馬廣線高低硫原油輸送混油量計算

周新昌

(中國國際石油化工聯合有限責任公司，北京 100728)

順序輸送是指按照一定的批次及順序在同一管道內連續地輸送不同種類的液體的輸送方法，亦稱為“交替輸送”或者“混油輸送[1]。順序輸送多用于汽柴煤油等石油產品的輸送，因為若對每種油都專管輸送，工程投資巨大且輸送成本也極高。全球各類原油產地不同，性質各異，煉廠為最大化經濟效益，通常需要多種不同品質的原油，這些原油的輸送多為順序輸送。盡管順序輸送因為成本優勢被廣泛應用，但順序輸送中產生的混油現象也帶來了一定程度的麻煩，怎樣避免或減小混油量是一個值得研究的問題。

1 順序輸送混油的產生

在順序輸送時，不同種類的油品交替進行，在兩種油品的接觸區因為沿徑向及軸向運動速度不同以及分子擴散作用會發生一定的交融互換，彼此各有一部分介質進入到對方區域內，進而產生一段兩種油品共存的區段。

兩個因素在混油現象中發揮主要作用：一是管道橫截面沿徑向方向的不均勻流速，表現為中間快，四周慢，使得后行油品的中間流速較快的部分鍥入前行油品中，在油頭橫截面上兩種流體分布密度不同，中間部分后行流體濃度高，周邊部分前行流體濃度高，在濃度差和分子擴散作用下，兩種流體分別由己方高濃度界面進入彼方低濃度界面，進而形成混油；二是管內流體沿管道軸向、徑向的紊流擴散[2]。湍流時，由于擾動激烈，混油段各截面上油品濃度相對平衡，不存在明顯的“油頭”，但是貼近管道的內表面部分流速較慢，流態接近層流，層流間的流速不同造成混油。

2 馬廣線原油順序輸送產生的混油量

2.1 馬廣線概況

“馬-廣”原油長輸管線屬于國家油氣管網總體規劃的重要組成部分，擔負著國家重點石油化工項目的原油輸送任務，是中國石化股份有限公司廣州分公司千萬噸級煉油項目原油供應的唯一通道。該管線起點為大亞灣馬鞭洲原油碼頭，穿過約10 km海域后在大亞灣石化區巖前河口西側登陸，途徑大亞灣、惠陽、博羅、增城，終點為廣州石化煉油廠，總長約 173 km，管線外徑610 mm。該管線自 1997 年 3 月建成投用以來運行良好，累計輸送原油超過2億噸。，全線設馬鞭洲首站、南邊灶油庫、新圩站、園洲站、廣石化末站共5個站點，其中馬鞭洲首站到南邊灶油庫采用旁接油罐輸油工藝，南邊灶油庫到廣州末站采用密閉輸送工藝。全線各站的位置、站間距、管徑及標高示意圖如下：

管線所輸油品按含硫量來分可分為低硫原油，含硫原油和高硫原油。由于硫對裝置的腐蝕性很嚴重，煉廠常需要將高低硫原油分儲在不同的油罐里。而在輸油時為了經濟效益，對高低硫原油采用順序輸送的工藝，順序輸送時不可避免的會產生混油。如何計算馬廣線順序輸送產生的混油量，如何減弱或消除影響混油量的因素，以便更好的滿足廣州石化煉廠的要求是不可忽視的問題。

2.2 馬廣線混油量計算

根據前面混油產生的機理可知，混油量的大小與流體流態密切相關。試驗顯示，同等條件下，在層流狀態下，混油數量大于湍流狀態下的混油量；隨雷諾數Re增加，混油量呈現下降趨勢。當Re>4000時，即湍流狀態下，油品在管道內混油量較層流下顯著減小。如果將后行油品濃度為1%～99%的兩界面間的距離定義為混油段長度，常用的計算混油段長度公式為奧斯汀(Austin)和柏爾弗萊(Palfery)總結的經驗公式,即Austin-Palfery公式[3]如下：

Re>Rej時:

(1)

Re

(2)

(3)

Rej=10000e2.72d0.5

(4)

上式中混油的計算運動粘度由以下公式確定：

lglg(ν1×106+0.89)=0.5×lglg(ν1×106+0.89)+0.5×lglg(ν2×106+0.89)

(5)

式中：C——混油段長度，m

Re——混油段雷諾數

Rej——臨界雷諾數

d——管道內直徑，m

l——管道長度，即混油界面通過長度，m

e——自然對數的底數，e=2.718

Q——油品在管線中的體積流量，m3/s

v——混油計算粘度，m2/s

v1——前行原油在輸送溫度下的運動粘度，m2/s

v2——后行原油在輸送溫度下的運動粘度，m2/s

表1 馬西拉油和沙特重油主要性質Table 1 Main properities for Masila and Arabian Heavy

下面以沙特重油頂替馬西拉油為例，分別計算其在正輸、單泵接力、雙泵接力三種工況下的混油量。按要求，每批次輸送高硫油約6萬噸，輸送低硫油約3萬噸，輸油平均溫度為25 ℃。馬西拉油和沙特重油主要性質如表1所示。

νt=ν0e-μ(t-t0)

(6)

式中:νt、ν0——溫度為t、t0時油品的運動粘度，m2/s

μ——粘溫指數，1/℃

計算得到在25 ℃時馬西拉油和沙特重油的運動粘度分別為：

ν1=10.32×10-6m2/s

ν2=21.33×10-6m2/s

以此計算得：

ν=14.56×10-6m2/s

根據壓頭供需平衡關系程有：

(7)

式中：Hs1——南邊灶油庫泵入口壓力

Hi——第i個泵站后所能提供的總揚程，m液柱

n——啟用泵站數，正輸時n取1，接力時，n取2

hm——每個泵站站內摩阻損失，m液柱

ΔZ—— 廣石化末站與南邊灶油庫的高程差，m

Hsz——廣石化末站管道終點剩余壓頭，m液柱

hl——管道上摩阻，m液柱

hξ——節流損失，m液柱

(8)

式中：d——管道內直徑，m

v——所輸油種在輸送溫度下的粘度，m2/s

m——流態指數，處于水力光滑區時，m=0.25,β=0.0246

聯立(7)、(8)式，忽略南邊灶油庫泵入口壓力，正輸時管道剩余壓頭Hsz取35 m,接力時取40 m；正輸時hζ取0，接力時節流損失hζ由南邊灶油庫泵出口壓力和出站要求決定；各站站內摩阻損失hm取30米,代入數據，可解得：

正輸(南邊灶油庫啟流量為1400 m3/h的1組泵)，單泵接力(南邊灶油庫啟流量為1400 m3/h的1組泵與流量為800 m3/h的一組泵并聯,園州站啟一臺泵與之串聯)，雙泵接力(南邊灶油庫啟流量為1400 m3/h的1組泵與流量為800 m3/h的一組泵并聯，園洲站啟2臺泵與之串聯)三種工況下單輸馬西拉油流量依次為：1527 m3/h、1902 m3/h 、2133 m3/h；單輸沙特重油時流量依次為1377 m3/h、1695 m3/h、1895 m3/h。因此，三種工況下順序輸送這兩種油時流量范圍為：1377～1527 m3/h、1695～1902 m3/h、1895～2133 m3/h.為便于計算，可依次取中間值1452 m3/h、1799 m3/h、2014 m3/h，即：

Q1=1452 m3/h

Q2=1799 m3/h

Q3=2014 m3/h

三種工況下的雷諾數依次為：

正輸Re1=59614

單泵接力Re2=73861

雙泵接力Re3=82688

馬廣線臨界雷諾數：

Rej=81077

可知，Re1

正輸時混油段長度C1=1535 m

單泵接力時混油段長度C2=1266 m

而Re3>Rej，將數據代入公式(1)中計算得：

雙泵接力時混油段長度C3=1173 m

2.3 混油界面的跟蹤與切割

順序輸送中與產生混油的理化性質同前后行油品可能都不相同，對成品油來說，混油部分可能已達不到銷售要求，這就要求我們準確的追蹤混油界面并及時做出處理，從而盡最大可能的降低混油帶來的損失。設混油界面運行的距離為L,油品切換后的累計流量為∑Q，根據圓柱體的體積公式，可得出以下關系：

(9)

式中:L——切換油品后混油界面通過的距離，m

d——輸油管道的內徑，m

∑Q——油品切換后的累積流量，m3

設油品切換后泵的每小時排量為Q,則混油界面到達終點站所需要的時間T為[4]：

(10)

式中:V——自油品切換點到末站的管道容積，m3

T——混油界面到達末站所需的時間，h

結合上述兩個方程便可計算切換油品后混油界面到達的位置和混油界面到達末站所需要的時間。起輸站到末站的管道容積V可以根據全線各站的位置、站間距、管徑及標高示意圖的數據計算出來，更換油種后的累積流量∑Q可利用SCADA系統或者油罐自動計量系統計算出來，瞬時流量也可從SCADA系統讀出。

通過上面的計算，可以正確把握切割時間，以便及時將含硫量不同的原油分開。考慮到低硫原油可以作為高硫原油使用，對混油的切割可采用兩段切割的方式，將混油段全部切入儲存高硫油罐中。因此，對于低硫原油前行的順序輸送可以提前改罐，高硫原油前行的可以延遲改罐，提前或延遲時間可以通過混油段的體積除以流量來得到。本例中，前行的是低硫的馬西拉油，為避免混油段進入低硫罐中，可提前將油品改入高硫罐中，三種工況下提前時間依次為：18 min、12 min、10 min。

2.4 高粘重質原油多巴油與沙特重油順序輸送時混油量

多巴原油屬低硫-環烷中間基重質原油，其顯著特點是硫含量低、粘度大。由于其粘度很大，在輸送多巴油時常常輸量會小于其他油種的輸量，且順序輸送時產生的混油量更大。現給出正輸和單泵接力工況下，用沙特重油頂替多巴油輸送時的混油量計算。多巴油的主要性質如表2所示。

表2 多巴油主要性質Table 2 Main properities for Doba crude

由(6)計算得到在25 ℃時多巴油的運動粘度為：

ν3=618.8×10-6m2/s

hl=hl1+hl2

(11)

(12)

(13)

式中：hl1——前行液體的摩阻，m液柱

hl2——后行液體的摩阻，m液柱

l1——管道內前行液體的長度，m

l2——管道內后行液體的長度，m

Q——管道內兩種油品同時存在時的平均流量，m3/s

m——流態指數，處于水力光滑區時，m=0.25,β=0.0246

(14)

l2=l-l1

(15)

按要求，多巴油一次輸送量按2萬噸計算，聯立式(7)、式(8)、式(11)～式(15)，管道剩余壓頭Hsz取40 m, 油庫出站壓力為6.0 MPa,；各站站內摩阻損失hm取30 m,代入數據，可解得兩種工況下流量為：

Q1=963 m3/h

Q2=1297 m3/h

由(5)計算得到多巴油與沙特重油的混油計算粘度為：ν=618.8×10-6m2/s雷諾數依次為：

Re1=6693

Re2=9009

所以，有Re1

C1=8412 m

C2=10991 m

與同種工況下沙特重油頂替粘度較小的馬西拉原油相比，可以發現，頂粘度較大的多巴油時產生的混油量是頂替馬西拉油時的數倍，且多巴的摻煉比一般為5%，若油頭切割不好將直接影響煉油質量，因此不建議單輸多巴油。此外，這一結果也一定程度上驗證了安排粘度大的油品在粘度小的油品后輸送產生的混油較反之操作的混油量小的實驗結論。

3 減少順序輸油中混油量的措施

通過上面分析可知，雷諾數越大混油量越少，為了避免順序輸送混油量過度增大，馬廣線輸油管道最好在流體處于湍流狀態下運行，即盡量在雙泵接力工況下更換輸油批次。

減少泵站流程，減少不必要的擾動裝置。

合理安排輸送順序，當兩種油品粘度不同時，盡量安排粘度大的油品在粘度小的油品后輸送[5]。

加大每種油品的一次輸送量，降低輸送批次數目，進入降低混油量所占輸送量的比例。

如果可能，采用專門的隔離設備，在兩種油品間加以阻隔或者設立緩沖區，從而降低接觸和混油。