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。
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。
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)
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)。
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
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)。
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。