代曉東 王余寶 李晶淼 張 超 孫海燕 劉 峰

1.中國石油大學勝利學院油氣工程學院, 山東 東營 257061；2.中國石油管道公司, 河北 廊坊 065000；3.山東港聯(lián)化管道石油輸送有限公司, 山東 青島 266500

0 前言

近年來，中國成品油管道快速發(fā)展,先后建設運營了中國石油蘭成渝管道、西部管道、蘭鄭長管道和中國石化西南、珠江三角、華南成品油管道,截止2016年12月,中國成品油管道已超過2.4×104km。目前,中國成品油管道運行水平與國外相比還存在較大差距,主要表現(xiàn)在僅能輸送有限種類油品，部分管道混油處理裝置設計能力不足，管道數(shù)據(jù)誤差和意外停輸?shù)纫蛩貙е陆缑鏅z測精度差等問題。通過查閱國外成品油管道技術(shù)標準和運行管理規(guī)范,其成熟經(jīng)驗和推薦做法主要在自動控制、泄漏檢測、混油界面監(jiān)測跟蹤和切割等方面[1-10]。因此,為提高中國成品油管道的運行效率和管理水平,應開展國外成品油管道運行管理技術(shù)和相關(guān)標準研究[11-12]。

本文在總結(jié)中國成品油管道實踐經(jīng)驗基礎上,闡述了國外成品油管道在油品批次原則、混油控制、界面檢測、混油切割和油品質(zhì)量檢驗等方面的技術(shù)現(xiàn)狀、推薦做法和發(fā)展趨勢,此外選取了俄羅斯成品油管道綜合性標準,研究了與國內(nèi)成品油管道標準SY/T 6695-2014《成品油管道運行規(guī)范》(以下簡稱SY/T 6695)、Q/SYGD 0228-2013《成品油儲運過程質(zhì)量控制技術(shù)規(guī)程》(以下簡稱Q/SYGD 0228)和Q/SY 1178-2014《成品油管道運行與控制原則》(以下簡稱Q/SY 1178)的關(guān)鍵技術(shù)差異。研究成果對于提高中國成品油管道建設和運行水平具有重要意義。

1 俄羅斯成品油管道標準

俄羅斯成品油管道輸送有限公司的企業(yè)標準CO 06-16-AKTHП-003-2004《AK燃油管輸有限公司成品油管道順序輸送燃油規(guī)程》(以下簡稱CO 06),由俄羅斯古勃金石油天然氣大學和AK公司石油天然氣流體動力學實驗室起草,主要內(nèi)容包括：油品物性參數(shù)、相鄰油品排序原則、混油切割方法和減少混油控制措施等。該標準整合數(shù)十項蘇聯(lián)成品油管道相關(guān)的標準,具有較高的綜合性和權(quán)威性,一定程度上反映了現(xiàn)在俄羅斯成品油管道運行管理的水平。

2 多種油品順序輸送排序原則

隨著成品油管道順序輸送技術(shù)的進步,其技術(shù)內(nèi)容已得到很大的拓展,包括多種牌號油品順序輸送，成品油與原油順序輸送，多種原油差溫順序(冷熱油交替)輸送，成品油與LPG順序輸送以及成品油與化工產(chǎn)品的順序輸送等。例如，美國Colonial成品油管道設計10個注入站和281個分輸站,輸送汽油、柴油、航空燃油共計118種油品[13-14]；加拿大Lakehead管道順序輸送46種油品；加拿大Enbridge管道系統(tǒng)曾進行不同種類原油的常溫順序輸送；加拿大貫山管道系統(tǒng)和法國拉費爾-巴黎管道系統(tǒng)曾實現(xiàn)原油與成品油的順序輸送。中國成品油管道只能實現(xiàn)有限種類油品的順序輸送,包括車用柴油(-35#～0#)、車用汽油(90#～97#)和車用乙醇汽油組分油等,較少輸送航空燃油,不涉及不同型號的柴油/柴油排序問題,而且不同型號汽油-柴油排序原則也較簡單。

國內(nèi)標準SY/T 6695規(guī)定油品順序應考慮相鄰油品有較好的相容性,以保證油品質(zhì)量要求；Q/SYGD 0228和Q/SY 1178規(guī)定順序宜選擇密度和物性參數(shù)相近的油品相鄰輸送。俄羅斯標準CO 06規(guī)定，順序輸送不同牌號汽油時,應安排相鄰汽油的辛烷值差值較小值；順序輸送不同型號的柴油時,應安排相鄰柴油的閉口閃點值差值較小者,若2種柴油閉口閃點值差值相同,應選擇相鄰柴油的含硫值差值較小者。

目前,中國成品油管道還不涉及多種油品順序輸送的排序原則,考慮國外成品油多品種、多系列油品的管道輸送技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢,可以借鑒俄羅斯標準的油品批次排序原則作為技術(shù)儲備。

3 成品油管道混油控制技術(shù)現(xiàn)狀

管道順序輸送過程中產(chǎn)生初始混油、過站混油和沿程混油,此外管道停輸時形成停輸混油,異常工況下形成意外混油,其中沿程混油是最主要的。目前,世界成品油管道行業(yè)普遍公認且廣泛應用的減少混油措施有[15-18]：

1)管道設計階段應基于相近性安排油品批次順序，設置最低允許批次量容積，中間站設置混油摻混流程。

2)管道設計階段盡可能減少變徑管、旁通管、盲管和支管造成死油管段,轉(zhuǎn)換油品儲罐的閥門和過濾器應設置在靠近管道干線,優(yōu)先采用電動閥門,不產(chǎn)生水擊情況下縮短開關(guān)時間,減少人為因素導致的初始混油量。

3)管道投產(chǎn)階段管道掃線、放空應徹底消除管道內(nèi)殘留積液。

4)管道運行通過調(diào)壓控制管道流速,消除不滿流管段,特別是翻越點后的自流管段；利用SCADA系統(tǒng)對全線進行監(jiān)控,避免管道在輸送過程中局部高點出現(xiàn)負壓,產(chǎn)生氣液分離。

5)成品油管道運行應盡量提高輸送流量,特別是兩種油品交替時宜在高于臨界雷諾數(shù)的情況下切換油品。

6)成品油管道如有中間注入站,監(jiān)控注入站油品質(zhì)量指標,末站嚴格控制混油段切割濃度,在油品質(zhì)量許可條件下,混油頭和混油尾應收入大容量的純凈油品罐中,以減少進入混油罐的混油量。

3.1 停輸混油

國內(nèi)標準Q/SYGD 0228規(guī)定，管道計劃停輸宜將混油段停在地勢平坦區(qū)域,在地勢起伏區(qū)域停輸時,應將密度較小的輕質(zhì)油品停在管道上方側(cè),密度較大的重質(zhì)油品位于管道下方側(cè)；SY/T 6695規(guī)定若為管道意外停輸,停輸時間較長且前后油品界面位置不符合上述要求,宜關(guān)閉界面上下游管道線路的截斷閥。

3.2 過站混油

3.3 初始混油

在首站前行油品和后行油品儲罐閥門切換的時間內(nèi),2種油品同時進入泵的入口管道,形成初始混油。初始混油量取決于切換儲罐的速度、首站泵吸入管的布置和首站的排量。研究表明,管道越長初始混油對管道終點總的混油量影響越小,例如管徑DN 500的管道長度300 km以上時初始混油影響已不明顯。國內(nèi)成品油管道初始混油措施，主要是2種油品切換時利用調(diào)節(jié)閥或調(diào)速泵盡可能保證流量平穩(wěn)；優(yōu)先采用電動閥門減少開閉時間等。中國西部成品油管道烏魯木齊首站通過掌握最佳切換時機,采用電動球閥可在10 s內(nèi)完成油品切換。

俄羅斯標準CO 06規(guī)定，控制在管道首站形成的初始工藝混油,并建議從以下幾個方面進行限制：減少不同油品儲罐流程切換時間,避免工藝管道(匯管)內(nèi)殘留油品,防止儲罐儲存油品時間過長導致質(zhì)量變差,定期檢測儲罐油品雜質(zhì)含量,減少操作人員閥門誤關(guān)斷,避免站內(nèi)工藝管道水擊等。

3.4 泵啟動方式

管道停泵操作方式：1)關(guān)閉離心泵的進泵閥門和出泵閥門；2)打開離心泵的進口閥門,關(guān)閉離心泵的出口閥門；3)打開離心泵的進泵閥門和出泵閥門。國內(nèi)成品油管道一般采用第2種方式,泵進出口管路和泵體內(nèi)形成“死區(qū)”,當泵處于停止狀態(tài),啟泵時如進口管路和泵體內(nèi)油品不一致,則產(chǎn)生混油。北美成品油管道一般采用第3種方式,停泵狀態(tài)下進出口管路和泵體還處于“沖刷”狀態(tài),如進口管路和泵體內(nèi)油品不一致,可以部分地利用罐靜壓或者吸入泵將前行油品排除泵體外,減少了下次啟泵產(chǎn)生的混油量。建議國內(nèi)成品油管道改進泵啟動方式以減少初始工藝混油。

3.5 液體隔離

國外成品油管道輸送性質(zhì)相差較大的兩種油品時,多采用隔離輸送方式,即在2種交替油品之間注入緩沖液以減少混油量,適用于緩沖液的液體有水、醇類、丙酮、二乙基胺等。例如汽油-柴油交替可放入一段煤油,汽油或柴油中允許摻混煤油的比例相對汽油和柴油允許摻混比例大得多,可減少需要處理的混油量；加拿大Interprovincial Pipeline管道采用加“合成油”[19](加拿大阿爾伯塔省瀝青砂的加工產(chǎn)品)隔離段的輸送方式；俄羅斯標準CO 06允許向相鄰油品界面注入部分首站的工藝混油作為隔離段,以減少到達末站的最終混油量；俄羅斯的蘇爾吉特-帕諾茨克管道應用凝膠體隔離油品；中國石化魯皖管道在97# 清潔汽油與93# 組分汽油之間注入97# 組分汽油作為隔離液。隔離液技術(shù)在國外較為成熟,但該技術(shù)在國內(nèi)成品油管道的適用性和應用效果還有待驗證。

3.6 成品油儲存溫度

國外成品油管道推薦的油品儲存溫度為16～20℃,通常采用制冷方式、空調(diào)方式、蓄冷方式或復合方式達到成品油長期儲存對儲油溫度的控制要求。當來油溫度較高時,應優(yōu)先選擇蓄冷方式在地上鋼油罐中儲存成品油[20]。國內(nèi)在油品儲存方面,主要采用“存新發(fā)舊”原則,油品在儲罐內(nèi)儲存時間一般不超過半年,幾乎不涉及溫度控制措施,建議根據(jù)所處地區(qū)大氣常年統(tǒng)計溫度,確定是否采用溫度控制措施。

4 成品油管道界面檢測技術(shù)現(xiàn)狀

國外成品油管道批次為一個或多個煉油企業(yè)的系列產(chǎn)品時,批次內(nèi)相鄰油品不產(chǎn)生實質(zhì)性混油,或者混油量較少,應用計算機技術(shù)完成批次內(nèi)相鄰油品界面跟蹤,相鄰批次的界面檢測采用多種特性測量法,例如美國Colonial成品油管道系統(tǒng)一個批次順序周期為5 d,利用光學界面儀、密度儀、重度儀，并輔以色度、濁度人工取樣方法檢測相鄰批次界面和進行油品批次切割[21]。美國帕蘭特遜管道公司在貝卡羅納州的格林斯伯勒至華盛頓的哥倫比亞特區(qū)的成品油管道使用了熒光劑檢測油品界面,取得了較好的效果。國外成品油管道還應用了超聲波、色度檢測法、氣體示蹤劑、放射元素檢測法等界面檢測方法。

中國成品油管道只能實現(xiàn)若干油品的順序輸送,批次概念與國外成品油管道存在差異,定義為不同循環(huán)周期的同一種油品,界面檢測主要用于切割混油段和純凈油品段。中國西部地區(qū)的成品油管道,包括蘭鄭長管道、蘭成渝管道,以及東部的港棗管道都采用了在線密度計和光學界面檢測儀進行界面檢測,并開發(fā)了配套軟件進行油品界面跟蹤。

國內(nèi)外成品油界面檢測技術(shù)基本一致,但由于國內(nèi)外成品油管道設計差異,國內(nèi)外成品油管道界面檢測技術(shù)和方法,都存在著由管道線路數(shù)據(jù)錯誤、輸油計劃改變、人為誤操作和管道意外停輸?shù)纫蛩兀鸬慕缑骖A測時間誤差大、批次界面相提前到達或滯后等問題[22]。因此,如何提高界面檢測準確性需要繼續(xù)深入研究。

5 成品油管道混油切割原則

5.1 不同標號同種油品混油段(汽油-汽油)

國內(nèi)標準Q/SYGD 0228規(guī)定，不同標號同種油品混油段應采用兩段切割,即富含前行油品的混油切入存儲前行油品的儲罐,富含后行油品的混油切入存儲后行油品的儲罐,混油段切割后通過儲罐自然摻混方式處理,不產(chǎn)生實質(zhì)性的混油。混油段切割點通過混油長度確定,在滿足質(zhì)量合格的前提下宜將更多的混油切入高標號油品中。但富含高標號油品的混油長度與富含低標號油品的混油長度比不宜超過7∶3。

針對不同型號汽油-汽油的混油段切割問題,中國標準同俄羅斯標準要求的方法完全一致：兩段切割法,在保證高標號等級油品質(zhì)量要求下,富含相應型號汽油的混油段注入對應的汽油儲罐。

5.2 不同種類油品混油段(汽油-柴油)

國內(nèi)標準Q/SYGD 0228規(guī)定，不同種類油品混油段宜采用兩點切割(三段切割)。

1)富含前行油品的混油切入存儲前行油品的儲罐,中間混油段切入混油罐,富含后行油品的混油注入后行油品的儲罐。中間混油段進混油分餾裝置,剩余的前混油頭和后混油尾進罐摻混。

針對不同種類油品混油段(汽油-柴油),中國標準SY/T 6695規(guī)定采用三段切割法,即將能夠摻入前后2種純凈油品罐內(nèi)的混油切入2種純凈油品的儲罐內(nèi),其余混油進入混油罐。中國標準存在的問題是：

俄羅斯標準CO 06規(guī)定不同種類油品混油段切割原則如下：

針對不同種類油品混油段切割方法,中俄標準差異：

2)針對中間混油段,國內(nèi)標準和管道企業(yè)普遍做法是進入混油罐進行拔頭處理,僅在設置較多混油罐時才進行中間混油段三段切割和分輸摻混處理；俄羅斯標準規(guī)定成品油管道應設計較多混油儲罐或者專用摻混儲罐,中間混油段優(yōu)先進行三段切割和分輸摻混處理。分輸摻混處理雖然在設計階段會增加管道儲罐建設投資,但相對采用拔頭裝置,可省去建設混油處理裝置費用,且更有利于管道投產(chǎn)后的生產(chǎn)運行管理。

6 成品油管道臨界雷諾數(shù)

一般不允許在層流狀態(tài)下進行順序輸送,且要求在較高流速下運行。研究表明，超過臨界雷諾數(shù),相對混油量(混油量與管容比值)隨雷諾數(shù)改變很小。中國標準SY/T 6695規(guī)定，成品油管道最低允許流速應保證紊流狀態(tài)；成品油管道存在最低運行輸量和臨界雷諾數(shù),不同管徑(DN 300、DN 400、DN 500、DN 600、DN 700、DN 800)對應的臨界雷諾數(shù)不同(44 300、55 800、68 400、82 200、97 300、114 000)。文獻[23]規(guī)定管徑DN 300和DN 500對應的臨界雷諾數(shù)為46 000和72 000。文獻[24]推薦成品油管道臨界雷諾數(shù)為73 000。

俄羅斯標準CO 06規(guī)定，成品油管道應以不低于0.75 m/s的流速在紊流狀態(tài)下進行順序輸送,以汽油(運動黏度0.62～0.76 mm2/s)和管徑DN 600管道為例,對應雷諾數(shù)為60 000。調(diào)研國外成品油管道設計時，臨界雷諾數(shù)不區(qū)分管徑大小,臨界雷諾數(shù)取值不低于70 000,Enbridge公式的臨界雷諾數(shù)取值為90 000；成品油管道管徑DN 600～700成為主流發(fā)展趨勢。建議從管道高效運行和減少混油量角度出發(fā),成品油管道運行輸量對應的臨界雷諾數(shù)應適當提高,建議取值70 000～80 000 較為適宜。

7 結(jié)論和建議

1)中國成品油管道未來發(fā)展趨勢是管道網(wǎng)絡化程度提高,增強成品油管道對市場變化適應性,提高管道輸送效率；另一方面,整合調(diào)度優(yōu)化、界面檢測、混油處理等技術(shù),實現(xiàn)管道管理平臺化、統(tǒng)一化。

2)針對油品批次排列原則,對于新建成品油管道,在設計階段應采用“分儲分輸”模式,從輸送方式上保證油品質(zhì)量指標要求；對于在役成品油管道,建議參考俄羅斯標準關(guān)于多種油品順序輸送排序原則作為技術(shù)儲備。

3)研究在交替油品之間注入緩沖液或工藝混油的適用性。

4)成品油管道設計階段減少混油措施是站場工藝設計應盡可能減少變徑管、旁通管、盲管和支管,合理安排油品批次順序,設置最低允許批次量；運行階段減少混油的措施主要是盡可能在高于臨界雷諾數(shù)條件下運行,消除不滿流管段。

5)完善改進輸油首站設備操作(儲罐、工藝管道、閥門、輸油泵等),盡可能減少初始工藝混油。

6)減少由于數(shù)據(jù)誤差、輸油計劃改變、人為誤操作和管道意外停輸?shù)纫蛩卦斐傻慕缑鏅z測誤差。

8)推薦優(yōu)先采用分階式進罐摻混作為處理混油的方式,新建管道在混油接收站盡可能多設置儲罐,對于在役且沒有混油處理能力的管道,建議考慮增設管道調(diào)和裝置,減輕混油處理壓力。

9)建議從管道高效運行和減少混油量角度出發(fā),成品油管道運行輸量對應的臨界雷諾數(shù)應適當提高,建議取值70 000～80 000較為適宜。

10)借鑒俄羅斯標準,建議規(guī)定首站、末站油品質(zhì)量檢測頻率,包括正常運行狀態(tài)、分輸操作和混油界面到達等階段。

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