熱油管道結蠟沖刷熱洗定量分析

聶超飛，穆云婷，程 磊，黃薇薇，衣桂影，宋婧澄，歐陽欣

1.國家管網(wǎng)北方管道管道科技研究中心，河北廊坊 065000

2.中油龍慧自動化工程有限公司，河北廊坊 065000

3.國家管網(wǎng)北方管道丹東輸油氣分公司，遼寧丹東 118000

4.國家管網(wǎng)北方管道廊坊輸油氣分公司，河北廊坊 065000

我國所產(chǎn)原油80%以上為含蠟原油，在管道輸送過程中靠近管壁處的原油溫度若降低至析蠟點以下，管壁附近溶解在原油中的蠟分子就會結晶析出，蠟沉積發(fā)生后將減小管道的有效流通面積，降低管道輸送能力，影響運輸系統(tǒng)的運行能耗，甚至引發(fā)管道堵塞，嚴重威脅輸送管道的流動安全[1]。

管道結蠟后需要定期對結蠟層進行清除以恢復輸送能力和保證安全經(jīng)濟運行，其中機械清管和大排量沖刷熱洗是清除結蠟層的兩種主要方式[2]。對于長期不清管的管道，只能選擇大排量沖刷熱洗。采用大排量沖刷熱洗方式時，如何合理選擇作業(yè)時的熱洗溫度、沖刷排量等關鍵參數(shù)，對于清蠟方案制定和最終清蠟效果具有重要意義。目前生產(chǎn)上只能根據(jù)運行經(jīng)驗來確定相關工藝參數(shù)，有一定的盲目性，一定程度上影響了管道的安全經(jīng)濟運行，因此有必要研究溫度和剪切作用對于管壁結蠟層的影響，為現(xiàn)場生產(chǎn)提供定量指導[3]。

1 實驗過程

1.1 實驗裝置

目前通過相應的實驗裝置可以模擬流速、溫度等因素對原油在熱油管道中結蠟層強度的影響情況。根據(jù)設計原理不同，研究原油的結蠟層強度變化規(guī)律的裝置可以分為兩類：冷指型結蠟裝置、環(huán)道型結蠟裝置[4]。

基于上述實驗裝置的優(yōu)缺點，結合多年經(jīng)驗，自主研發(fā)了新型結蠟沖刷熱洗模擬裝置，如圖1所示，該裝置主要由樣品筒、蠟沉積筒、水浴、傳感器（扭矩、溫度、重量）等組成。

圖1 新型結蠟模擬裝置

測試油樣盛于樣品桶內(nèi)，恒溫熱浴給油樣加熱以保持恒定溫度。樣品桶由伺服電機通過電機傳送帶帶動旋轉(zhuǎn)，從而使油樣產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流場；冷浴通過結蠟筒內(nèi)部的蛇形盤管在結蠟筒內(nèi)部循環(huán)來保持結蠟筒壁面所要維持的溫度；將壁面溫度低于油樣析蠟點溫度的結蠟筒通過升降機構浸入油樣中模擬管道壁面，進行結蠟和沖刷熱洗實驗。

利用該裝置，實驗過程中通過扭矩傳感器，在主機終端可以將油流對結蠟筒蠟層的剪切作用實時顯示，通過自主設計的脫離式在線自動稱量機構進行任意階段的內(nèi)筒結蠟量的自動連續(xù)稱量，大大提高了實驗的準確度和效率。

1.2 實驗方案

為了使本次的蠟沉積規(guī)律的結果更具有代表性、實用性，采用國內(nèi)比較常見的慶吉油作為實驗油品。通過測試得到，油品凝點為34℃。通過DSC的測試可知，油品析蠟點為47℃。為保證蠟沉積和沖刷實驗具有足夠的蠟沉積量，同時貼近熱油管道輸送實際情況，本次蠟沉積實驗的溫度區(qū)間取在凝點和析蠟點之間，具體為設置外筒內(nèi)油溫為45℃，結蠟內(nèi)筒壁溫為35℃。

考慮到實際結蠟量和用油量，選取的裝置內(nèi)、外筒直徑分別為0.1、0.15 m，每次實驗用油量為2 L。

考慮到本模擬裝置為首次采用，有必要進行相同實驗條件下多組重復性實驗，驗證該實驗裝置結果的重復性。為此設計相關實驗來驗證完全相同條件下內(nèi)筒壁各次結蠟量的差別。進行了5次平行試

從圖2可以看出，在溫度、時間等實驗條件完全相同的條件下，內(nèi)壁結蠟量和結蠟速率具有較好的重復性，因此該裝置能夠滿足本次實驗的要求。

圖2 相同實驗條件下內(nèi)筒壁各次蠟沉積量對比

為分別研究不同溫度和剪切作用對于內(nèi)壁已結蠟層的影響，具體實驗方案如下：

（1） 將內(nèi)、外筒溫度分別控制在35、45℃，經(jīng)過24 h結蠟形成重復性較好的穩(wěn)定結蠟層。

（2）在上述結蠟基礎上，根據(jù)大多數(shù)熱油管道的實際運行情況，確定熱洗模擬過程油溫分別為45、49、51、53℃；根據(jù)理論計算（實際管道流量、剪切速率和裝置轉(zhuǎn)速三者關系），確定模擬裝置外筒轉(zhuǎn)速為10、40、70、90、130 rad/min。

2 實驗結果分析

2.1 實驗結果

將結蠟后不同溫度、不同轉(zhuǎn)速條件下不同時間的內(nèi)筒結蠟量變化情況進行整理，見圖3。

從圖3可知，相同時間內(nèi)，隨著油溫升高內(nèi)筒結蠟量減少得越多，隨著轉(zhuǎn)速升高內(nèi)筒結蠟量減少得越多，即在實驗條件下，油溫和剪切作用兩個因素對熱油管道結蠟層影響明顯。同時，隨著時間增加，開始階段結蠟量減少較快，后期趨于穩(wěn)定。

圖3 不同油溫、不同轉(zhuǎn)速情況下內(nèi)筒結蠟量變化

2.2 沖刷熱洗公式擬合

通過結蠟層變化和油溫、剪切作用之間的相互變化關系，構建沖刷熱洗定量數(shù)學關系模型以直觀反映結蠟層變化規(guī)律，即可用來預測實際管道在沖刷熱洗過程中的結蠟層變化情況、壓降減小情況等，進而可指導現(xiàn)場原油管道沖刷熱洗方案的制定和優(yōu)化。

根據(jù)流體力學和熱力學理論，油品對蠟沉積層的沖刷作用與油品種類、油流溫度和剪切應力有關[5]，其關系式可表示為：

式中：We為沖刷速率，mm/h；K1為沖刷系數(shù)，與油品種類等有關；τw為蠟層表面處油流剪切應力，Pa；T為油流溫度，℃；a和b為經(jīng)驗系數(shù)。

基于通用全局優(yōu)化算法，在現(xiàn)有實驗數(shù)據(jù)基礎上，利用1stOpt軟件擬合蠟層沖刷熱洗參數(shù)：

2.3 現(xiàn)場數(shù)據(jù)驗證

東北某管道常年采用熱洗工藝，且所輸油品和運行數(shù)據(jù)與前述實驗結果相吻合。因此，使用新建沖刷模型對該管道熱洗時結蠟層的沖刷速率、熱洗后的站間壓降下降值進行預測。

選取了該管道第一個站間的3種提溫提量的熱洗工況進行預測和誤差分析，3次熱洗依次在2019年1月、4月和10月進行，覆蓋了對不同季節(jié)、不同熱洗流量、不同熱洗溫度、不同有效管道內(nèi)徑情況下的熱洗效果模型預測，并和3個工況下的實際熱洗效果進行了對比和誤差計算。

實際沖刷熱洗的壓降變化和模型計算的壓降變化對比見表1。

表1 模型計算的壓降變化和實際沖刷熱洗的壓降變化對比

由表1可知，通過對3種計算工況和實際工況的對比可知，對于該管道來說，壓降的最大誤差為9.75%，最小誤差為7%，平均誤差為8.4%，滿足工程應用要求。

3 結論

通過自主研發(fā)的新型結蠟裝置進行了不同條件下的沖刷熱洗實驗，構建了基于通用全局優(yōu)化法的熱油管道沖刷熱洗模型，并通過和實際管道的對比可知，預測的壓降變化值平均誤差為8.4%，工程上可比較準確地預測管道兩個站間提溫提量、時間等因素對管道內(nèi)壁結蠟層變化的影響情況，可為現(xiàn)場制定原油輸送管道熱洗方案的提供有效指導和參考。