黃維和, 劉 剛, 陳 雷, 楊 文, 袁子云

(1.中國石油天然氣股份有限公司,北京 100011; 2.中國石油大學(華東)儲運與建筑工程學院,山東青島 266580; 3.國家石油天然氣管網(wǎng)集團有限公司華南分公司,廣東廣州 510623)

成品油管道是銜接成品油生產與消費的重要環(huán)節(jié)。截至2022年底,中國成品油管道總里程已達3.2×104km[1]。成品油管道通常用于多類別油品順序輸送,不同油品之間不可避免產生混油,進而影響油品注入/下載時機選擇、混油切割、停輸?shù)?。由于用戶對油品質量指標的要求,混油成為成品油管輸無法回避的特有問題。準確預判管輸批次混油信息,把控管輸質量指標動態(tài)變化規(guī)律,減少混油損失,是成品油管道輸送的重要課題。近年來科研人員開展大量研究工作,研發(fā)高精度管輸混油檢測設備,建立管輸混油高效計算方法,豐富管輸混油控制與管理方法。筆者從混油成因、混油發(fā)展控制、混油檢測、計算和油品質量管理等方面對成品油管輸混油相關研究進行綜述。

1 混油成因

管道順序輸送過程中混油成因包括初始混油、過站混油、停輸混油、意外混油和沿程混油。通常情況下,沿程混油是最主要的,也是混油研究的焦點。沿程混油產生包括管道徑向速度分布差異引起的混油、紊流擴散混油、密度差引起的混油。

(1)管道徑向速度分布差異引起的混油。牛頓流體圓管層流的斷面流速分布是以管軸為中心的旋轉拋物面,管中心位置處速度為平均流速的2倍,致使管內產生楔形油頭,混油量極大。故一般情況下,不允許在層流狀態(tài)下進行順序輸送。紊流流態(tài)下,管道截面上的流速接近平均流速,因速度分布差異引起的混油不顯著,但仍是混油非對稱分布(拖尾)的主要原因之一。

(2)紊流擴散混油。順序輸送管道應被控制在紊流流態(tài),紊流擴散被認為是沿程混油的最主要原因。但紊流時的混油大大少于層流。Taylor等[2-3]最初對順序輸送混油進行計算時,通常僅考慮該混油成因。

(3)密度差引起的混油。成品油管道線路起伏時,相鄰油品的密度差是影響混油形成的因素之一。對于混油濃度分布曲線較平緩或管道雷諾數(shù)較大的情況,密度差引起的混油可以忽略不計。

2 混油發(fā)展控制

減少混油損失可以從“控制混油發(fā)展”和“合理處理混油”兩個角度著手。加快首站油品儲罐閥門切換速度[4]有助于降低初始混油量。簡化站內流程、減少盲端等死油區(qū)可以降低初始混油[5]與過站混油[4]。盡量不在混油界面經過管道時停輸,降低停輸混油。減少操作人員失誤等情況,可以降低意外混油。

沿程混油控制是混油發(fā)展控制的重點與難點?？梢酝ㄟ^降低混油界面在管道中的運行時間和降低混油擴散速率等方式實現(xiàn)。

(1)管道中存在混油界面時,應盡量提高輸送流量。通常情況下,流速增加,紊流擴散系數(shù)增大,單位時間內的混油擴散速率增大;但混油界面在管道中的運行時長縮短,使得混油界面達到終點時的混油量減小。

(2)采用隔離物。在兩種油品之間采用“隔離物”將二者隔開,依靠壓差推動“隔離物”,從而達到隔離兩種油品、減少混油的目的。常用的隔離物包括隔離塞、隔離球和隔離液等。固體隔離物與管壁不可避免存在縫隙,后行油品會通過該縫隙向前滲流,很難與油品平均流速一致,可能擾亂混油界面,增加混油量[6]。同時隔離物的投放與接收顯著增加了操作復雜性,因此該方法在國內管輸企業(yè)應用較少。隔離液不需改變原管道和設備,對管道也沒有特殊的要求[7]。相比固體隔離物,隔離液與管壁不存在縫隙,可以更大程度地與油品保持流速一致。隔離液可以是與前后行油品具有較好相容性[8]且在前后行油品中允許濃度較高的液體,比如在汽油與柴油之間選擇煤油為隔離液[9];也可以是不能與被隔離的油品互溶或互溶性很小、且與油品混溶之后易于分離的液體[7],比如水[10]。凝膠體是具有黏彈性的一類介質,不僅可用于兩種油品的隔離,而且可用于清除管內沉積物等[11]。因其具有流體特征,可以充滿管道橫截面,密封性好;能很好地通過管內變徑、接頭、彎頭等;過泵、閥后,具有良好的再聚合能力。凝膠體的選擇和制備是本方法的關鍵,選擇與制備凝膠體時,應防止其對油品污染,同時考慮其在長距離管輸中的抗剪切性。

3 混油檢測

混油界面準確檢測是管道沿線各站場分輸、注入與混油切割等作業(yè)的基礎?；煊蜋z測方法主要包括:基于油品物理特性進行檢測,如密度計檢測法、光學界面檢測法、超聲波界面檢測法與射線法等;基于記號物質進行檢測,如氣體記號法、熒光記號法等。記號物添加量不易掌控且可能影響油品質量,在國內成品油管道上應用較少。

3.1 密度計

密度計檢測法是當前成品油管道混油界面最常用、最直接的方法。目前國內成品油管道常用的密度計檢測方法主要分為玻璃浮式密度計檢測法和振動管檢測法,后者具有溫度控制精確、黏度自動校正等優(yōu)勢,使用比例逐年上升[12]。

2021年,中國計量大學研制了基于振動管原理的密度測量系統(tǒng),該系統(tǒng)基于振動管的交變電流實現(xiàn)振動激勵,能克服傳統(tǒng)的振動管密度計振動管重心發(fā)生偏移的弊端[13]。同年,哈爾濱工業(yè)大學研制了一套基于諧振式密度測量原理的管輸介質密度在線檢測系統(tǒng),檢測精度可達±0.5 kg/m3[14]。

國外在線密度計設備精度更高,在現(xiàn)場應用更為普遍,如Emerson 7835型在線密度計檢測精度可達±0.1 kg/m3。同時在智能化方面也更具競爭力,產品擁有數(shù)據(jù)恢復、在線診斷、自動校準等功能,通過追蹤設備服役狀態(tài)量并采集診斷數(shù)據(jù),可不斷提升設備監(jiān)測精度。

3.2 光學界面檢測儀

當前后油品密度相近時,基于油品間透明度和折光率的差異,借助光學檢測儀檢測混油界面。在役應用產品有KAM Control油品界面智能檢測儀及FuelCheck油品界面智能檢測儀, FuelCheck檢測儀對油品雜質敏感程度低,因此更適用于國內成品油管道。

國家管網(wǎng)華南分公司對原有的光學界面檢測方法進行了改進,突破了光纖探頭研制、高精度紅外激光信號傳輸、精密光學透鏡及恒溫控制等多項關鍵技術,成功研制出國內首套油品界面智能檢測儀(圖1),并在昆明昆東站和深圳媽灣站開展應用。2020年 10 月至今連續(xù)在線運行,證明了產品可精準檢測密度相近的油品界面,有效解決了相似油品界面檢測的難題[15]。

圖1 國家管網(wǎng)華南分公司智能油品界面檢測儀

3.3 其他混油檢測方法

(1)超聲波流量計靈敏性高,信號穩(wěn)定,能迅速感知管輸油品密度微小變化,識別精度可比肩密度計,相比光學界面檢測儀更穩(wěn)定。蘭鄭長成品油管道運用超聲波技術實現(xiàn)了流量精確測量和混油界面檢測[16]。但超聲波流量計安裝難度大,運維成本高,測量過程易受干擾[17]。

(2)放射性檢測方法成本低,精度高[18],但放射性檢測器對人員和環(huán)境存在一定危害,目前在中國成品油管道上尚未見其應用案例。

(3)熒光劑檢測法。將熒光劑溶于有機溶劑并注入管輸油品中,通過連續(xù)追蹤管輸油品熒光強度變化以檢測混油界面。美國帕蘭特遜管道公司早在1972年將其投入使用[19],但受制于熒光劑污染及運行成本問題,目前國內成品油管道尚未使用[20]。

(4)電容法基于成品油介電常數(shù)較穩(wěn)定的特性,通過測量電容器兩極之間成品油介電強度檢測混油界面,該技術在美國西德克薩斯海灣原油管道和勞萊爾成品油管道均有應用[4]。電容法操作方法簡單,成本較低,但測量過程易受環(huán)境溫度影響,檢測準確度不高,工程應用范圍受限[21]。

精準檢測計量是精準切割混油、保證油品質量的前提。受溫壓變化、硬件老化等因素影響,現(xiàn)場混油檢測設備普遍存在零點漂移現(xiàn)象,同批次油品在不同站場檢測數(shù)據(jù)存在差異,困擾混油界面檢測工作。國外基于現(xiàn)場數(shù)據(jù),結合機器學習算法建立溫度補償模型,緩解零點漂移造成的誤差[22]。Douwe等[23]提出通過優(yōu)化電路拓撲結構,可以抑制設備零點發(fā)生漂移現(xiàn)象。Li等[24]提出結合人工智能算法,提高對關鍵過程量的監(jiān)測精度,可有效降低零點漂移導致的測量誤差。羅凡等[25]通過建立零點預測模型,為準確追蹤設備零點提供了理論依據(jù)。未來需要進一步研發(fā)檢測設備與多源數(shù)據(jù)的融合方法,提升檢測精度。

4 混油計算

為更準確獲取混油信息,現(xiàn)場通常利用SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)對混油段長度、混油濃度、混油界面位置等信息開展計算,以輔助混油檢測設備。目前,學者在混油信息計算方面開展了大量研究,并形成了相關混油信息表征軟件。

4.1 混油長度計算

現(xiàn)有模型如Taylor公式[2]忽略了黏性邊界層與紊流核心區(qū)的對流傳質效應,計算精度受限;Austin-Palfrey混油計算公式[3]求解參數(shù)少,便于估算,但計算結果通常與實際值存在較大偏差。Chen等[26]借助Austin-Palfrey公式重構原始特征變量,建立了機制-數(shù)據(jù)雙驅動的混油長度預測模型;引入局部建模算法,辨識不同管輸混油發(fā)展過程差異并建立相應局部預測模型,對混油長度的預測誤差較Austin-Palfrey公式降低超過30%,且當樣本觀測值受到噪聲干擾時,模型仍能準確描述混油段長度發(fā)展規(guī)律[27-28]。

4.2 混油濃度分布表征

混油段中某一油品濃度反映了混油分布規(guī)律?；煊蜐舛确植记€通常呈明顯拖尾特點(圖2),而傳統(tǒng)一維對流-擴散方程[2]僅能表征對稱分布特征。有學者考慮管道徑向速度差異,采用二維模型表征混油擴散過程[29-33],由于混油段長徑比大,受限于網(wǎng)格尺寸,計算量大,難以滿足現(xiàn)場實時仿真需求。

圖2 混油濃度曲線非對稱分布示意圖

陸世平[34]在傳統(tǒng)一維混油模型基礎上,基于紊流擴散與邊界層理論,將管內流動簡化為層流邊界層區(qū)和紊流核心區(qū),建立了“1+”維混油濃度演化模型,實現(xiàn)了非對稱混油濃度分布的快速計算。針對長度為200 km管道中混油發(fā)展全過程開展計算,在配置為i5-11500雙核處理器、運行內存為8G的常規(guī)計算機上模型平均計算時長低于1 min,且計算結果可有效表征混油非對稱分布特點。在此基礎上形成了具有自主知識產權的混油濃度在線預測軟件包,具備連入SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口、數(shù)據(jù)查詢、混油濃度在線預測及可視化功能,對指導現(xiàn)場油品批次切割工藝具有重要意義。

這些混油長度、混油濃度分布研究通常針對正常運行管道,且通常僅考慮沿程混油情況,尚無可靠且高效的數(shù)學模型表征混油過站、地形起伏、停輸?shù)惹樾蜗碌幕煊蜐舛确植甲兓?/p>

4.3 混油界面位置追蹤

精準跟蹤混油界面位置,可以輔助現(xiàn)場人員預判界面到站時間、預先制定響應措施。同時,混油界面位置也是成品油批次運行優(yōu)化的約束條件。一般依賴注入和分輸站的流量監(jiān)測數(shù)據(jù)實時計算混油界面位置,人工操作及流量監(jiān)測過程中常見的噪聲干擾等會導致界面定位與到站時間計算出現(xiàn)偏差。

陳雷等[35]考慮了流量監(jiān)測設備噪聲干擾對界面追蹤準確性的影響,提出基于貝葉斯估計方法融入流量監(jiān)測結果的先驗認知,緩解測量噪聲干擾,有效提升了混油界面追蹤結果可靠性。沈瑞灝[36]以茂昆線管段為算例,建立了考慮溫度修正的批次在線跟蹤方法,到站時間最大預測誤差從21.54 min降至7.08 min。在理論算法研究基礎上有必要開發(fā)具備拓展性好、功能豐富、人機交互界面友好等特點的集成化軟件,軟件界面見圖3,助力混油接收方案的精準制定與油品批次切割工作的順利進行[37]。

圖3 成品油管道順序輸送混油濃度分布預測軟件界面

5 油品質量管理

GB17930-2016《車用汽油》[38]、GB/T 19147—2016《車用柴油》[39]、GB5637-2018《3號噴氣燃料》[40]等國家標準給出了不同成品油的詳細質量指標要求。管道順序輸送過程中,越發(fā)關注成品油質量指標的衰減[41]。汽油、柴油儲運過程中變質的主要原因是蒸發(fā)損耗和氧化,而中國成品油長輸管道基本采用密閉流程,可以排除管輸過程中蒸發(fā)損耗、氧化等引起的成品油的質量變化[42]。因此順序輸送成品油質量指標衰減的核心原因是混油。

成品油質量指標難以直接在線檢測,通常以混油濃度為中間數(shù)據(jù),基于混油濃度與質量指標數(shù)據(jù)映射關系,實施間接在線檢測。湯東東[43]建立了混油濃度分布信息與柴油閃點、汽油終餾點間的映射關系,并根據(jù)混油濃度分布預測模型在線求解混油段油品質量指標變化規(guī)律;韓東[44]基于室內實驗建立了摻混體積比與煤油質量指標數(shù)據(jù)關系,并基于混油濃度分布信息形成了航煤質量指標在線預測模型。

山東省、河北省、天津市及山西省相繼頒布了油品快速檢測方法的地方標準[45-56],各地標準均借助近紅外光譜法或中紅外光譜法開展質量指標的快速測定,可同步分析待測樣本的多個質量指標數(shù)據(jù)?，F(xiàn)有的油品監(jiān)測在線檢測/監(jiān)測系統(tǒng)通常針對黏度老化、污染度、水分、機械雜質、酸堿值等指標[57-58],而柴油閃點、汽油終餾點等容易產生衰減的關鍵質量指標仍依賴傳統(tǒng)檢測方法,無法實現(xiàn)實時在線檢測。但針對成品油管輸質量指標衰減問題,后續(xù)研究需要明確以下問題:

(1)成品油管道運輸?shù)慕K端是儲罐,檢測/監(jiān)測儲罐中油品質量指標更直接、更合理、更科學;

(2)管輸混油段某處油品質量不合格并不意味著終端儲罐內油品質量不合格,決定儲罐中油品質量指標的是儲罐中異類油品體積,異類油品體積是儲罐上游管道末端“異類油品濃度”與管輸“體積流量”的乘積在“儲罐收油時段”的積分,因此混油切割仍應由“儲罐允許摻混體積”與“管道油品濃度分布”決定;

(3)即時檢測/監(jiān)測的管道油品質量指標(如閃點、終餾點等),其在時間上的積分(或與管輸參數(shù)運算后再積分)通常均不具有物理意義,無法科學支撐油品切割決策。

因此成品油質量指標管理應“管道-儲罐”一體化,科學看待管輸油品質量指標對罐內油品的影響規(guī)律。

6 結論及展望

混油是管道順序運輸?shù)奶赜袉栴},成品油混油檢測、追蹤、切割等直接影響油品質量指標。如何減少混油損失,是成品油管輸面臨的重大難題。

(1)建立特殊場景混油的數(shù)學表征。成品油順序輸送混油成因、擴散規(guī)律等理論已相對成熟,數(shù)學模型越發(fā)完善,但仍缺少表征混油過站、地形起伏、停輸?shù)葓鼍跋碌母咝Э煽磕Ｐ?未來應建立涵蓋多種工況的混油數(shù)據(jù)庫,基于數(shù)據(jù)深度挖掘盲管、過站、高程起伏及停輸?shù)裙r對混油濃度分布的影響機制,形成混油界面信息高效、高精度數(shù)學模型。

(2)完善機制-數(shù)據(jù)融合且與SCADA系統(tǒng)實時交互的計算軟件。當前已具備了常規(guī)工況下混油界面追蹤、混油濃度分布等關鍵信息計算的理論基礎,形成了初階軟件;應強化混油歷史數(shù)據(jù)挖掘,推動混油計算軟件與SCADA系統(tǒng)實時交互。

(3)混油檢測設備研發(fā)應“軟硬”協(xié)同。充分利用已有混油檢測設備獲取的數(shù)據(jù),有機融合硬件研發(fā)與數(shù)據(jù)挖掘算法,開發(fā)強魯棒的信號處理與智能修正方法,實現(xiàn)復雜工況條件下混油物性參數(shù)的精準監(jiān)測。

(4)研發(fā)有效減少沿程混油的新型隔離材料。通過工藝流程與管輸作業(yè)方案優(yōu)化等減少混油的方法已比較成熟,研發(fā)新型隔離器可能是減少沿程混油發(fā)展的有效途徑,隔離器材料研發(fā)、收發(fā)設備設計或越站流程設計十分關鍵。

(5)基于“管道-儲罐”一體化智能化管理油品質量?？茖W看待管輸油品質量指標衰減,應實施“管道-儲罐”一體化管理,以終端儲罐存儲油品質量為目標,建立油品質量指標裕量與允許混油濃度數(shù)據(jù)庫,結合管輸混油濃度分布數(shù)學模型,形成油品批次切割智能決策方法,確保儲罐油品質量達標。

(6)關注新型能源載體與傳統(tǒng)成品油順序輸送問題。“雙碳”背景下,傳統(tǒng)燃料類成品油消費市場即將達峰,化工原料類成品油市場或將繼續(xù)增加,未來還可能會有甲醇、液氨等氫能液相載體與成品油共用管道問題,液體混合規(guī)律及混合液處理工藝將更加復雜。須關注甲醇、液氨與成品油順序輸送時工藝設計、管輸熱力水力特性、液體混合規(guī)律、混合液處理方案等。

致謝衷心感謝中國石油大學(北京)于達教授,國家石油天然氣管網(wǎng)集團有限公司邵鐵民、閆鋒、王玉彬、李苗等專家對本文的支持與幫助。