含蠟熱油管道蠟層厚度預(yù)測(cè)

牛建森

(西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065)

含蠟原油在長(zhǎng)輸管道運(yùn)輸過程中會(huì)不斷的結(jié)晶析出，并且會(huì)不斷的積聚在管壁處。一般情況下，我們選擇長(zhǎng)輸管道是因?yàn)槠浣?jīng)濟(jì)。為了符合經(jīng)濟(jì)安全的原則，我們需要對(duì)蠟層厚度進(jìn)行預(yù)測(cè)，以便指導(dǎo)管道實(shí)時(shí)運(yùn)行得更加經(jīng)濟(jì)和安全。析蠟造成的影響：一方面減小加熱費(fèi)用；另一方面加劇輸送費(fèi)用。因此，不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為析蠟是不好的，需要得到一個(gè)最優(yōu)解，讓析蠟有利于輸送原油，這里最關(guān)鍵的是能夠預(yù)測(cè)得到蠟層的厚度。一般來(lái)說(shuō)，容易得到出站壓力與進(jìn)站壓力，油品性質(zhì)、壓降、溫度等運(yùn)行參數(shù)，以及環(huán)境參數(shù)，所以需要找到一種方法，用這些數(shù)據(jù)就能得到管道的析蠟厚度。

1 結(jié)蠟厚度的數(shù)學(xué)模型

1.1 目標(biāo)函數(shù)

原油的水力坡降和摩阻損失的關(guān)系式

dh=i(t)dl

(1)

(2)

管道穩(wěn)定運(yùn)行的軸向溫降關(guān)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(zhǎng)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(zhì)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(jì)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(shù)，(W/(m2*℃))a，b為中間系數(shù)；D為管道直徑，m；i為水里坡降，m/m。

由此可以知道，進(jìn)站溫度和其余的數(shù)據(jù)已知。上面方程的根，可以運(yùn)用迭代法[1]求解。平均溫度計(jì)算方法如下：

(9)

1.3 管道的總傳熱系數(shù)[2]

總傳熱系數(shù)是一個(gè)由各種因素影響的變量，是影響長(zhǎng)輸管道運(yùn)輸過程中熱量損失最關(guān)鍵的因素。一般情況下，我們對(duì)鋼材的導(dǎo)熱進(jìn)行忽略不計(jì)的處理，因?yàn)殇撹F導(dǎo)熱系數(shù)很小，我們只考慮：①防腐層,②結(jié)蠟層,③內(nèi)管壁,④外管壁這4個(gè)層面的導(dǎo)熱影響[3]。

(10)

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

2 結(jié)蠟厚度的計(jì)算

如果進(jìn)站溫度大于析蠟點(diǎn)，則析出的蠟晶體很少，在這里我們采取平均方法，認(rèn)為結(jié)蠟層在管線中相同。如果進(jìn)站溫度小于析蠟點(diǎn)，會(huì)析出大量的蠟晶體，在這里簡(jiǎn)化認(rèn)為管線運(yùn)行溫度大于析蠟點(diǎn)之前都沒有結(jié)蠟，溫度小于析蠟點(diǎn)后的管線進(jìn)行拉層厚度的計(jì)算。其中Z1,Z2為起點(diǎn)與該位置的高程差。計(jì)算流程如圖1。

圖1 結(jié)蠟原子度計(jì)算流程

3 計(jì)算實(shí)例

一條長(zhǎng) 151 km 的長(zhǎng)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(dǎo)熱系數(shù)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(jìn)站溫度 30.3 ℃，進(jìn)站壓力 0.7 MPa。管道埋深處的溫度 2 ℃,沿程摩阻 554 m。通過計(jì)算得出平均結(jié)蠟厚度處在第 59 km 處后面管壁結(jié)蠟厚度為 3.9 mm。

選取以上數(shù)據(jù)，在相同入口溫度和輸量條件下，冬季管內(nèi)溫降幅度較大，入口油溫為 38 ℃ 時(shí)，出口油溫為 28 ℃，低于析蠟溫度。在距離入口 59 km 處，管內(nèi)溫度降到析蠟點(diǎn)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(yùn)輸一段時(shí)間之后，隨著蠟晶的不斷堆積，在大約 60 km 處，開始結(jié)蠟。原因是油流溫度大于析蠟點(diǎn)，但60 km 之后油流溫度降至析蠟點(diǎn)，開始出現(xiàn)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(huì)析出蠟晶體，其原因是：夏季氣溫不變且較高，土地溫度達(dá)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(jīng)過加熱處理，管道內(nèi)部原油的溫度都大于該原油的析蠟溫度，此時(shí)原油不會(huì)大量析出蠟晶體，結(jié)蠟厚度可以忽略不計(jì)。在夏季運(yùn)行時(shí)，可以忽略管道結(jié)蠟問題；當(dāng)冬季來(lái)臨，需要加強(qiáng)管道的管理，應(yīng)及時(shí)的管道清蠟、清管，以便管道安全運(yùn)行以及運(yùn)行得更加經(jīng)濟(jì)。

4 結(jié)論

本文建立了蠟沉積模型。考慮到隨管線運(yùn)行，管道內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)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(jì)算，誤差會(huì)很大，因此考慮實(shí)際情況。為了方便實(shí)際應(yīng)用，只需要出站和進(jìn)站壓力就可得到較為準(zhǔn)確的管道內(nèi)部蠟層厚度。計(jì)算了運(yùn)行13、17、21、25 d后的析蠟厚度。析蠟厚度與真實(shí)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(zhǔn)確，能夠指導(dǎo)平時(shí)清管時(shí)間的選擇。在此基礎(chǔ)上，對(duì)夏季和冬季管道結(jié)蠟情況進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)其出現(xiàn)不同情況的原因給出了合理的解釋，有助于平時(shí)管道管理以及更高效的管道運(yùn)營(yíng)管理。