羅 丹，汪 敏，肖金華，吳玉國(guó)

（1. 遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院, 遼寧 撫順 113001; 2. 中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司, 河北 廊坊 065000; 3. 中國(guó)石油天然氣管道通信電力工程總公司, 河北 廊坊 065000）

埋地?zé)嵊凸艿腊踩］敃r(shí)間計(jì)算方法及其影響因素

羅 丹1，汪 敏2，肖金華3，吳玉國(guó)1

（1. 遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院, 遼寧 撫順 113001; 2. 中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司, 河北 廊坊 065000; 3. 中國(guó)石油天然氣管道通信電力工程總公司, 河北 廊坊 065000）

加熱輸送是目前易凝高粘原油的最主要的廣泛采用的輸送工藝，但管道停輸時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，易導(dǎo)致凝管事故。為了避免凝管事故的發(fā)生，需要對(duì)輸油管道的停輸安全性進(jìn)行研究。介紹了埋地?zé)嵊凸艿腊踩］敃r(shí)間的近似計(jì)算方法，幵結(jié)合計(jì)算實(shí)例分析了安全停輸時(shí)間的主要影響因素。

停輸；安全停輸時(shí)間；影響因素

易凝高粘原油在常溫下流動(dòng)性較差，通常需要采用加熱或添加化學(xué)劑等方法改善其流動(dòng)性才能在管道中輸送。我國(guó)所生產(chǎn)的原油大多為易凝高粘原油，自20世紀(jì)50年代起，易凝高粘原油安全、經(jīng)濟(jì)輸送的理論和技術(shù)一直是我國(guó)油氣儲(chǔ)運(yùn)科技進(jìn)步的重點(diǎn)方向之一，但是，加熱輸送仍然是易凝高粘原油的最主要的廣泛采用的輸送工藝[1-3]。

熱油管道的輸油溫度一般高于原油凝點(diǎn)，但管道停輸時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，仍可導(dǎo)致凝管。由于原油長(zhǎng)輸管道受自然環(huán)境、人為因素破壞及輸送工藝變化等的影響，不可避免地會(huì)發(fā)生停輸事故。我國(guó)已建的東部管網(wǎng)大都運(yùn)行了30 a以上，逐漸進(jìn)入事故高發(fā)期，加之近些年來(lái)打孔盜油等人為破壞管道安全的行為呈上升趨勢(shì)，導(dǎo)致管道停輸次數(shù)增多，這給管道的安全運(yùn)行帶來(lái)一定威脅。因此，有必要對(duì)輸油管道的停輸安全性進(jìn)行研究。

1 計(jì)算方法

對(duì)于埋地管道，考慮到停輸后溫降受管道周圍土壤較大的蓄熱量和熱阻的影響比較緩慢這一點(diǎn)，管內(nèi)原油停輸后的冷卻過(guò)程可以按一系列準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)處理，列出其微元時(shí)間段內(nèi)的熱平衡方程，進(jìn)行近似求解。

求解是基于以下假設(shè)條件下進(jìn)行的。

（1）忽略管內(nèi)橫截面上溫度梯度、軸向溫降；

（2）總傳熱系數(shù)恒定；

（3）忽略原油物性隨溫度的變化；

（4）環(huán)境溫度恒定；

（5）不考慮保溫層的熱容量；

（6）微元時(shí)間段內(nèi)，因管內(nèi)存油及鋼管溫降產(chǎn)生的放熱量等于管道的散熱，總傳熱系數(shù)等于穩(wěn)態(tài)時(shí)的傳熱系數(shù)值。

在以上假設(shè)下列出微元段時(shí)間內(nèi)的熱平衡方程幵進(jìn)行積分、整理即得到埋地?zé)嵊凸艿腊踩］敃r(shí)間的近似計(jì)算公式：

式中:Ts—停輸終了溫度，℃；

Tr—出站溫度，℃；

τ —安全停輸時(shí)間，s；

D、D1、D2—管道的平均直徑、管道內(nèi)徑和管道外徑，m；

G—質(zhì)量流量，kg/m3；

cy、cg—油和管材的比熱，J/(kg·℃)；

ρy、ρg—油和管材的密度，kg/m3。

其中，熱油管道停輸終了溫度取決于允許的最低進(jìn)站溫度。至于原油最低進(jìn)站溫度，則應(yīng)依據(jù)管道狀況以安全經(jīng)濟(jì)為原則確定，宜高于所輸原油凝點(diǎn)3 ℃[4]。

2 計(jì)算實(shí)例

以西部原油管道鄯善至四堡段輸送北疆油時(shí)為例計(jì)算熱油管道的安全停輸時(shí)間，所涉及到的有關(guān)參數(shù)情況如表1所示。

表1 算例中管道及原油相關(guān)參數(shù)Table 1 Pipeline and oil related parameters in example

根據(jù)以上表格中的已知數(shù)據(jù)以及前文所述方法進(jìn)行計(jì)算，即可得到相應(yīng)條件下的安全停輸時(shí)間：79.72 h。

3 安全停輸時(shí)間的影響因素

從以上所介紹的埋地?zé)嵊凸艿腊踩］敃r(shí)間計(jì)算方法當(dāng)中，不難看出其影響因素很多，包括管道的總傳熱系數(shù)、原油的物性、出站溫度、輸量等，為了更清楚地了解各主要因素影響情況，以上述算例為基礎(chǔ)進(jìn)行不同條件下的安全停輸時(shí)間計(jì)算。

3.1 輸量

輸量是對(duì)熱油管道溫降影響較大的兩個(gè)參數(shù)之一。隨著輸量的減小，油溫下降速度將顯著增大，而且由于輸量的不同也導(dǎo)致沿線的停輸開(kāi)始時(shí)刻油溫不同，這些必然對(duì)管道安全停輸時(shí)間產(chǎn)生影響。為考察具體影響情況，計(jì)算了不同輸量下的管道安全停輸時(shí)間。

計(jì)算結(jié)果和安全停輸時(shí)間隨管道輸量的變化關(guān)系如表2和圖1所示。結(jié)果表明輸量的變化導(dǎo)致安全停輸時(shí)間的不同是比較明顯的，例如，年輸量從1 040×104t增加至2 000×104t，對(duì)應(yīng)的安全停輸時(shí)間的差別達(dá)到了40 h以上。從總體的趨勢(shì)上看，隨著輸量的增大，安全停輸時(shí)間延長(zhǎng)；在輸量比較大的范圍內(nèi)，安全停輸時(shí)間隨輸量增大而延長(zhǎng)的趨勢(shì)變緩。

表2 不同輸量下的安全停輸時(shí)間Table 2 The safe shutdown time under different flow

圖1 不同輸量下的安全停輸時(shí)間Fig.1 The safe shutdown time under different flow

3.2 總傳熱系數(shù)

總傳熱系數(shù)是另一個(gè)對(duì)熱油管道溫降影響較大的參數(shù)，它表示管內(nèi)油流至周圍介質(zhì)散熱的強(qiáng)弱，是計(jì)算熱油管道溫降的關(guān)鍵參數(shù)，總傳熱系數(shù)增大時(shí)，溫降將顯著加快。為考察其對(duì)安全停輸時(shí)間的具體影響情況，計(jì)算了不同總傳熱系數(shù)下的管道安全停輸時(shí)間。

計(jì)算結(jié)果和安全停輸時(shí)間隨總傳熱系數(shù)的變化關(guān)系如表3和圖2所示。結(jié)果表明總傳熱系數(shù)的變化導(dǎo)致安全停輸時(shí)間發(fā)生明顯變化，例如，總傳熱系數(shù)從1.0 W/(m2·℃)增加至2.0 W/(m2·℃)，對(duì)應(yīng)的安全停輸時(shí)間的差別超過(guò)了40 h。從總體的趨勢(shì)上看，隨著總傳熱系數(shù)的增大，安全停輸時(shí)間明顯縮短；在總傳熱系數(shù)比較大的范圍內(nèi)，安全停輸時(shí)間隨總傳熱系數(shù)增大而縮短的趨勢(shì)變緩。

表3 不同總傳熱系數(shù)下安全停輸時(shí)間Table 3 The safe shutdown time under different heat transfer coefficient

圖2 不同總傳熱系數(shù)下安全停輸時(shí)間Fig.2 The safe shutdown time under different heat transfer coefficient

3.3 出站油溫

熱油管道出站油溫的確定要考慮油品的粘溫特性，熱脹和溫度應(yīng)力等安全因素以及經(jīng)濟(jì)性等，也跟停輸時(shí)間有很大關(guān)系。出站溫度越高，進(jìn)站溫度就越高，雖然提高出站溫度幵不能獲得等值的進(jìn)站溫度升高，也會(huì)延長(zhǎng)安全停輸時(shí)間。為考察其對(duì)安全停輸時(shí)間的具體影響情況，計(jì)算了不同出站溫度下的管道安全停輸時(shí)間。

計(jì)算結(jié)果和安全停輸時(shí)間隨出站溫度的變化關(guān)系如表4和圖3所示。結(jié)果表明出站溫度的變化導(dǎo)致安全停輸時(shí)間發(fā)生明顯變化，例如，出站溫度從50 ℃增加至70 ℃，對(duì)應(yīng)的安全停輸時(shí)間的差別近40 h。從總體的趨勢(shì)上看，隨著出站溫度的增大，安全停輸時(shí)間延長(zhǎng)；在出站溫度比較大的范圍內(nèi)，安全停輸時(shí)間隨出站溫度增大而延長(zhǎng)的趨勢(shì)變緩。但是，相對(duì)獲得出站溫度的提高、安全停輸時(shí)間的延長(zhǎng)而言，需要出站溫度更大程度的提高，能耗費(fèi)用代價(jià)較大。

表4 不同出站油溫下的安全停輸時(shí)間Table 4 The safe shutdown time under different out-station temperature

圖3 不同出站溫度下安全停輸時(shí)間Fig.3 The safe shutdown time under different out-station temperature

3.4 凝 點(diǎn)

凝點(diǎn)是與熱油管道安全停輸時(shí)間關(guān)系最為密切的油品流動(dòng)特性參數(shù)，加熱站的進(jìn)站溫度基本是依據(jù)油品凝點(diǎn)來(lái)確定的。對(duì)于同樣的停輸開(kāi)始時(shí)刻溫度，凝點(diǎn)越低，安全停輸時(shí)間越長(zhǎng)。為考察其對(duì)安全停輸時(shí)間的具體影響情況，計(jì)算了不同凝點(diǎn)下的管道安全停輸時(shí)間。

表5 不同原油凝點(diǎn)下的安全停輸時(shí)間Table 5 The safe shutdown time under different oil condensation point

圖4 不同凝點(diǎn)下安全停輸時(shí)間Fig.4 The safe shutdown time under different oil condensation point

計(jì)算結(jié)果和安全停輸時(shí)間隨出站溫度的變化關(guān)系如表5和圖4所示。結(jié)果表明凝點(diǎn)的變化導(dǎo)致安全停輸時(shí)間發(fā)生明顯變化，例如，凝點(diǎn)從 30 ℃降至20 ℃，對(duì)應(yīng)的安全停輸時(shí)間的差別近50 h。從總體的趨勢(shì)上看，隨著凝點(diǎn)的降低，安全停輸時(shí)間延長(zhǎng)；在凝點(diǎn)比較高的范圍內(nèi)，安全停輸時(shí)間隨凝點(diǎn)降低而延長(zhǎng)的趨勢(shì)相對(duì)較緩。

可以通過(guò)添加降凝劑等方式降低油品的凝點(diǎn)以提高管道輸油的安全性、降低管道停輸再啟動(dòng)的難度。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于管道熱平衡分析在一定假設(shè)條件下得出了埋地?zé)嵊凸艿腊踩］敃r(shí)間的近似計(jì)算方法，結(jié)合實(shí)例分析了各主要因素的影響，根據(jù)分析結(jié)果可知，為了保障熱油管道的安全性，兼顧經(jīng)濟(jì)性盡可能維持較高的輸量，采取措施降低總傳熱系數(shù)、油品的凝點(diǎn)。

［1］楊筱衡. 輸油管道設(shè)計(jì)與管理[M]. 山東青島：中國(guó)石油大學(xué)出版社，2006.

［2］許康, 張勁軍, 尚孟平,等.含蠟原油管道停輸再啟動(dòng)的安全性問(wèn)題[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2004,23(11): 12-15.

［3］劉曉燕，龐丼萍,等. 慶哈埋地管道允許停輸時(shí)間的計(jì)算[J].油氣儲(chǔ)運(yùn),2003,22(5)18-21.

［4］國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì). SY/T 5536-2004原油管道運(yùn)行規(guī)程[S]. 北京:石油工業(yè)出版社, 2004.

Calculation Methods and Influence Factors of the Maximum Allowable Time of Shutdown for Buried Heated Pipelines

LUO Dan1，WANG Min2，XIAO Jin-hua3, WU Yu-guo1
( 1. College of Petroleum Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China 2. China Petroleum Pipeline Engineering Corporation, Hebei Langfang 065000, China 3. China Petroleum Pipeline Communication Power Engineering Corporation, Hebei Langfang 065000, China)

Nowadays, heating transport method for high pour point and viscous oil is mainly and widely used. But if time of shutdown is too long, pipeline solidification accident is possibly caused. Therefore, it is necessary to research pipeline shutdown safety in order to protect the pipelines. In this paper, an approximate calculation method of maximum allowable time of shutdown for buried hot oil pipelines was mainly discussed. A calculation example was given, and the influence factors of the maximum allowable time of shutdown were analyzed.

Shutdown; Maximum allowable time of shutdown; Influence factor

TE 832

A

1671-0460（2014）10-2137-03

2014-03-28

羅丹（1993-），女，研究方向：油氣儲(chǔ)運(yùn)工程。

吳玉國(guó)（1977-），男，副教授，博士，研究方向：油氣儲(chǔ)存與運(yùn)輸。E-mail：wyg0413@126.com。