田 震 敬加強(qiáng) 靳文博 趙紅艷 王雷振

（西南石油大學(xué)油氣消防四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 四川成都 610500）

含蠟原油管道安全經(jīng)濟(jì)清管周期模型的建立與計(jì)算分析＊

田 震 敬加強(qiáng) 靳文博 趙紅艷 王雷振

（西南石油大學(xué)油氣消防四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 四川成都 610500）

在滿足安全運(yùn)行的基礎(chǔ)上，以動(dòng)力費(fèi)用、熱力費(fèi)用及清管費(fèi)用的總和為目標(biāo)函數(shù)，建立了含蠟原油管道安全經(jīng)濟(jì)清管周期模型?；谥袑帯y川輸油管道清管后的運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析了不同進(jìn)站溫度、輸量和余蠟厚度對(duì)管道安全經(jīng)濟(jì)清管周期的影響，結(jié)果表明：進(jìn)站溫度的升高會(huì)使管道運(yùn)行日平均費(fèi)用增加和清管周期延長(zhǎng)，輸量的增加會(huì)使管道運(yùn)行日平均費(fèi)用降低和清管周期縮短；進(jìn)站溫度為16、18℃時(shí)預(yù)留的余蠟厚度為0.4～0.6 mm，進(jìn)站溫度為14℃時(shí)可以不預(yù)留余蠟厚度；不同進(jìn)站溫度及輸量下余蠟厚度對(duì)清管周期的影響規(guī)律基本一致，即清管周期均是隨著余蠟厚度的增加而逐漸縮短，且進(jìn)站溫度改變時(shí)余蠟厚度對(duì)清管周期影響的變化較顯著。

含蠟原油管道；清管周期；安全經(jīng)濟(jì)；計(jì)算模型；影響因素

對(duì)于凝固點(diǎn)高、粘度大、流動(dòng)性差的含蠟原油，一般采用加熱輸送工藝，但是這種輸送工藝普遍存在輸油能耗高、輸量變化范圍小及停輸再啟動(dòng)困難等缺點(diǎn)。這是因?yàn)?，含蠟原油在加熱輸送過(guò)程中會(huì)在管壁處形成蠟沉積層，使得管道的流通截面減小、摩阻增大、輸送能力降低，增大了管道輸送的安全隱患［1－3］。當(dāng)蠟沉積增長(zhǎng)到一定程度后，如果保持輸量基本不變，則管道的動(dòng)力消耗將增加，總傳熱系數(shù)將減小。為了恢復(fù)管道的輸送能力，降低含蠟原油加熱輸送的單位能耗，就必須在管道運(yùn)行一段時(shí)間后進(jìn)行清管，因此確定安全經(jīng)濟(jì)的清管周期就顯得尤為重要。

國(guó)內(nèi)對(duì)于含蠟原油管道清管周期的確定至今尚無(wú)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，實(shí)際操作中有時(shí)根據(jù)管道壓降變化來(lái)確定，但此種方法常會(huì)造成管道運(yùn)行熱力或動(dòng)力的浪費(fèi)［4－5］。管道清蠟后，摩阻損失減少，動(dòng)力消耗降低，但總傳熱系數(shù)增加，從而導(dǎo)致輸送單位油品的熱力消耗增加。因此，在確定管道清管周期時(shí)，管道的熱力費(fèi)用和動(dòng)力費(fèi)用存在一個(gè)最優(yōu)的組合，綜合考慮清管過(guò)程中的總能量消耗是確定清管周期的關(guān)鍵?；谶@一原則，許多學(xué)者對(duì)管道的清管周期進(jìn)行了探討［6－13］，有些學(xué)者認(rèn)為在管道清管過(guò)程中可以不將結(jié)蠟層徹底清掉，而是保留一部分的結(jié)蠟層（余蠟厚度），利用管道結(jié)蠟層的保溫作用來(lái)減少管道的散熱，進(jìn)而降低管道的熱力消耗。由此可見，在清管過(guò)程中預(yù)留一定的結(jié)蠟厚度有利于管道的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，但目前專門針對(duì)余蠟厚度對(duì)清管周期影響的研究成果較少，一些學(xué)者討論了預(yù)留一定蠟沉積層后輸油費(fèi)用的變化規(guī)律，但并沒有就余蠟厚度這一關(guān)鍵因素對(duì)清管周期的影響進(jìn)行具體分析［14－17］。

本文利用理論計(jì)算和實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法，以輸送一定量的原油所需熱力費(fèi)用、動(dòng)力費(fèi)用為目標(biāo)函數(shù)，通過(guò)建立清管周期模型，探討了實(shí)際管道熱力費(fèi)用和動(dòng)力費(fèi)用隨運(yùn)行天數(shù)的變化規(guī)律，確定了實(shí)際管道的安全經(jīng)濟(jì)清管周期，并著重討論了余蠟厚度對(duì)安全經(jīng)濟(jì)清管周期的影響。這些研究結(jié)果對(duì)于管道清管方案的制定及降低輸油成本均具有一定的借鑒作用。

1 模型的建立

清管周期的確定除了考慮管道運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性外，還應(yīng)兼顧輸油管道的安全性。在歐美，當(dāng)管道中蠟沉積層厚度達(dá)到2～3 mm時(shí)就須進(jìn)行清管操作［1819］。俄羅斯清管技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：應(yīng)根據(jù)輸油管道實(shí)際情況和油品物性確定清管周期，且每季度不少于1次；當(dāng)管道輸送能力下降3%及以上時(shí)，應(yīng)進(jìn)行緊急清管［4］。對(duì)于我國(guó)含蠟原油輸送管道而言，其沉積的蠟層厚度很容易達(dá)到2～3 mm。本文借鑒俄羅斯的清管標(biāo)準(zhǔn)，以輸量下降3%作為確定管道清管周期的安全極限。

含蠟原油管道運(yùn)行總費(fèi)用為動(dòng)力費(fèi)用、熱力費(fèi)用以及清管費(fèi)用的總和。管道的動(dòng)力消耗增長(zhǎng)與燃料消耗減小存在著一個(gè)優(yōu)化問(wèn)題，在保證管道安全輸送的前提下，找到管道運(yùn)行日平均費(fèi)用最低時(shí)的周期即為安全經(jīng)濟(jì)清管周期。所建立的清管周期模型如下。

1）熱力費(fèi)用。熱力費(fèi)用即原油出站時(shí)加熱爐為原油加熱所消耗的燃料費(fèi)用，計(jì)算公式為

式（1）中：SR為熱力費(fèi)用，元/d；G為質(zhì)量流量，kg/s；cy為油品比熱容，kJ/（kg·℃）；TC為出站溫度，℃；TZ為進(jìn)站溫度，℃；ey為燃料油價(jià)格，元/t；q為燃料油熱值，kJ/kg；ηR為加熱爐效率。

2）動(dòng)力費(fèi)用。動(dòng)力費(fèi)用即原油出站時(shí)輸油泵為原油加壓所消耗的電費(fèi)，計(jì)算公式為

式（2）中：SP為動(dòng)力費(fèi)用，元/d；ρ為油品密度，kg/m3；g為重力加速度，取9.81 m/s2；V為體積流量，m3/h；H為壓頭損失，m；ed為電力價(jià)格，元/（kW·h）；ηb為泵組合效率；ηd為電機(jī)效率。

由于清管費(fèi)用SC與當(dāng)?shù)氐氖袌?chǎng)價(jià)格有關(guān)（文中參照當(dāng)年的市場(chǎng)價(jià)格取5 000元/次），則管道運(yùn)行t天后的日平均費(fèi)用為

式（3）中：S為日平均費(fèi)用，元/d；t為管道運(yùn)行時(shí)間，d；SC為清管費(fèi)用，元。

除了滿足以上經(jīng)濟(jì)方面的條件外，還應(yīng)該滿足以下安全約束條件，即式（4）中：pZ為進(jìn)站壓力，MPa；pmin為最低進(jìn)站壓力，MPa；pC為出站壓力，MPa；pmax為最高出站壓力，MPa；Tmin為最低進(jìn)站溫度，℃；Tmax為最高出站溫度，℃；Q為輸量，m3/h；ΔQ為輸量降低幅度。

在滿足上述安全約束的前提下，該清管模型是以熱力費(fèi)用、動(dòng)力費(fèi)用及清管費(fèi)用的總和為目標(biāo)函數(shù)，通過(guò)分別計(jì)算管道運(yùn)行t天后的日平均費(fèi)用，找出日平均費(fèi)用最低時(shí)的周期即為管道的安全經(jīng)濟(jì)清管周期。

2 實(shí)例計(jì)算分析

2.1 管道沿線蠟沉積厚度分布規(guī)律預(yù)測(cè)

為了計(jì)算管道的安全經(jīng)濟(jì)清管周期，須先了解管道沿線蠟沉積厚度分布規(guī)律，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此已進(jìn)行大量的研究［20－24］。本文采用黃啟玉普適性結(jié)蠟?zāi)Ｐ停?4］進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)蠟沉積厚度預(yù)測(cè)，其計(jì)算公式為

式（5）中：W為蠟沉積速率，g/（m2·h）；τW為管壁處剪切應(yīng)力，Pa；μ為原油動(dòng)力粘度，為管壁處蠟晶溶解度系數(shù)，10－3/℃；為管壁溫度梯度，℃/mm。

利用該模型，結(jié)合中寧—銀川輸油管道（以下簡(jiǎn)稱中銀線）實(shí)際數(shù)據(jù)［24－25］，選擇石空—大壩站間2004年1—4月份剛清管后的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。石空—大壩站間距為58 km，管徑為273 mm，平均壁厚為7 mm，所輸原油凝點(diǎn)為4℃。為了便于分析，給出了石空—大壩站間工藝參數(shù)，如表1所示?；谠撃Ｐ?，計(jì)算得出了石空—大壩站間不同時(shí)間沿線蠟沉積厚度分布規(guī)律（圖1、2），從而為清管周期的計(jì)算奠定基礎(chǔ)。

表1 中銀線石空—大壩站間工藝參數(shù)Table 1 Process parameters between Shikong and Daba stations of Zhongning－Yinchuan pipeline

圖1 中銀線石空—大壩站間輸油管2004年第1次清管后沿線蠟沉積厚度變化規(guī)律Fig.1 Variation of wax deposition thickness between Shikong and Daba stations of Zhongning－Yinchuan pipeline after the first pigging in 2004

圖2 中銀線石空—大壩站間輸油管2004年第2、3次清管后沿線蠟沉積厚度變化規(guī)律Fig.2 Variation of wax deposition thickness between Shikong and Daba stations of Zhongning－Yinchuan pipeline after the second and third piggings in 2004

2.2 進(jìn)站溫度及輸量對(duì)安全經(jīng)濟(jì)清管周期的影響

要計(jì)算不同運(yùn)行條件下管道的安全經(jīng)濟(jì)清管周期，還須知道管道運(yùn)行的費(fèi)用等參數(shù)。中銀線管道運(yùn)行費(fèi)用等參數(shù)如表2所示，其中各費(fèi)用按照2004年市場(chǎng)價(jià)格選取。

表2 中銀線管道運(yùn)行參數(shù)Table 2 Operation parameters of Zhongning－Yinchuan pipeline

輸油管道運(yùn)行規(guī)范一般要求進(jìn)站溫度至少高于凝點(diǎn)3～5℃［14］，進(jìn)站壓力不低于0.2 MPa［14］。本文取出站溫度最高為80℃，取進(jìn)站溫度分別為14、16、18℃進(jìn)行分析；進(jìn)站壓力取0.2 MPa，最高出站壓力取5 MPa。利用表1的數(shù)據(jù)，分別探討進(jìn)站溫度及輸量對(duì)安全經(jīng)濟(jì)清管周期的影響。

1）進(jìn)站溫度對(duì)安全經(jīng)濟(jì)清管周期的影響。

利用表1第1次清管后的數(shù)據(jù)，取進(jìn)站溫度分別為14、16、18℃來(lái)分析進(jìn)站溫度對(duì)安全經(jīng)濟(jì)清管周期的影響，結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出：隨著運(yùn)行天數(shù)的增加，管道運(yùn)行日平均費(fèi)用不斷降低；隨著進(jìn)站溫度的升高，管道運(yùn)行日平均費(fèi)用不斷增加，這是由于管道的熱力費(fèi)用增加所致；當(dāng)進(jìn)站溫度分別為14、16、18℃時(shí)，經(jīng)計(jì)算當(dāng)運(yùn)行天數(shù)分別為7、10、13天時(shí)輸量下降3%，同時(shí)其他安全約束條件均滿足，故此時(shí)的運(yùn)行天數(shù)即為安全經(jīng)濟(jì)清管周期。

圖3 中銀線石空—大壩站間輸油管不同進(jìn)站溫度下的安全經(jīng)濟(jì)清管周期Fig.3 Economic and safe pigging frequencies at different inlet temperatures between Shikong and Daba stations of Zhongning－Yinchuan pipeline

2）輸量對(duì)安全經(jīng)濟(jì)清管周期的影響。

由表1可以看出，中銀線石空—大壩站間輸油管前3次清管后的傳熱系數(shù)和地溫基本一致，輸量分別為127.5、132.0、119.0 m3/h，因此以這3次的運(yùn)行數(shù)據(jù)來(lái)分析輸量對(duì)安全經(jīng)濟(jì)清管周期的影響，結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，隨著運(yùn)行天數(shù)的增加，管道運(yùn)行日平均費(fèi)用不斷降低，這主要是因?yàn)殡S著運(yùn)行天數(shù)的增加，蠟沉積厚度增大，管道總傳熱系數(shù)減小，熱力費(fèi)用降低；隨著輸量的增加，管道運(yùn)行日平均費(fèi)用也不斷降低，這是由于輸量增大時(shí)，管道總能量增加，而出站油溫及環(huán)境溫度不變的情況下，沿線損失的熱量接近一個(gè)定值，所以熱量損失所占比例減小，另外，隨著輸量的增加，摩擦阻力增大，從而對(duì)管道的保溫起到一定的促進(jìn)作用，故熱力費(fèi)用降低。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)輸量分別為119.0、127.5、132.0 m3/h，運(yùn)行天數(shù)分別為10、10、9天時(shí)輸量下降3%，同時(shí)其他約束條件均滿足，故此時(shí)的運(yùn)行天數(shù)即為對(duì)應(yīng)的安全經(jīng)濟(jì)清管周期。

圖4 中銀線石空—大壩站間輸油管不同輸量下的安全經(jīng)濟(jì)清管周期Fig.4 Economic and safe pigging frequencies at different transportation rates between Shikong and Daba stations of Zhongning－Yinchuan pipeline

綜上可見，本文提出的安全經(jīng)濟(jì)清管周期計(jì)算方法（以輸量下降3%作為一個(gè)安全極限條件）的計(jì)算結(jié)果較為合理，所得結(jié)論符合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，且可使管道運(yùn)行日平均費(fèi)用達(dá)到最低。若按以前方法計(jì)算得出的清管周期為幾個(gè)月甚至半年以上，這樣長(zhǎng)時(shí)間不清管會(huì)在實(shí)際管道運(yùn)行中帶來(lái)許多不安全因素。

2.3 余蠟厚度對(duì)安全經(jīng)濟(jì)清管周期的影響

保留一定的蠟沉積層厚度，利用其保溫作用可以在一定程度上降低管道的熱力費(fèi)用。在滿足輸量下降3%這一安全條件下，分別取余蠟厚度為0、0.4、0.6、1.0 mm（1.0 mm以上規(guī)律類似，不再給出）來(lái)分析余蠟厚度對(duì)安全經(jīng)濟(jì)清管周期的影響。具體做法為：在保證輸油管道安全運(yùn)行的前提下，計(jì)算不同余蠟厚度下的管道運(yùn)行日平均費(fèi)用并優(yōu)選出最低費(fèi)用下的余蠟厚度。

石空—大壩站間輸油管前6次清管后不同運(yùn)行條件下余蠟厚度對(duì)安全經(jīng)濟(jì)清管周期的影響的計(jì)算結(jié)果如表3、圖5所示。由表3可見，當(dāng)進(jìn)站溫度為14℃時(shí)，隨著余蠟厚度的增加，各清管周期內(nèi)對(duì)應(yīng)的管道運(yùn)行日平均費(fèi)用變化規(guī)律不盡相同，但余蠟厚度為0時(shí)的管道運(yùn)行日平均費(fèi)用最低，即在此進(jìn)站溫度下可以不預(yù)留余蠟厚度；當(dāng)進(jìn)站溫度分別為16℃和18℃時(shí)，在滿足安全約束的條件下可以適當(dāng)預(yù)留一定的蠟沉積層厚度以使各清管周期內(nèi)的費(fèi)用最低，由表3可知，此時(shí)可預(yù)留的余蠟厚度為0.4～0.6mm，對(duì)應(yīng)的清管周期即為考慮余蠟厚度時(shí)的安全經(jīng)濟(jì)清管周期。由圖5可以看出，不同進(jìn)站溫度及輸量下余蠟厚度對(duì)清管周期的影響規(guī)律基本一致，即隨著余蠟厚度的增加，清管周期均逐漸縮短，這是因?yàn)轭A(yù)留的余蠟厚度越大，達(dá)到輸量下降3%的時(shí)間越短。但進(jìn)站溫度改變時(shí)余蠟厚度對(duì)清管周期影響的變化較顯著。

表3 中銀線石空—大壩站間前6次清管后不同運(yùn)行條件下不同余蠟厚度對(duì)應(yīng)的管道運(yùn)行費(fèi)用Table 3 Corresponding pipeline operation cost of the remnant wax thicknesses under different operation conditions after the first 6piggings between Shikong and Daba stations of Zhongning－Yinchuan pipeline

圖5 中銀線石空—大壩站間輸油管不同進(jìn)站溫度及輸量下余蠟厚度對(duì)清管周期的影響Fig.5 Influence of remnant wax thickness on the pigging frequency under different inlet temperatures and transportation amount between Shikong and Daba stations of Zhongning－Yinchuan pipeline

3 結(jié)論

1）以輸量下降3%作為確定含蠟原油管道清管周期的安全極限，分析了不同運(yùn)行條件對(duì)管道安全經(jīng)濟(jì)清管周期的影響，結(jié)果表明：進(jìn)站溫度的升高會(huì)使管道運(yùn)行日平均費(fèi)用增加和清管周期延長(zhǎng)，而輸量的增加會(huì)使管道運(yùn)行日平均費(fèi)用降低和清管周期縮短。

2）余蠟厚度對(duì)管道運(yùn)行費(fèi)用有一定影響。對(duì)中銀線石空—大壩站間輸油管的計(jì)算結(jié)果表明：一定的余蠟厚度可以降低管道的運(yùn)行費(fèi)用；當(dāng)進(jìn)站溫度為14℃時(shí)，可以不預(yù)留余蠟厚度；當(dāng)進(jìn)站溫度分別為16℃和18℃時(shí)，預(yù)留的余蠟厚度為0.4～0.6 mm。不同進(jìn)站溫度及輸量下余蠟厚度對(duì)清管周期的影響規(guī)律基本一致，即隨著余蠟厚度的增加，清管周期均逐漸縮短，但進(jìn)站溫度改變時(shí)余蠟厚度對(duì)清管周期影響的變化較顯著。

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Development and computational analysis of the safe and economic pigging frequency model for waxy crude oil pipelines

Tian Zhen Jing Jiaqiang Jin Wenbo Zhao Hongyan Wang Leizhen
（Oil and Gas Fire Protection Key Laboratory of Sichuan Province，Southwest Petroleum University，Chengdu，Sichuan610500，China）

With safe operations ensured，taking the sum of power，thermal and pigging costs as the objective function，a safe and economic pigging frequency model for waxy crude oil pipelines was developed.Based on the operation data of Zhongning－Yinchuan pipeline upon being pigged，the influence of inlet temperature，throughput and remnant wax thicknesses on the safe and economic pigging frequency were analyzed.The results show that the average daily costs of pipeline operation will increase while the pigging frequency will be extended with the inlet temperature increasing；and conversely，the average daily costs of pipeline operation will decrease while the pigging frequency will be shortened with the throughput rising.The reserved remnant wax thickness is 0.4 to 0.6 mm when the inlet temperature is 16 or 18℃；but it is not necessary when the inlet temperature is 14℃.The influencing patterns of remnant wax thickness on pigging frequency at different inlet temperatures and throughputs are basically the same，i.e.the increase of remnant wax thickness can shorten the pigging frequency.In addition，the influence of remnant wax thickness on pigging frequency is more significant when the inlet temperature changes.

waxy crude oil pipeline；pigging frequency；safe and economic；computational model；influencing factor

TE832.3＋3

A

2014－06－27改回日期：2014－07－24

（編輯：張喜林）

田震，敬加強(qiáng)，靳文博，等.含蠟原油管道安全經(jīng)濟(jì)清管周期模型的建立與計(jì)算分析［J］.中國(guó)海上油氣，2015，27（2）：120－126.

Tian Zhen，Jing Jiaqiang，Jin Wenbo，et al.Development and computational analysis of the safe and economic pigging frequency model for waxy crude oil pipelines［J］.China Offshore Oil and Gas，2015，27（2）：120－126.

1673－1506（2015）02－0120－07

10.11935/j.issn.1673－1506.2015.02.021

＊國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“稠油流動(dòng)邊界層在水基泡沫作用下的阻力特性研究（編號(hào)：51074136）”部分研究成果。

田震，男，西南石油大學(xué)在讀碩士研究生，研究方向?yàn)橛蜌饧敼に嚴(yán)碚撆c技術(shù)。E－mail：believemetoo＠sina.com。