杜麗紅

【摘要】通過對輸油管線停輸及停輸再啟動工況下運行參數(shù)的分析，研究輸油管線在停輸及停輸再啟動工況下的溫度、壓力分布規(guī)律，進而可確定管線不同輸量下的安全停輸時間及不同停輸時間下的最小允許輸量。

【關(guān)鍵詞】停輸；停輸再啟動；安全停輸時間

輸油管道在停輸過程中，油溫下降，粘度升高，當油溫降到一定值后，會給管道的再啟動帶來極大的困難，甚至造成凝管事故。因此，為了確保管道在停輸一定時間后，能夠順利再啟動，確定最小允許輸量和任務(wù)輸量下的最低出站油溫對管線安全運行具有一定的指導意義。

1、停輸工況下運行參數(shù)分析

在管道停輸時，土壤的蓄熱量及熱阻均很大，埋地管道在停輸后溫降緩慢，可以將管內(nèi)原油的冷卻過程視為一系列準穩(wěn)定狀態(tài)，列出在時間內(nèi)的熱平衡方程，近似求解。假設(shè)在時間內(nèi)，管內(nèi)存油及鋼管溫降放熱量等于管道向環(huán)境的散熱，且總傳熱系數(shù)K'等于穩(wěn)態(tài)時的K值，則距起點任意距離處，停輸溫降時間后管內(nèi)油溫的計算公式：

式中：

K──管線的總傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）；

TR──管內(nèi)油溫，℃。

T0──管道中心埋深處自然地溫，℃

D、D1、D2──管道平均直徑、鋼管內(nèi)徑、外徑，m；

cgρg── 鋼材的比熱和密度，J/（kg.℃），kg/m3；

cyρy── 油的比熱容和密度，J/（kg.℃），kg/m3；

2、再啟動工況下運行參數(shù)分析研究

2.1油溫計算

再啟動過程中的油溫回升可借鑒預(yù)熱時管內(nèi)油溫的計算方法。假設(shè)預(yù)熱過程中流量不變，近似認為流動狀況為準穩(wěn)定工況。起點溫度恒定，根據(jù)土壤導熱微分方程和液流能量方程來描述再啟動過程，則距起點z處、啟動時間τ時管道末端截面處，某一時刻管內(nèi)液體溫度的計算式：

式中：τ──啟動時間，h；R──管道半徑，m；α------土壤導溫系數(shù)，m2/s；z------距起點距離，m；V------管內(nèi)油品的流速，m/s；λt------土壤導熱系數(shù)，w/m℃；KI──契爾皮切夫準數(shù)，；Nua──努歇爾特準數(shù)，；

2.2壓力分布。再啟動過程是一個熱力和水力不穩(wěn)定的過程，由于停輸溫降使得原油流變性變差，再啟動壓力比正常運行時升高。停輸后的末段原油溫度尚高（一般高于凝點10℃，接近反常點），沒有屈服值，此時，輸送壓力只需克服這段原油的粘度，排量穩(wěn)定隨后上升，壓力按泵特性曲線變化，待這段原油部分頂出管道后，壓力、排量逐漸恢復正常，泵與管道系統(tǒng)的壓力、排量達到平衡。啟動過程中的壓力同正常運行時的計算相同。

式中：P1──管線起點壓力，MPa；P2──管線終點壓力，MPa；Lj ──管線長度，m；υ──原油的運動粘度，m2/s；Q──管線的體積流量，m3/s；m──與流態(tài)有關(guān)的常數(shù)。

3、停輸再啟動數(shù)值模擬

對某油田內(nèi)某聯(lián)合站至原油庫的輸油管線進行模擬，該段管線：ф325×7，長12.9km，穩(wěn)定運行工況：出站溫度為65℃，輸量為105m3/h。

3.1模擬所需參數(shù)的計算。（1）原油基本性質(zhì)：反常點：41℃；凝點：29℃；密度：ρ20=836kg/m3。（2）原油流變參數(shù)。①牛頓流體區(qū)粘溫關(guān)系。油溫高于41℃時，原油表現(xiàn)為牛頓流體特性，其粘溫關(guān)系為：η=30.878e-0.02862T式中：η——粘度，mPa.s；T——溫度，℃。②非牛頓流體段流變參數(shù)。在35～41℃的溫度范圍內(nèi)，原油表現(xiàn)為假塑性流體特性，其稠度系數(shù)和流變行為指數(shù)與溫度的關(guān)系為：k=2.9159×106e-0.48015T（Pa.sn）；n=-4.5659+0.2468T-2.705×10-3T2在30～35℃的溫度范圍內(nèi)，原油表現(xiàn)為屈服假塑性流體特性，其屈服值τ0、稠度系數(shù)K和流變行為指數(shù)n與溫度的為：

（Pa.sn）

（Pa）

（3）輸油管道的總傳熱系數(shù)K。埋地管道的總傳熱系數(shù)總傳熱系數(shù)受土壤的含水量、溫度場、管線內(nèi)壁結(jié)蠟等多種因素的影響，故難以得到準確的計算結(jié)果。在管道設(shè)計及運行管理中，常采用反算法計算已正常運行的熱油管道的K值，在反算總傳熱系數(shù)時，應(yīng)當選取管線穩(wěn)定運行期間的運行參數(shù)。根據(jù)管道軸向溫降公式可得到K值的反算公式：

經(jīng)過計算，穩(wěn)定運行工況下不同時間段反算出的總傳熱系數(shù)相差不大，平均總傳熱系數(shù)K=1.240W/m2℃，且通過實際運行工況驗證，同實際運行工況相符。

（4）當量管徑及結(jié)蠟厚度。熱油管線運行一段時間后，管線內(nèi)壁會出現(xiàn)結(jié)蠟現(xiàn)象，會使總傳熱系數(shù)下降，管線的散熱損失減少。因此，計算時宜選用進行當量管徑。該管線管線處于平原，高程差可忽略不計；速度水頭很小，也忽略不計。根據(jù)壓降計算公式，輸油管道的當量內(nèi)徑可由實際運行的參數(shù)反算得到：

可推出管道當量內(nèi)徑的計算公式：

當量結(jié)蠟厚度δdL的計算公式為：

經(jīng)過計算，當量內(nèi)徑為286mm，結(jié)蠟厚度為12.5。

3.2停輸再啟動模擬。（1）出站溫度65℃，輸量105m3/h下停輸過程中的起終點溫降模擬、對出站溫度為65℃，輸量為105m3/h的穩(wěn)定運行情況下停輸工況進行了模擬。夏季停輸24小時后： 出站溫度降為45.08℃，降低了19.92℃，進站溫度降為39.27℃，降低了14.9℃，即停輸過程中，出站段溫降比進站溫降速度快。這是由于出站段油溫高，與外界環(huán)境的溫差大，散熱損失大，進站段油溫低，與外界的溫差小，散熱損失小。冬季停輸11小時后： 出站溫度降為50.60℃，降低了14.4℃，進站溫度降為39.27℃，降低了14.9℃。（2）出站溫度65℃、進站溫度39℃下的不同輸量允許的安全停輸時間、夏季的安全停輸時間比冬季要長，隨著輸量的增加安全停輸時間增大的幅度逐漸變小。當輸量增大到90m3/h后，停輸時間隨輸量的變化變得很緩慢。同樣，根據(jù)停輸時間，可以確定最小允許輸量的大小。（3）再啟動過程計算。由于停輸結(jié)束時管線終端油溫一般高于凝點10℃左右，啟動過程中，輸量在滿足輸油泵和管線承壓能力下，可盡量提高輸量。油溫完全可以滿足運行要求，可以不考慮油溫的變化，只須考慮啟動時泵提供的壓能能否滿足管線壓降。計算條件為：控制輸量不超過160m3/h，出站油溫控制65℃。正常輸量下夏季停輸24小時、冬季停輸11小后的再啟動時沿線的壓降均在0.23Mpa左右，目前的輸油泵完全可滿足要求。

4、結(jié)論

（1）熱油管道的允許最小輸量由管道要停輸時間長短決定。管道停輸時間長，則允許最小輸量大，管道停輸時間短，則允許最小輸量就小。（2）熱油管道在任務(wù)輸量下的允許最低出站油溫的控制也由管道要求的停輸時間長短決定。管道停輸時間長，則允許最低出站油溫高，管道停輸時間短，則允許最低出站油溫低。（3）處于不同的季節(jié)，沿線的散熱情況不同，允許最小輸量也不同，夏季允許最小輸量比冬季允許最小輸量小。

參考文獻

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[2]沈維道，蔣智敏，童鈞耕.工程熱力學[M].高等教育出版社，2000.

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