梁宏寶 馬百濤 姜 勇 李 博

(1.東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院；2.北京油氣調(diào)控中心)

長(zhǎng)輸原油管道能耗關(guān)鍵影響因素研究

梁宏寶*1馬百濤1姜 勇2李 博1

(1.東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院；2.北京油氣調(diào)控中心)

對(duì)長(zhǎng)輸原油管道的能耗進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，通過實(shí)例分析了影響長(zhǎng)輸原油管道能耗的主要因素和變化規(guī)律。提出了降低管道能耗的具體措施，有效降低了長(zhǎng)輸原油管道的運(yùn)行費(fèi)用、提高了經(jīng)濟(jì)效益。

原油管道 能耗 數(shù)學(xué)建模 運(yùn)行成本

管道運(yùn)輸是運(yùn)輸原油的主要方式，截止2013年12月，我國(guó)油氣管道總長(zhǎng)度達(dá)到8.70萬(wàn)公里，其中，天然氣管道約4.85萬(wàn)公里，原油管道約2.31萬(wàn)公里，成品油管道約1.53萬(wàn)公里。輸油管道的運(yùn)行是一個(gè)復(fù)雜的過程，它受到出站溫度、管線環(huán)境狀況及油品的粘溫關(guān)系等影響[1,2]。長(zhǎng)輸管道在運(yùn)行的過程中，各種因素對(duì)能耗的影響各不相同，為了降低長(zhǎng)輸原油管道的能耗，許多國(guó)內(nèi)外的專家和學(xué)者對(duì)熱油管道的優(yōu)化進(jìn)行了大量的研究，取得了一定進(jìn)展。針對(duì)我國(guó)輸油管道的不同工況，一些研究人員從目標(biāo)函數(shù)、決策變量及約束條件等方面進(jìn)行研究[3]。但是，研究人員在降低原油管道能耗方面，并沒有對(duì)原油管道運(yùn)行過程進(jìn)行能耗的具體分析與計(jì)算。為此，筆者通過實(shí)例分析管道能耗費(fèi)用的主要影響因素，并給出優(yōu)化運(yùn)行措施。

1 建立長(zhǎng)輸原油管道能耗的數(shù)學(xué)模型

1.1長(zhǎng)輸原油管道的穩(wěn)態(tài)軸向溫降

原油管道運(yùn)輸過程中，當(dāng)原油進(jìn)入管道之前需要在加熱站加熱，以便運(yùn)輸順暢，要保證當(dāng)加熱到一定溫度時(shí)，原油在流動(dòng)過程中向管道外散發(fā)熱量后，原油的溫度仍不會(huì)太低。當(dāng)原油經(jīng)過加熱站后，再經(jīng)過泵站加壓，以便保證原有的流速。假定原油管道的流量和原油物性不變時(shí)，管道沿程的溫度分布可表示為：

TL=(T0+b)+[TR-(T0+b)]e-aL

(1)

式中b——與摩擦有關(guān)的系數(shù)；

c——均溫下原油的比熱容，J/(kg·℃)；

D——管道外徑，m；

G——原油的質(zhì)量流量，kg/s；

i——油流的水力坡降；

K——管道的總傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；

L——管道加熱輸送長(zhǎng)度，m；

T0——周圍介質(zhì)溫度，℃；

TL——距起點(diǎn)為L(zhǎng)處的油溫，℃；

TR——管道起點(diǎn)油溫，℃。

若忽略摩擦的影響，令b=0，代入式(1)可以得到蘇霍夫公式：

TL=T0+(TR-T0)e-aL

(2)

1.2熱能消耗的計(jì)算

原油經(jīng)過加熱站時(shí)，加熱站中的加熱爐對(duì)原油進(jìn)行加溫、加壓以保證油流運(yùn)輸流暢。加熱站燃料一般采用原油或油渣。加熱站的熱能消耗也是能耗的重要組成部分[4,5]。加熱站的有效熱負(fù)荷計(jì)算公式為：

q=Gc(TR-T0)

(3)

加熱站工作過程中，在t時(shí)間(單位h)內(nèi)，燃料油的消耗總量和把10kt原油輸送1km的距離所消耗的燃料總量的計(jì)算公式分別為：

(4)

式中c——均溫下的油品比熱容，kJ/(kg·℃)；

E——燃料油低位熱值，kJ/kg；

TR——出站溫度,℃；

TZ——進(jìn)站溫度,℃；

η——加熱系統(tǒng)效率。

1.3原油管道的摩阻計(jì)算

經(jīng)加熱站加熱的原油在管道里面流動(dòng)時(shí)，需要進(jìn)行摩阻計(jì)算。過去人們計(jì)算原油管道摩阻的時(shí)候,一般根據(jù)平均溫度法將原油的物性參數(shù)當(dāng)做定值,同時(shí)忽略流態(tài)變化的影響，以及流型轉(zhuǎn)變的影響,在這樣的情況下必然會(huì)帶來一些計(jì)算誤差。筆者考慮到流態(tài)和流型因素會(huì)隨著油溫以及外界溫度的變化而變化,從而對(duì)加熱站間管路的摩阻損失計(jì)算進(jìn)行了區(qū)間劃分并且采用了數(shù)值解法。熱油管道的摩阻計(jì)算公式為。

(5)

式中d——管道內(nèi)徑，m；

Q——體積流量，m3/s；

v——油品運(yùn)動(dòng)粘度，m2/s。

在式(5)中，達(dá)西參數(shù)A、β、m的值不是固定的，是隨流態(tài)和流型的變化而變化的，它們的數(shù)值以及各流態(tài)區(qū)沿程摩阻的計(jì)算式見表1。

表1 不同流態(tài)時(shí)A、m、β值

注：Re1=59.5/ (ε8/7)；Re2=(665-7651gε)ε；ε=2e/d；e為管面平均絕對(duì)當(dāng)量粗糙度，m。

1.4動(dòng)力能耗的計(jì)算

機(jī)械能消耗的大小由原油管道的高差和管道輸送原油時(shí)的摩阻損失所決定。管道運(yùn)輸原油的過程中主要就是電的消耗量，泵提供給單位質(zhì)量原油的有效能頭為：

(6)

式中hf——沿程摩阻損失,m；

hmi——各站站內(nèi)摩阻,m；

ZQ——管段起點(diǎn)處高程,m；

ZZ——管段終點(diǎn)處高程,m。

泵的有效功率為:

(7)

式中h——揚(yáng)程,m；

N有效——泵的有效功率,kW；

Q——泵排量,m3；

ρ——原油密度,kg/m3。

2 原油管道能耗的影響因素的研究

2.1加熱原油管道熱能消耗的影響因素

燃料油單耗是加熱管道熱能耗的主要影響因素之一，它不但取決于加熱爐的效率，而且還受到管道輸入量輸出的影響。燃料油單耗計(jì)算公式為：

(8)

(9)

從式(9)可以看出：當(dāng)進(jìn)站溫度不變的情況下，油單耗與(TZ-T0)的關(guān)系是成正比的，與加熱爐的效率η成反比關(guān)系。經(jīng)過分析可以知道，長(zhǎng)輸原油管道影響油單耗的因素主要包括原油實(shí)物輸入量和輸出量、介質(zhì)的溫度、加熱爐的有效功率。長(zhǎng)輸原油管道輸入量和輸出量越大，介質(zhì)溫度越高，加熱爐的效率越高，燃料油單耗越低。通過分析可以得出如下結(jié)論：

a. 長(zhǎng)輸原油管道的輸入量變化對(duì)熱能的消耗有一定的影響。當(dāng)長(zhǎng)輸原油管道進(jìn)站油溫為一個(gè)固定值時(shí)，假設(shè)在原油其他物性參數(shù)不變的情況下，如果原油管道的原油輸送量減少，原油的出站油溫變高，整個(gè)管路的沿程熱損失會(huì)增大，加熱爐的燃料油消耗量也會(huì)隨之升高。

b. 溫度變化對(duì)熱能的消耗有一定影響。在季節(jié)性的溫度變化過程中，地下長(zhǎng)輸原油管道周圍介質(zhì)的溫度也會(huì)改變，使得長(zhǎng)輸原油管道的散熱發(fā)生了改變，從而使得長(zhǎng)輸原油管道的能耗發(fā)生改變。當(dāng)長(zhǎng)輸原油管道周圍介質(zhì)溫度上升時(shí)，長(zhǎng)輸原油管道熱能的消耗會(huì)降低，當(dāng)原油管道周圍介質(zhì)溫度降低時(shí)，長(zhǎng)輸原油管道熱能的消耗會(huì)有所提高。同時(shí)，長(zhǎng)輸原油管道的總傳熱系數(shù)對(duì)原油管道的熱能消耗也有一定的制約。

2.2原油管道動(dòng)力消耗的影響因素

電單耗是影響原油管道動(dòng)力消耗的主要因素之一，電力的消耗同時(shí)受到多方面因素的制約，包括流量、粘度、泵效率、電機(jī)效率、雷諾數(shù)及密度等。電單耗計(jì)算公式為[6]：

(10)

(11)

從式(11)可以看出，對(duì)于水平的長(zhǎng)輸原油管道來說，電單耗跟原油的流量Q2-m和原油粘度vm是成正比關(guān)系的，同時(shí)，與泵的效率η1和電機(jī)效率η2成反比關(guān)系，原油管道中的原油在水力光滑區(qū)m的值為0.25。原油的粘度與輸送量對(duì)電單耗有一定影響。輸送量對(duì)電單耗的影響比粘度對(duì)電單耗影響大得多。對(duì)于有部分大落差的原油管道來說，為了克服高程差所消耗的電單耗可以看作是一個(gè)恒定值。原油流量的變化對(duì)動(dòng)力消耗有一定影響，含蠟的長(zhǎng)輸原油管道大部分都工作在湍流的水力光滑區(qū)，所以會(huì)使泵的電耗增大，當(dāng)雷諾數(shù)值變大時(shí)，管道原油輸送量會(huì)加大對(duì)摩阻的影響。原油的粘度、密度和油品物性對(duì)長(zhǎng)輸原油管道動(dòng)力消耗的影響較大。當(dāng)原油的粘度變大時(shí)會(huì)導(dǎo)致摩阻損失也變大，耗電量也會(huì)上升。當(dāng)原油的輸送量為一定值時(shí)，原油的粘度決定摩阻損失的大??；輸送原油的溫度決定原油粘度；原油輸送量的大小和原油管道周圍介質(zhì)溫度的高低決定原油粘度的大小。

3 實(shí)例分析

以秦京線長(zhǎng)輸原油管道為例，進(jìn)行電單耗、油單耗影響因素的量化分析。原油管道全長(zhǎng)為330km，原油管徑529mm，壁厚8mm，材料70#鋼，原油管道沿程建有6個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的泵站，6個(gè)燃油的加熱站，原油管道的設(shè)計(jì)輸送量為6Mt，在計(jì)算時(shí)取原油密度為850kg/m3。原油管道的基本參數(shù)見表2。

表2 管道的基本數(shù)據(jù)

3.1電單耗影響因素分析和控制方法

在原油管道的運(yùn)輸過程中，伴隨著原油溫度的變化，其粘度也會(huì)變化，對(duì)電單耗的影響很大，定量地分析秦京線原油輸送量、原油粘度等因素對(duì)電耗的影響，得出其變化規(guī)律。

3.1.1原油輸送量變化對(duì)電單耗的影響

假定介質(zhì)溫度、海拔及泵效率等因素一定時(shí)，得到的原油輸送量變化對(duì)電單耗的影響見表3。

表3 不同輸送量下的電單耗

可以看出，原油管道的原油輸送量增加10%時(shí)，電單耗增加約17%。所以，為了降低原油管道原油輸送能耗，在原油管道設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)優(yōu)先把原油輸送量對(duì)電單耗的影響考慮在內(nèi)，同時(shí)要對(duì)設(shè)計(jì)好的原油管道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，選定合理的管理流程[6]。

3.1.2粘度變化對(duì)電單耗的影響

長(zhǎng)輸原油管道在運(yùn)行的過程中，原油的粘度對(duì)電單耗的影響也是很大的，在其他外界因素不變的情況下，得到粘度的變化對(duì)電單耗的影響見表4。

表4 不同粘度下的電單耗

當(dāng)秦京線原油管道中的液體粘度為1.5×106m2/s時(shí)，油流處在混合摩擦區(qū)。在混合摩擦區(qū)里會(huì)使一部分能量浪費(fèi)掉，從表4可以看出，當(dāng)原油流態(tài)處于水力光滑區(qū)時(shí)，原油粘度增加10%，電單耗增加約2.2%。所以，在原油管道運(yùn)輸過程中應(yīng)適當(dāng)控制油流溫度，控制油流溫度也就控制了油的粘度，使油的粘度值最適宜，從而可以降低電單耗，節(jié)約管道的運(yùn)行費(fèi)用。

3.2油單耗影響因素分析與節(jié)能措施

假定秦京線的各進(jìn)站溫度為定值(35℃),地溫取17℃，原油比熱容取2.2kJ/(kg·℃),原油的低位熱值取42MJ/kg，加熱站加熱系統(tǒng)效率83%，原油管道總傳熱系數(shù)為1.96W/(m2·℃)。在熱力學(xué)計(jì)算過程中忽略摩擦熱的作用，利用蘇霍夫公式進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算。

3.2.1輸送量變化對(duì)油耗的影響

長(zhǎng)輸原油管道在運(yùn)行的過程中，原油管道的輸油量對(duì)油單耗的影響很大，在其他外界因素一定的條件下，得到輸送量變化對(duì)油單耗的影響見表5。

表5 不同輸送量下各站出站溫度和油單耗

可以得出：年輸送量對(duì)油單耗的影響很大，當(dāng)輸送量增加9%時(shí)，油單耗降低約8%。因此，適當(dāng)?shù)目刂戚斔土靠梢越档陀蛦魏摹?/p>

3.2.2地溫變化對(duì)油單耗的影響

地溫是影響原油運(yùn)輸能耗的重要因素，其他因素不變的情況下，得到地溫變化對(duì)油單耗的影響見表6。

表6 不同地溫下各站出站溫度和油單耗

可以看出：當(dāng)外界的介質(zhì)地溫從0℃增加到10℃時(shí)，會(huì)使油單耗降低約29%；當(dāng)外界的介質(zhì)地溫從10℃增加到20℃時(shí)，油單耗降低約40%；當(dāng)外界的介質(zhì)地溫從20℃增加到30℃時(shí)，油單耗降低約75%。由此可得，地溫對(duì)原油管道的能耗的影響非常明顯。所以，為了有效降低原油管道的能耗，在原油輸送過程中，使終點(diǎn)站油溫高于原油自身凝固點(diǎn)，可以很好地達(dá)到節(jié)能效果，在具體實(shí)施操作方法上可以運(yùn)用逐次降溫的方式。

4 結(jié)論

4.1原油管道運(yùn)輸中，應(yīng)使終點(diǎn)站的原油溫度略高于原油自身凝固點(diǎn)，可以有效降低能耗。

4.2適當(dāng)?shù)目刂圃偷妮斔土靠梢越档陀蛦魏模斔土吭黾?0%，油單耗降低約10%，電單耗增加18%。輸送量越大、地溫越高、加熱爐效率越大，油單耗越低。

[1] 李云杰.油氣管道能耗測(cè)算方法研究[D].青島：中國(guó)石油大學(xué)(華東)，2009.

[2] 李曉宇.原油管輸能耗預(yù)測(cè)方法研究[J]. 油氣儲(chǔ)運(yùn)，2009，28(6)：64～68.

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[4] 劉冰.油氣管道能效管理[M].北京:地質(zhì)出版社，2011.

[5] 楊筱蘅.輸油管道設(shè)計(jì)與管理[M].北京：中國(guó)石油大學(xué)出版社,2006.

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AnalysisofFactorsInfluencingEnergyConsumptionofCrudeOilPipelines

LIANG Hong-bao1, MA Bai-tao1, JIANG Yong2, LI Bo1

(1.CollegeofMechanicalScienceandEngineering,NortheastPetroleumUniversity,Daqing163318,China;2.PetroChinaOil&GasPipelineControlCenter,Beijing100101,China)

The mathematical modeling of the energy consumption of oil long-distance transmission pipeline was implemented and the main factors which affecting the energy consumption and its change rule were analyzed so as to propose the specific measures to reduce energy consumption and operating cost of the pipeline as well as improve its economic benefits.

crude oil pipeline, energy consumption, mathematical modeling, operating cost

*梁宏寶，男，1966年8月生，教授。黑龍江省大慶市，163318。

TQ055.8+1

A

0254-6094(2016)03-0311-05

2015-07-01)