周新昌

(中國國際石油化工聯(lián)合有限責(zé)任公司，北京 100728)

順序輸送是指按照一定的批次及順序在同一管道內(nèi)連續(xù)地輸送不同種類的液體的輸送方法，亦稱為“交替輸送”或者“混油輸送[1]。順序輸送多用于汽柴煤油等石油產(chǎn)品的輸送，因?yàn)槿魧?duì)每種油都專管輸送，工程投資巨大且輸送成本也極高。全球各類原油產(chǎn)地不同，性質(zhì)各異，煉廠為最大化經(jīng)濟(jì)效益，通常需要多種不同品質(zhì)的原油，這些原油的輸送多為順序輸送。盡管順序輸送因?yàn)槌杀緝?yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用，但順序輸送中產(chǎn)生的混油現(xiàn)象也帶來了一定程度的麻煩，怎樣避免或減小混油量是一個(gè)值得研究的問題。

1 順序輸送混油的產(chǎn)生

在順序輸送時(shí)，不同種類的油品交替進(jìn)行，在兩種油品的接觸區(qū)因?yàn)檠貜较蚣拜S向運(yùn)動(dòng)速度不同以及分子擴(kuò)散作用會(huì)發(fā)生一定的交融互換，彼此各有一部分介質(zhì)進(jìn)入到對(duì)方區(qū)域內(nèi)，進(jìn)而產(chǎn)生一段兩種油品共存的區(qū)段。

兩個(gè)因素在混油現(xiàn)象中發(fā)揮主要作用：一是管道橫截面沿徑向方向的不均勻流速，表現(xiàn)為中間快，四周慢，使得后行油品的中間流速較快的部分鍥入前行油品中，在油頭橫截面上兩種流體分布密度不同，中間部分后行流體濃度高，周邊部分前行流體濃度高，在濃度差和分子擴(kuò)散作用下，兩種流體分別由己方高濃度界面進(jìn)入彼方低濃度界面，進(jìn)而形成混油；二是管內(nèi)流體沿管道軸向、徑向的紊流擴(kuò)散[2]。湍流時(shí)，由于擾動(dòng)激烈，混油段各截面上油品濃度相對(duì)平衡，不存在明顯的“油頭”，但是貼近管道的內(nèi)表面部分流速較慢，流態(tài)接近層流，層流間的流速不同造成混油。

2 馬廣線原油順序輸送產(chǎn)生的混油量

2.1 馬廣線概況

“馬-廣”原油長輸管線屬于國家油氣管網(wǎng)總體規(guī)劃的重要組成部分，擔(dān)負(fù)著國家重點(diǎn)石油化工項(xiàng)目的原油輸送任務(wù)，是中國石化股份有限公司廣州分公司千萬噸級(jí)煉油項(xiàng)目原油供應(yīng)的唯一通道。該管線起點(diǎn)為大亞灣馬鞭洲原油碼頭，穿過約10 km海域后在大亞灣石化區(qū)巖前河口西側(cè)登陸，途徑大亞灣、惠陽、博羅、增城，終點(diǎn)為廣州石化煉油廠，總長約 173 km，管線外徑610 mm。該管線自 1997 年 3 月建成投用以來運(yùn)行良好，累計(jì)輸送原油超過2億噸。，全線設(shè)馬鞭洲首站、南邊灶油庫、新圩站、園洲站、廣石化末站共5個(gè)站點(diǎn)，其中馬鞭洲首站到南邊灶油庫采用旁接油罐輸油工藝，南邊灶油庫到廣州末站采用密閉輸送工藝。全線各站的位置、站間距、管徑及標(biāo)高示意圖如下：

管線所輸油品按含硫量來分可分為低硫原油，含硫原油和高硫原油。由于硫?qū)ρb置的腐蝕性很嚴(yán)重，煉廠常需要將高低硫原油分儲(chǔ)在不同的油罐里。而在輸油時(shí)為了經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)高低硫原油采用順序輸送的工藝，順序輸送時(shí)不可避免的會(huì)產(chǎn)生混油。如何計(jì)算馬廣線順序輸送產(chǎn)生的混油量，如何減弱或消除影響混油量的因素，以便更好的滿足廣州石化煉廠的要求是不可忽視的問題。

2.2 馬廣線混油量計(jì)算

根據(jù)前面混油產(chǎn)生的機(jī)理可知，混油量的大小與流體流態(tài)密切相關(guān)。試驗(yàn)顯示，同等條件下，在層流狀態(tài)下，混油數(shù)量大于湍流狀態(tài)下的混油量；隨雷諾數(shù)Re增加，混油量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。當(dāng)Re>4000時(shí)，即湍流狀態(tài)下，油品在管道內(nèi)混油量較層流下顯著減小。如果將后行油品濃度為1%～99%的兩界面間的距離定義為混油段長度，常用的計(jì)算混油段長度公式為奧斯汀(Austin)和柏爾弗萊(Palfery)總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)公式,即Austin-Palfery公式[3]如下：

Re>Rej時(shí):

(1)

Re

(2)

(3)

Rej=10000e2.72d0.5

(4)

上式中混油的計(jì)算運(yùn)動(dòng)粘度由以下公式確定：

lglg(ν1×106+0.89)=0.5×lglg(ν1×106+0.89)+0.5×lglg(ν2×106+0.89)

(5)

式中：C——混油段長度，m

Re——混油段雷諾數(shù)

Rej——臨界雷諾數(shù)

d——管道內(nèi)直徑，m

l——管道長度，即混油界面通過長度，m

e——自然對(duì)數(shù)的底數(shù)，e=2.718

Q——油品在管線中的體積流量，m3/s

v——混油計(jì)算粘度，m2/s

v1——前行原油在輸送溫度下的運(yùn)動(dòng)粘度，m2/s

v2——后行原油在輸送溫度下的運(yùn)動(dòng)粘度，m2/s

表1 馬西拉油和沙特重油主要性質(zhì)Table 1 Main properities for Masila and Arabian Heavy

下面以沙特重油頂替馬西拉油為例，分別計(jì)算其在正輸、單泵接力、雙泵接力三種工況下的混油量。按要求，每批次輸送高硫油約6萬噸，輸送低硫油約3萬噸，輸油平均溫度為25 ℃。馬西拉油和沙特重油主要性質(zhì)如表1所示。

νt=ν0e-μ(t-t0)

(6)

式中:νt、ν0——溫度為t、t0時(shí)油品的運(yùn)動(dòng)粘度，m2/s

μ——粘溫指數(shù)，1/℃

計(jì)算得到在25 ℃時(shí)馬西拉油和沙特重油的運(yùn)動(dòng)粘度分別為：

ν1=10.32×10-6m2/s

ν2=21.33×10-6m2/s

以此計(jì)算得：

ν=14.56×10-6m2/s

根據(jù)壓頭供需平衡關(guān)系程有：

(7)

式中：Hs1——南邊灶油庫泵入口壓力

Hi——第i個(gè)泵站后所能提供的總揚(yáng)程，m液柱

n——啟用泵站數(shù)，正輸時(shí)n取1，接力時(shí)，n取2

hm——每個(gè)泵站站內(nèi)摩阻損失，m液柱

ΔZ—— 廣石化末站與南邊灶油庫的高程差，m

Hsz——廣石化末站管道終點(diǎn)剩余壓頭，m液柱

hl——管道上摩阻，m液柱

hξ——節(jié)流損失，m液柱

(8)

式中：d——管道內(nèi)直徑，m

v——所輸油種在輸送溫度下的粘度，m2/s

m——流態(tài)指數(shù)，處于水力光滑區(qū)時(shí)，m=0.25,β=0.0246

聯(lián)立(7)、(8)式，忽略南邊灶油庫泵入口壓力，正輸時(shí)管道剩余壓頭Hsz取35 m,接力時(shí)取40 m；正輸時(shí)hζ取0，接力時(shí)節(jié)流損失hζ由南邊灶油庫泵出口壓力和出站要求決定；各站站內(nèi)摩阻損失hm取30米,代入數(shù)據(jù)，可解得：

正輸(南邊灶油庫啟流量為1400 m3/h的1組泵)，單泵接力(南邊灶油庫啟流量為1400 m3/h的1組泵與流量為800 m3/h的一組泵并聯(lián),園州站啟一臺(tái)泵與之串聯(lián))，雙泵接力(南邊灶油庫啟流量為1400 m3/h的1組泵與流量為800 m3/h的一組泵并聯(lián)，園洲站啟2臺(tái)泵與之串聯(lián))三種工況下單輸馬西拉油流量依次為：1527 m3/h、1902 m3/h 、2133 m3/h；單輸沙特重油時(shí)流量依次為1377 m3/h、1695 m3/h、1895 m3/h。因此，三種工況下順序輸送這兩種油時(shí)流量范圍為：1377～1527 m3/h、1695～1902 m3/h、1895～2133 m3/h.為便于計(jì)算，可依次取中間值1452 m3/h、1799 m3/h、2014 m3/h，即：

Q1=1452 m3/h

Q2=1799 m3/h

Q3=2014 m3/h

三種工況下的雷諾數(shù)依次為：

正輸Re1=59614

單泵接力Re2=73861

雙泵接力Re3=82688

馬廣線臨界雷諾數(shù)：

Rej=81077

可知，Re1

正輸時(shí)混油段長度C1=1535 m

單泵接力時(shí)混油段長度C2=1266 m

而Re3>Rej，將數(shù)據(jù)代入公式(1)中計(jì)算得：

雙泵接力時(shí)混油段長度C3=1173 m

2.3 混油界面的跟蹤與切割

順序輸送中與產(chǎn)生混油的理化性質(zhì)同前后行油品可能都不相同，對(duì)成品油來說，混油部分可能已達(dá)不到銷售要求，這就要求我們準(zhǔn)確的追蹤混油界面并及時(shí)做出處理，從而盡最大可能的降低混油帶來的損失。設(shè)混油界面運(yùn)行的距離為L,油品切換后的累計(jì)流量為∑Q，根據(jù)圓柱體的體積公式，可得出以下關(guān)系：

(9)

式中:L——切換油品后混油界面通過的距離，m

d——輸油管道的內(nèi)徑，m

∑Q——油品切換后的累積流量，m3

設(shè)油品切換后泵的每小時(shí)排量為Q,則混油界面到達(dá)終點(diǎn)站所需要的時(shí)間T為[4]：

(10)

式中:V——自油品切換點(diǎn)到末站的管道容積，m3

T——混油界面到達(dá)末站所需的時(shí)間，h

結(jié)合上述兩個(gè)方程便可計(jì)算切換油品后混油界面到達(dá)的位置和混油界面到達(dá)末站所需要的時(shí)間。起輸站到末站的管道容積V可以根據(jù)全線各站的位置、站間距、管徑及標(biāo)高示意圖的數(shù)據(jù)計(jì)算出來，更換油種后的累積流量∑Q可利用SCADA系統(tǒng)或者油罐自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)計(jì)算出來，瞬時(shí)流量也可從SCADA系統(tǒng)讀出。

通過上面的計(jì)算，可以正確把握切割時(shí)間，以便及時(shí)將含硫量不同的原油分開。考慮到低硫原油可以作為高硫原油使用，對(duì)混油的切割可采用兩段切割的方式，將混油段全部切入儲(chǔ)存高硫油罐中。因此，對(duì)于低硫原油前行的順序輸送可以提前改罐，高硫原油前行的可以延遲改罐，提前或延遲時(shí)間可以通過混油段的體積除以流量來得到。本例中，前行的是低硫的馬西拉油，為避免混油段進(jìn)入低硫罐中，可提前將油品改入高硫罐中，三種工況下提前時(shí)間依次為：18 min、12 min、10 min。

2.4 高粘重質(zhì)原油多巴油與沙特重油順序輸送時(shí)混油量

多巴原油屬低硫-環(huán)烷中間基重質(zhì)原油，其顯著特點(diǎn)是硫含量低、粘度大。由于其粘度很大，在輸送多巴油時(shí)常常輸量會(huì)小于其他油種的輸量，且順序輸送時(shí)產(chǎn)生的混油量更大?，F(xiàn)給出正輸和單泵接力工況下，用沙特重油頂替多巴油輸送時(shí)的混油量計(jì)算。多巴油的主要性質(zhì)如表2所示。

表2 多巴油主要性質(zhì)Table 2 Main properities for Doba crude

由(6)計(jì)算得到在25 ℃時(shí)多巴油的運(yùn)動(dòng)粘度為：

ν3=618.8×10-6m2/s

hl=hl1+hl2

(11)

(12)

(13)

式中：hl1——前行液體的摩阻，m液柱

hl2——后行液體的摩阻，m液柱

l1——管道內(nèi)前行液體的長度，m

l2——管道內(nèi)后行液體的長度，m

Q——管道內(nèi)兩種油品同時(shí)存在時(shí)的平均流量，m3/s

m——流態(tài)指數(shù)，處于水力光滑區(qū)時(shí)，m=0.25,β=0.0246

(14)

l2=l-l1

(15)

按要求，多巴油一次輸送量按2萬噸計(jì)算，聯(lián)立式(7)、式(8)、式(11)～式(15)，管道剩余壓頭Hsz取40 m, 油庫出站壓力為6.0 MPa,；各站站內(nèi)摩阻損失hm取30 m,代入數(shù)據(jù)，可解得兩種工況下流量為：

Q1=963 m3/h

Q2=1297 m3/h

由(5)計(jì)算得到多巴油與沙特重油的混油計(jì)算粘度為：ν=618.8×10-6m2/s雷諾數(shù)依次為：

Re1=6693

Re2=9009

所以，有Re1

C1=8412 m

C2=10991 m

與同種工況下沙特重油頂替粘度較小的馬西拉原油相比，可以發(fā)現(xiàn)，頂粘度較大的多巴油時(shí)產(chǎn)生的混油量是頂替馬西拉油時(shí)的數(shù)倍，且多巴的摻煉比一般為5%，若油頭切割不好將直接影響煉油質(zhì)量，因此不建議單輸多巴油。此外，這一結(jié)果也一定程度上驗(yàn)證了安排粘度大的油品在粘度小的油品后輸送產(chǎn)生的混油較反之操作的混油量小的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

3 減少順序輸油中混油量的措施

通過上面分析可知，雷諾數(shù)越大混油量越少，為了避免順序輸送混油量過度增大，馬廣線輸油管道最好在流體處于湍流狀態(tài)下運(yùn)行，即盡量在雙泵接力工況下更換輸油批次。

減少泵站流程，減少不必要的擾動(dòng)裝置。

合理安排輸送順序，當(dāng)兩種油品粘度不同時(shí)，盡量安排粘度大的油品在粘度小的油品后輸送[5]。

加大每種油品的一次輸送量，降低輸送批次數(shù)目，進(jìn)入降低混油量所占輸送量的比例。

如果可能，采用專門的隔離設(shè)備，在兩種油品間加以阻隔或者設(shè)立緩沖區(qū)，從而降低接觸和混油。