西部原油管道運(yùn)行節(jié)能降耗綜合措施研究

呂政 薛延軍 鄧忠華 李林澤 胡旭 韓紫輝 陳頔 劉丹

（國(guó)家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)有限公司油氣調(diào)控中心）

西部原油管道分段情況復(fù)雜，既有單一油品輸送，也有多種油品混合輸送（不同油品摻混成為蘭成油批次和混油批次），且油源物性不穩(wěn)定，管道沿線地形、氣候條件、設(shè)備配置多樣，具有長(zhǎng)距離、大落差、大摻混、大輸量等特征，給能耗分析及降耗工作帶來(lái)較大困難。在沒(méi)有重大工藝變更、設(shè)備改造及技術(shù)變革的情況下，如何實(shí)現(xiàn)管道運(yùn)行過(guò)程降耗增效精細(xì)化管理是一項(xiàng)難點(diǎn)。降低原油管道輸送能耗不能一概而論，應(yīng)綜合考慮各管道具體情況，做到“一管一策”。

1 管道基本情況

西部原油管道由阿獨(dú)烏線、烏鄯線、鄯蘭線三部分組成，全長(zhǎng)2 319 km，為我國(guó)最長(zhǎng)原油輸送管道，最大管徑813 mm，設(shè)計(jì)最大輸量2 000×104t/a。全線共設(shè)16座主工藝站場(chǎng)，將哈中管道原油、新疆油田原油、塔里木油田原油、吐哈油田原油、玉門(mén)油田原油輸送至下游不同儲(chǔ)庫(kù)、煉廠，為我國(guó)“西油東送”重要運(yùn)輸通道。近年來(lái)，管道輸送任務(wù)加劇，能耗居高不下。收集2019—2021年能耗數(shù)據(jù)，鄯蘭線平均生產(chǎn)單耗為14.48 kgce/(104t·km)，烏鄯線平均生產(chǎn)單耗為17.16 kgce/(104t·km)，阿獨(dú)烏線平均生產(chǎn)單耗為14.05 kgce/(104t·km)。隨市場(chǎng)需求量增大，管道運(yùn)行能耗也必然會(huì)不斷增加[1]。高能耗影響著管輸效益，因此有必要開(kāi)展有針對(duì)性的降耗工作。

2 管道節(jié)能降耗措施及效果分析

2.1 配泵優(yōu)化

原油管道在輸送過(guò)程中能耗主要有兩方面組成，一是為保證輸送安全對(duì)原油進(jìn)行加熱所消耗的能量，二是泵送時(shí)消耗的能量[2]。西部原油管道為摻混輸送，加熱系統(tǒng)處于備用狀態(tài)，因此不存在燃料消耗，主要耗能設(shè)備為輸油泵。該管道輸油泵均為定速泵，共計(jì)78臺(tái)，除各段首站給油泵及烏魯木齊首站輸油主泵為并聯(lián)泵外，其余均為串聯(lián)泵。配泵優(yōu)化適用于特定工況下的局部調(diào)整。

1）在干線優(yōu)化配泵的基礎(chǔ)上，著重開(kāi)展注入、分輸工況下的降耗工作，總結(jié)出三塘湖、酒東支線注入優(yōu)化配泵方案，鄯蘭管段在三塘湖或酒東支線注入時(shí)，可為注入點(diǎn)增壓0.3～0.5 MPa，此時(shí)可以通過(guò)調(diào)整上下游配泵節(jié)約電能。以三塘湖支線為例，當(dāng)以300 m3/h速度注入時(shí)，鄯善站在2 100 m3/h時(shí)可以將1臺(tái)大葉輪泵切換至小葉輪泵運(yùn)行，日節(jié)電1.2×104kWh，在1 650 m3/h時(shí)可以停1臺(tái)主泵運(yùn)行，日節(jié)電3.2×104kWh。

2）鄯蘭線批次較多，站場(chǎng)過(guò)批次時(shí)壓力波動(dòng)0.2～0.5 MPa，此時(shí)應(yīng)及時(shí)調(diào)整配泵消除節(jié)流，合理控制并降低各點(diǎn)壓力。在獨(dú)山子、玉門(mén)分輸時(shí)，盡可能提高分輸量，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)管輸率。適當(dāng)降低高點(diǎn)壓力，避免管道局部壓力過(guò)高，導(dǎo)致能耗增加。

3）盡可能采用阿獨(dú)烏鄯密閉輸送工藝及烏鄯線外輸北疆油在線摻混上游到站哈國(guó)油外輸工藝。以后者為例，為滿足北疆油冬季管輸凝點(diǎn)要求，每年1—4月、12月烏鄯線采用在線摻混北疆油-哈國(guó)油外輸工藝，在線摻混時(shí)，烏魯木齊站可停1臺(tái)給油泵，日節(jié)電0.35×104kWh。同時(shí)，考慮烏魯木齊站哈國(guó)油罐的最大剩余罐容，當(dāng)進(jìn)滿剩余罐容用時(shí)大于北疆油外輸用時(shí)，盡可能提高上游獨(dú)烏線哈國(guó)油輸量，減小獨(dú)山子出站節(jié)流。

2.2 加減阻劑優(yōu)化

近年，隨著資源量增大，管輸任務(wù)逐年增加，特別是烏鄯線已達(dá)到輸量瓶頸，目前解決辦法為烏鄯線啟用3臺(tái)主泵維持輸量，但烏魯木齊出站壓力較高，壓力余量相對(duì)較低，管道摩阻較大，節(jié)流可達(dá)1.4 MPa以上，增輸效果不明顯，對(duì)管道安全運(yùn)行及節(jié)能降耗提出新的問(wèn)題。考慮減阻劑可以降低原油管道湍流流態(tài)時(shí)能耗損失，因此開(kāi)展加減阻劑增輸可能性研究。先后采用H-H、J-Y兩種型號(hào)減阻劑進(jìn)行增輸試驗(yàn)，濃度為10 ppm，均加入哈國(guó)油內(nèi)，且油品充滿整個(gè)烏鄯線。通過(guò)試驗(yàn)，加入H-H減阻聚合物后減阻率為30.1%，增輸率為18.9%；加入J-Y減阻聚合物后減阻率為26.9%，增輸率為16.7%，兩者增輸效果均較明顯。試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)定加入減阻劑時(shí)，隨管段內(nèi)加劑油品占比增加，輸量逐漸提升至一定值后摩阻反而增大，此時(shí)輸量對(duì)摩阻起主要作用，這一最小摩阻值即為加劑減阻拐點(diǎn)。拐點(diǎn)受加入減阻劑濃度、油品物性及溫度等因素影響。

2.3 清管優(yōu)化

隨著上游油源物性不斷惡化以及三塘湖、酒東等油田原油注入西部管道干線，受管道沉積或凝結(jié)影響，造成雜質(zhì)較多，為管道的平穩(wěn)運(yùn)行帶來(lái)安全隱患的同時(shí)也造成管道摩阻升高，導(dǎo)致能耗不斷增加。受油源物性不斷變化影響，同一管段清出雜質(zhì)及清理次數(shù)波動(dòng)，無(wú)法對(duì)清管周期進(jìn)行預(yù)測(cè)，因此采用典型管段作為研究對(duì)象制定清管標(biāo)準(zhǔn)[3]。其中，鄯蘭線玉門(mén)-張掖管段清出雜質(zhì)最多，合計(jì)清管19次，共27 122.4 kg，占清出雜質(zhì)總量的43.8%。

近年西部原油管道清管情況見(jiàn)表1，自玉門(mén)站起，下游各管段清出雜質(zhì)明顯多于上游，可能的原因在于管道采用常溫?fù)交燧斔凸に嚕嫌屋斔偷膿交煊驮摧^為復(fù)雜，不僅有大罐摻混，還有三塘湖油田、酒東油田等支線注入蘭成油批次，隨里程增加，管輸溫度逐漸下降，下游管段蠟沉積可能性大于上游管段。同時(shí)，周期性玉門(mén)全分輸造成下游停輸時(shí)間明顯長(zhǎng)于上游，加之下游管段相對(duì)較長(zhǎng)，坡度起伏較大，特別在低點(diǎn)地區(qū)，給雜質(zhì)沉積創(chuàng)造了條件。此外，玉門(mén)全分輸時(shí)，由于輸油計(jì)劃排布原因，該站下游玉門(mén)-張掖管段停輸期間多為摻混后油品物性相對(duì)較差的蘭成油批次，在一定程度上導(dǎo)致雜質(zhì)多余其他管段。應(yīng)不斷優(yōu)化輸油計(jì)劃，提前做好多種油品輸送物性配伍實(shí)驗(yàn)，合理制定清管方案。針對(duì)下游雜質(zhì)較多的情況，在清管時(shí)應(yīng)提前做好風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別，重點(diǎn)考慮清管器卡堵異常[4]，按照“先下游后上游”的原則，待下游管段從后至前依次清管完成后，再進(jìn)行上游管段清管工作。清管器類型按四皮碗-兩直四蝶-四直四蝶-鋼刷清管器順序發(fā)送，首次發(fā)送清管器過(guò)盈量小于2%，后按照2%至4%逐步遞增規(guī)律發(fā)送。發(fā)送清管器前應(yīng)清理接收站場(chǎng)及其下游站場(chǎng)過(guò)濾器，過(guò)程中可以采用小排量輸送方式確保運(yùn)行安全，清管完畢后可以采用提量輸送方式對(duì)清理管段進(jìn)行沖刷。2019—2021年西部原油管道共發(fā)送清管器162次，清理管段13段，合計(jì)清出雜質(zhì)61.92 t，管內(nèi)雜質(zhì)對(duì)管道運(yùn)行及能耗產(chǎn)生重要影響。經(jīng)測(cè)算，平均單次清管管段百公里摩阻降低0.14 MPa。

表1 近年西部原油管道清管情況Tab.1 Pigging situation of western crude oil pipeline in recent years

影響管輸摩阻的因素有管徑、溫度、輸量等。此處所指管徑為初始管徑，為一定值。輸量對(duì)摩阻有正相關(guān)關(guān)系，但輸量受計(jì)劃制約，因此這里考慮大趨勢(shì)變化，而不考慮管輸流速變化造成的短期內(nèi)摩阻小幅震蕩。此處著重考慮溫度對(duì)摩阻影響。

玉門(mén)-張掖管段百公里摩阻變化趨勢(shì)見(jiàn)圖1，清理出雜質(zhì)含量與摩阻變化存在正相關(guān)關(guān)系，即當(dāng)清理出雜志較多時(shí)，管段摩阻下降越明顯，壓頭損失越小，能耗越低，夏季沿程摩阻明顯低于冬季，且呈現(xiàn)周期性變化。隨地溫變化，每年10月開(kāi)始，沿程摩阻逐漸上升，到次年1月達(dá)到峰值，百公里摩阻單月平均上升0.15 MPa，需要調(diào)整配泵以補(bǔ)充損失壓頭，能耗增加，并基本保持在高位運(yùn)行，直至4月地溫上升。

圖1 玉門(mén)-張掖管段百公里摩阻變化趨勢(shì)Fig.1 Variation trend of friction resistance in the Yumen-Zhangye section

隨后伴隨著地溫迅速上升及清管作用，蠟沉積現(xiàn)象得到緩解，沿程摩阻大幅下降，直至百公里摩阻最低點(diǎn)1.05 MPa左右，出現(xiàn)在每年8—9月份，可作為清管效果較好的標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)應(yīng)根據(jù)往年周期內(nèi)歷次清出雜質(zhì)由多到少的變化規(guī)律結(jié)合對(duì)應(yīng)的有效管徑制定清管預(yù)警值，降低摩阻對(duì)能耗影響。其余管段也可以按照相同方法得到清管規(guī)律。

2.4 輸油泵最優(yōu)工況研究

通過(guò)研究泵合理工作區(qū)間實(shí)現(xiàn)泵工作效率最大化，從而降低能耗。2020—2021年對(duì)鄯蘭線開(kāi)展大規(guī)模泵效率測(cè)試。共進(jìn)行5個(gè)輸量臺(tái)階的泵效測(cè)試，分別為1 350、1 650、1 800、2 100和2 400 m3/h，每個(gè)輸量臺(tái)階測(cè)試48 h，保證在測(cè)期間全線無(wú)節(jié)流，輸量恒定，且無(wú)三塘湖和酒東油田注入干擾，不考慮季節(jié)因素。通過(guò)排除無(wú)效參數(shù)影響，在中間數(shù)據(jù)庫(kù)抽取有效數(shù)據(jù)信息進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，繪制出各站場(chǎng)輸油泵實(shí)際特性曲線。小葉輪大揚(yáng)程泵（額定流量1 600 m3/h，額定揚(yáng)程250 m）在實(shí)際工況中使用最為頻繁，以該類泵為重點(diǎn)研究對(duì)象。在測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)實(shí)際曲線與理論曲線相比最優(yōu)工況偏右，各泵葉輪等部件磨損使用程度不同。通過(guò)對(duì)各站泵測(cè)試所得數(shù)據(jù)計(jì)算平均值得到小葉輪大揚(yáng)程泵實(shí)際特性曲線見(jiàn)圖2，為保證最優(yōu)效率，應(yīng)注意控制排量為合理區(qū)間。在1 800～2 000 m3/h時(shí)泵效最高，且壓能在高值區(qū)，2 100 m3/h輸量以下盡量用小葉輪泵，生產(chǎn)單耗較低，這與實(shí)際情況相符。同時(shí)，通過(guò)泵效測(cè)試，發(fā)現(xiàn)并整改了生產(chǎn)問(wèn)題，對(duì)部分儀表進(jìn)行了偏差校訂。

圖2 小葉輪大揚(yáng)程泵實(shí)際特性曲線Fig.2 Actual characteristic curve of large-head pump with small impeller

2.5 輸油方式優(yōu)化

在完成輸油計(jì)劃的同時(shí)，合理優(yōu)化階梯輸量方案，可以達(dá)到節(jié)能降耗的目的[4]。通過(guò)輸量臺(tái)階測(cè)試，得到鄯蘭線各輸量臺(tái)階日耗電及總壓能測(cè)試情況見(jiàn)表2。

表2 鄯蘭線各輸量臺(tái)階日耗電及總壓能測(cè)試情況Tab.2 Daily power consumption and total pressure energy test of each transmission stage of Shanlan line

用最常用的1 650、1 800、2 100及2 400 m3/h等輸量臺(tái)階數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。可以看出，在合理配泵下，小時(shí)輸量越高，總耗電越高，泵機(jī)組提供的總壓能越大，生產(chǎn)單耗相對(duì)越高，且輸量對(duì)能耗影響較大，這在以往的研究中同樣得到證實(shí)[5-6]。1 800 m3/h與1 650 m3/h相比，小時(shí)輸量增加9.1%，總壓能增加5%，日耗電增加15.1%；2 100 m3/h與1 800 m3/h相比，小時(shí)輸量增加16.7%，總 壓 能 增 加17.5%，日 耗 電 增 加33.8%；2 00 m3/h與2 100 m3/h相比，小時(shí)輸量增加14.3%，總壓能增加12.2%，日耗電增加47.1%。可見(jiàn)，輸量增加、總壓能增加、日耗電增加并非成線性關(guān)系，且隨輸量增加，耗電量增加幅度更大。

假設(shè)當(dāng)月30 d，月輸油計(jì)劃折算體積量為129.6×104m3，按以下方式運(yùn)行：

方案一：按1 800 m3/h平均輸量運(yùn)行，需輸送30 d，耗電約1 616.7×104kWh。

方案二：按2 400 m3/h最大輸量運(yùn)行，需輸送22.5 d，耗電約2 385.9×104kWh。

方案三：按1 650 m3/h（運(yùn)行20 d）和2 100 m3/h（運(yùn)行10 d）組合輸量運(yùn)行30 d，耗電約1 657.3×104kWh。

按照以上三種運(yùn)行方式完成月度計(jì)劃時(shí)，在此不考慮季節(jié)因素，只做定性分析，方案一平均輸量運(yùn)行能耗最低，方案二最大輸量運(yùn)行能耗最高，方案三組合輸量運(yùn)行能耗居中，但與方案一相差不大。方案二采取“集中輸送，集中停輸”同時(shí)不滿足冬季運(yùn)行管道安全停輸時(shí)間要求，無(wú)法實(shí)現(xiàn)最優(yōu)工況穩(wěn)定輸送。在方案一和方案三選擇時(shí)優(yōu)先選擇方案一，但受上下游資源供需條件制約，可以采用輸送方式較為靈活的方案三，即組合式輸量運(yùn)行。

2.6 調(diào)整輸油泵機(jī)組

制定合理的輸油泵機(jī)組調(diào)整方案，不僅可以增加管道輸量臺(tái)階，更好匹配上下游資源需求，同時(shí)還能降低能耗，保證泵機(jī)組在高效區(qū)間運(yùn)行，同時(shí)可以減少施工投入，起到降本增效的目的[7-10]。

經(jīng)過(guò)研究，將托托站1臺(tái)大葉輪泵改造為小葉輪泵，阿獨(dú)烏線輸量臺(tái)階在原有1 050 m3/h及1 800 m3/h的基礎(chǔ)上，增加1 400 m3/h、1 700 m3/h兩個(gè)輸量臺(tái)階，1 800 m3/h輸量臺(tái)階也可以有不同配泵方案，增強(qiáng)了管道運(yùn)行靈活性。以往，阿拉山口站輸量為1 800 m3/h時(shí)需要啟用1臺(tái)大葉輪大揚(yáng)程泵（5#或6#），在托托站泵改造完畢后阿拉山口站配泵調(diào)整為3#小葉輪小揚(yáng)程泵、4#小葉輪大揚(yáng)程泵組合，泵機(jī)組調(diào)整后可實(shí)現(xiàn)日節(jié)約電能8 488 kWh，同時(shí)改造費(fèi)用較低[11]。

3 結(jié)論

為實(shí)現(xiàn)西部原油管道節(jié)能降耗效果，應(yīng)從多方面開(kāi)展工作。通過(guò)日常配泵優(yōu)化可以積累節(jié)能降耗經(jīng)驗(yàn)；通過(guò)加注減阻劑可以有效降低烏鄯線摩阻，降低能耗；以鄯蘭線玉門(mén)-張掖管段為例，研究管道清管規(guī)律，夏季管道摩阻較低，百公里摩阻可降至1.05 MPa左右；通過(guò)測(cè)試得到鄯蘭線小葉輪大揚(yáng)程泵實(shí)際特性曲線，在1 800～2 000 m3/h時(shí)泵效最高，且壓能在高值區(qū)；鄯蘭線采用平均輸量運(yùn)行方式時(shí)能耗最低；通過(guò)托托站小葉輪泵改造，不僅可以增加管道輸量臺(tái)階，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。今后將進(jìn)一步圍繞能耗核心問(wèn)題，尋求最優(yōu)解決方案。