含蠟熱油管道蠟層厚度預測

牛建森

(西安石油大學，陜西 西安 710065)

含蠟原油在長輸管道運輸過程中會不斷的結晶析出，并且會不斷的積聚在管壁處。一般情況下，我們選擇長輸管道是因為其經濟。為了符合經濟安全的原則，我們需要對蠟層厚度進行預測，以便指導管道實時運行得更加經濟和安全。析蠟造成的影響：一方面減小加熱費用；另一方面加劇輸送費用。因此，不能簡單地認為析蠟是不好的，需要得到一個最優解，讓析蠟有利于輸送原油，這里最關鍵的是能夠預測得到蠟層的厚度。一般來說，容易得到出站壓力與進站壓力，油品性質、壓降、溫度等運行參數，以及環境參數，所以需要找到一種方法，用這些數據就能得到管道的析蠟厚度。

1 結蠟厚度的數學模型

1.1 目標函數

原油的水力坡降和摩阻損失的關系式

dh=i(t)dl

(1)

(2)

管道穩定運行的軸向溫降關系：

K(x)πD(t-t0)dl=-Gc(t)dt+Ggi(t)dl

(3)

(4)

積分得到：

(5)

(6)

式中:dh為微元管道摩阻損失，m；dl為微元管道長度，m；i(t)為油流的水力坡降，m/m；T為dl微元管道處的油溫，℃；G為油品的質量流量，kg/s；ρ(t)為油品的密度，kg/m2；D為管道外直徑。

1.2 沿線溫度的計算

由列賓宗溫降公式[1,2]求出加熱站的出站溫度TR

TR=T0+b+(TZ-T0)ealR

(7)

a=KπD/(GCy)

(8)

式中：K為管道總傳熱系數，(W/(m2*℃))a，b為中間系數；D為管道直徑，m；i為水里坡降，m/m。

由此可以知道，進站溫度和其余的數據已知。上面方程的根，可以運用迭代法[1]求解。平均溫度計算方法如下：

(9)

1.3 管道的總傳熱系數[2]

總傳熱系數是一個由各種因素影響的變量，是影響長輸管道運輸過程中熱量損失最關鍵的因素。一般情況下，我們對鋼材的導熱進行忽略不計的處理，因為鋼鐵導熱系數很小，我們只考慮：①防腐層,②結蠟層,③內管壁,④外管壁這4個層面的導熱影響[3]。

(10)

式中：α1為油流至管內壁換熱系數，(W/(m2·℃))；α2為管外壁至土壤的換熱系數，(W/(m2·℃))；DW為管外壁直徑，(m)；Dn為無蠟沉積時管內直徑，(m)。

2 結蠟厚度的計算

如果進站溫度大于析蠟點，則析出的蠟晶體很少，在這里我們采取平均方法，認為結蠟層在管線中相同。如果進站溫度小于析蠟點，會析出大量的蠟晶體，在這里簡化認為管線運行溫度大于析蠟點之前都沒有結蠟，溫度小于析蠟點后的管線進行拉層厚度的計算。其中Z1,Z2為起點與該位置的高程差。計算流程如圖1。

圖1 結蠟原子度計算流程

3 計算實例

一條長 151 km 的長輸管道,管道的直徑 720 mm,壁厚 8 mm,外敷 10 mm 的防腐層,管道埋深 1.5 m,土壤、防腐層和石蠟的導熱系數分別為1.2、0.17和 0.08 W (m·℃)。日輸量t,出站溫度 57 ℃,出站壓力 6.4 MPa,進站溫度 30.3 ℃，進站壓力 0.7 MPa。管道埋深處的溫度 2 ℃,沿程摩阻 554 m。通過計算得出平均結蠟厚度處在第 59 km 處后面管壁結蠟厚度為 3.9 mm。

選取以上數據，在相同入口溫度和輸量條件下，冬季管內溫降幅度較大，入口油溫為 38 ℃ 時，出口油溫為 28 ℃，低于析蠟溫度。在距離入口 59 km 處，管內溫度降到析蠟點以下，管壁有蠟析出，隨輸送距離的增加，沿線蠟沉積層厚度逐漸增厚。如圖2。

圖2 冬季管道含蠟曲線

由圖2可知，在冬季，管道運輸一段時間之后，隨著蠟晶的不斷堆積，在大約 60 km 處，開始結蠟。原因是油流溫度大于析蠟點，但60 km 之后油流溫度降至析蠟點，開始出現析蠟；位置越后，堆積的蠟晶體越多，其蠟層厚度越大。而夏季管道中含蠟原油不會析出蠟晶體，其原因是：夏季氣溫不變且較高，土地溫度達到25℃以上；由于一般情況下都是埋地管道，而且出站原油也經過加熱處理，管道內部原油的溫度都大于該原油的析蠟溫度，此時原油不會大量析出蠟晶體，結蠟厚度可以忽略不計。在夏季運行時，可以忽略管道結蠟問題；當冬季來臨，需要加強管道的管理，應及時的管道清蠟、清管，以便管道安全運行以及運行得更加經濟。

4 結論

本文建立了蠟沉積模型。考慮到隨管線運行，管道內部會出現蠟晶析出，造成管道有效截面的減小。若還是按照以前的管徑計算，誤差會很大，因此考慮實際情況。為了方便實際應用，只需要出站和進站壓力就可得到較為準確的管道內部蠟層厚度。計算了運行13、17、21、25 d后的析蠟厚度。析蠟厚度與真實情況較為符合，即：基本上從 59 km 開始處析蠟，且析蠟厚度較為準確，能夠指導平時清管時間的選擇。在此基礎上，對夏季和冬季管道結蠟情況進行了對比，對其出現不同情況的原因給出了合理的解釋，有助于平時管道管理以及更高效的管道運營管理。