品粘度降低，沿線的摩阻損失將減少，輸油動力消耗會下降；反之，降低輸油溫度，輸油的燃料消耗會下降，但油品的粘度將上升，輸油的動力消耗則增加。因此，對應某一個流量，一條熱油管道必然存在一個能耗費用最低的輸油溫度和對應的啟爐、啟泵方案。

目前，該輸油管道存在的突出問題主要表現在：一是不同季節地溫不同引起油品物性發生明顯變化，再加上輸量發生變化，部分場站出現輸量與泵和加熱爐的啟停方案不匹配，使得設備運行效率較低，能量浪費嚴重，整條輸油管道的運行能耗較大；二是目前站場操作以經驗為主，站場運行參數調節缺乏指導性建議，缺乏簡潔直觀的輸油管道運行操作平臺；三是不同輸量、不同地溫條件下的該輸油管道優化運行方案尚缺乏系統性研究，使得該輸油管道不同規劃調度工況下的節能降耗目標的制定存在較大困難。

2 計算方法和評價指標

根據現場測得的數據，在進行分析時作以下合理假設。

（1）去除不合理的數據，避免產生不必要的誤差（如9月全線檢修造成不穩定運行、站庫間溫差較小引入的數據誤差等）。

（2）其他現場測得的數據，包括溫度、表壓、流量等都準確可靠。

應用PIPEPHASE 軟件建立管道模型，該軟件進行模擬計算時，可以選擇的流體類型包括液體(Liquid)和黑油(Black oil)，對應的壓降計算方法分別為Moody 模型和BBM 模型，通過計算對比，發現兩者的計算誤差相差不大，本項目采用液體模型進行計算。

將原油物性參數、管道基礎參數及運行參數分別代入該模型中，利用現有運行數據，驗證模型計算方法的準確性，在此基礎上，分析不同季節（地溫不同）、不同輸量下的管道運行參數規律。

驗證模型時，以廣饒站進站溫度為約束，反算東營原油庫～廣饒站區間管段的東營原油庫和花官輸油站的出站壓力，廣饒站～臨淄原油庫管段驗證方法類似。

對于正在運行的熱油輸送管道，其經濟性可用能耗費用、輸油成本和利潤來衡量，三者是密切相關的。盡管對于不同的經濟指標有相應的經濟運行方案，但在一定時間內總輸油量一定的條件下，各種不同的經濟指標所對應的經濟運行方案是相同的。由于能耗費用計算簡單，一般以能耗費用作為評價輸油經濟性的指標。每個月的總輸油量是由上級部門決定的，因此，優化必須以完成輸油計劃并使能耗費用最少為目標。在管道優化運行研究和實踐中，一般采用能耗最低或費用最低為評價標準。

2.1 理論公式

2.1.1 沿程溫降計算公式——蘇霍夫公式

對蘇霍夫公式變形，可以得到管道總傳熱系數計算公式：

2.1.2 壓降計算公式——Beggs&Brill 壓降計算法

Beggs&Brill 壓降計算法是多相流工藝計算中常見的一種方法。它先判斷流型，再求水平管或傾斜管的截面含液率和氣液兩相水力摩阻系數，最后求得管道的壓降梯度。

式中：p 為管段內流動介質的平均絕對壓力，Pa；HL截面含液率，無因次；λ 為氣液混輸水力摩阻系數，無因次；ρgρL氣、液相密度，kg/m3；M 氣液混合物質量流量，kg/s；ω 氣液混合物流速，m/s；ωsg管內徑，m；d 為氣液混輸水力摩阻系數，無因次；θ 為管段傾角，度或弧度。

2.2 評價指標

2.2.1 能耗最低優化

總能耗

其中，燃料消耗標準煤

電力消耗標準煤

式中：G 日輸油質量流量，kg/d；ΔT 管道起終點溫差，℃；cy所屬油品的比熱容，kJ/（kg·℃）；ηR加熱爐效率；ηpe泵機組效率；H 為加熱站站間管道所需壓頭，m 液柱。

2.2.2 費用最低優化

式中：eq燃料氣價格，元/m3；ed為電力價格，元/(kW·h）；BH燃料氣熱值，kJ/kg；ηR為加熱爐效率；ηpe泵機組效率；加熱站間距，km；H 加熱站站間管道所需壓頭，m 液柱；cy所屬油品的比熱容，kJ/(kg·℃)。

3 運行優化分析

以廣饒—臨淄段2 月運行數據為例。選定計算得到的K值為0.70，通過不斷調整加熱站出站油溫TR的值，采用公式（1～3）計算得到臨淄原油庫進站油溫，進而采用公式（4 ～6）計算得到燃料費用SR、動力費用SP以及總能耗費用S，作圖1 如下。其中，TRJ為總能耗費用S 最小時對應的廣饒加熱站出站溫度。

圖1 加熱站出站油溫TR 與總能耗費用S 的關系（以2 月份運行數據為例）

采用同樣的方法，可以得到在不同月份下東營—廣饒、廣饒—臨淄段的總能耗費用S 最小時，對應的加熱站出站溫度，如下表1 所示。

4 結語

（1）該輸油管道運行出站溫度與沿線地溫的變化關系密切，全年沿線地溫為加熱爐開閉、負荷控制的重要參數。

表1 總能耗費用S 最小時的加熱站出站溫度（℃）

（2）通過研究得到了該輸油管道沿線各加熱站的最優出站溫度，為調節生產運行、降低運行成本提供了理論依據。

（3）調整后的方案在滿足輸量要求的前提下，能夠滿足該輸油管道輸送的安全要求，對管道生產安全不會造成負面影響。