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低输量输油管道的清蜡周期研究重点
第23卷第3期 抚顺石油学院学报Vol.23 No.32003年9月JOURNAL OF FUSHUN PETROLEUM INSTITUTE Sep.2003
文章编号:
1005-3883(200303-0046-04
低输量输油管道的清蜡周期研究
江国业1, 张文信2, 周诗岽1, 吴 明13, 王平3, 田艺兵3, 王红霞3, 邵英武3
(1.辽宁石油化工大学机械工程学院,辽宁抚顺113001;2.抚顺市质量技术监督局,辽宁抚顺113006;
31东北输油管理局调度中心,辽宁沈阳110031
摘 要:
由于东北管网输量逐年下降,管道的热损失,尤其是清蜡结束后一段时间内的热损失相当严重,这已成为管道运行中的一个突出问题。
按原有的清蜡工艺对管道进行清蜡已经不能满足管道运行的经济性要求。
根据结蜡厚度对输油成本的影响和东北管网的蜡沉积规律,建立了适合低输量含蜡原油管道的清蜡周期模型。
提出对于低输量含蜡原油管道需要先确定给定流量下的经济余蜡厚度,再用传统方法计算清蜡周期。
用数值方法对模型进行求解。
结果表明,对于低输量含蜡原油管道,每次清蜡时保留一定的余蜡厚度是合理的;与传统方法相比,在经济余蜡厚度基础上确定的清蜡周期能更好地满足实际需要。
关键词:
清蜡周期; 输油成本; 结蜡; 低输量
中图分类号:
TE832.2 文献标识码:
A
PiggingPeriodStudyforOilPipelineWithLowThrough-put
JIANGGuo-ye1,ZHANGWen-xin2,ZHOUShi-dong1,WUMing13,WANGPing3,
TIANYi-bing3,WANGHong-xia3,SHAOYing-wu3
(1.SchoolofMechanicalEngineering,LiaoningUniversityofPetroleum&ChemicalTechnology,
LiaoningFushun113001,China;2.FushunQualityandQuantityTechnologyBureau,LiaoningFushun113006,China;3.NortheastOilTransportationManagementBureauSchedulingCenter,LiaoningShenyang110031,China
Abstract:
BecausethethroughputofNortheastChinapipelinenetworksisbecominglower,heatlossofpipelinesissevere,especiallyjustafterparaffinremoval.Thisisaseriousprobleminpipelineoperation.Theindigenousparaffinremovalprocesscan’tmeeteconomicalneed.AccordingtotheeffectofwaxdepositionthicknessonoiltransportationcostandtheparaffindepositlawofNortheastChinapipelinenetworks,apiggingperiodmodelwasestablishedtomeetwiththelowthroughputpipelinethattransportswaxycrudeoil.Itwaspresented,forthelowthroughputpipeline,thattheoptimalresiduaryparaffindepositthicknessshouldbedeterminedfirst,thenthepiggingperiodcalculatedbytheconventionalmeans.Themodelcanbesolvedbysomenumericaltechniques.Theresultsshowthatforawaxycrudeoilpipelinewithlowthrough-put,retainingsomeresiduaryparaffindepositthicknessaftereachparaffinremovalisreasonable;comparedtotheconventionalmeans,thepiggingperiodbasedonoptimalresiduaryparaffindepositthicknesscanmeetthepracticewell.
Keywords:
Piggingperiod;Oiltransportationcost;Paraffindeposit;Lowthrough-put
3Towhomcorrespondenceshouldbeaddressed.
含蜡原油管道在经过一段时间运行之后,会有
收稿日期:
2002-11-27
作者简介:
江国业(1977-,男,辽宁省东港市,在读硕士。
基金项目:
中油集团公司资助项目(200210234。
3通讯联系人。
蜡沉积到管壁上。
结蜡层对输油成本[1]和输量影响很大,当结蜡层达到一定量时,必须进行清管,以减少管道的运行费用或者增加管道的输量。
通常清蜡时都要把结蜡层刮净,这在管道满输量运行时是必要的;可当管道输量较低时,油流的热损失很大,
尤其是管道刚清完蜡的一段时间内,没有了蜡层的保温作用[2],油流的热损失相当严重,如果每次清蜡时还把结蜡层刮净是不经济的。
近年来,东北管网的输量呈下降趋势[3,4],针对这种情况,生产中提出采用浮动清蜡输油工艺[5]进行清蜡,每次清蜡时保留一定量的结蜡。
这与传统的清蜡工艺有很大的不同,有必要对管道清蜡周期的计算方法进行研究,以满足新的清蜡工艺的要求。
文献[6-8]给出了几种传统的清蜡周期计算方法。
文献[6,8]根据τ天内电费和燃油费总额与一次清蜡的费用之和,求出τ天内的输油成本,得到输油成本与时间τ的函数。
从经济方面考虑,最小输油成本对应的时间就是清蜡周期。
文献[7]根据τ天内各天输油成本增加值(与刚清完蜡相比的累加值和进行1次清蜡的费用之和,求出输油成本。
根据实测数据回归出管内径与时间的关系式,建立各天输油成本公式。
通过求出的这个输油成本最小值得到清蜡周期。
文献[7]只考虑结蜡厚度对动力费用的影响,没有考虑结蜡厚度对热力费用的影响。
文献[6-8]认为对输油管道实施清管操作时,要把管道中的所有结蜡一清到底,清完蜡以后,管道中不存在余蜡层。
本文根据东北管网输量下降的情况和结蜡厚度对输油成本的影响[1],提出对东北管网实施清管操作时,清管器并不把结蜡层全部清掉,而是保留一定的余蜡层,以降低输送油品的单位能耗,并建立适合东北管网新型清管技术的清蜡周期模型。
1 低输量下的清蜡周期模型管道输油成本S由泵机组的动力费用SP、加热炉的燃料费用SR和清管费用SC三部分组成[6,8],而习惯上输油成本是指将1t原油输送1km的平均成本(即吨千米成本。
这样,各项输油成本可描述如下:
S=SP+SR+SC(1 SP=0.002732Hed/(ηpelR(2 SR=Cy(TR-TZey/(lRηRBH(3 SC=ecg/(GdτClR(4其中,加热站间所需压头H[1]等于站间摩阻Hf和站间高差Δz之和,即
H=Hf+Δz(5结蜡τC天管道的结蜡厚度δ可由下式表示
δ=0.024WτC/ρL(6
通过对东北管网蜡沉积规律的研究发现,其蜡沉积速率W可用下式来描述
W=57.6626τW-0.452022(
dr
0.234993・
μ-0.502484(
dT
1.81086(7其它相关公式可参考文献[1]。
图1给出了各项输油成本与结蜡时间的关系示意图。
曲线上任意时间τ对应的值是指清蜡后τ天内的吨千米输油成本
。
在管道输送过程中随着结蜡时间的增加,结蜡厚度增大。
结蜡层有保温作用,随着结蜡厚度的增加,热损失逐渐减少,热力费用不断降低;同时,结蜡层缩小了管道的流通面积,摩阻损失逐渐增大,动力费用不断增加。
在给定清管费用的情况下,结蜡时间越长,输油量越大,吨千米清管费用就越少。
输油成本S是3种输油成本之和,从图中可以看出S-
τ
C
曲线有个最小值Smin。
文献[6-8]认为,当输油成本S达到最小值Smin时就需要清蜡。
只要将这时的结蜡厚度值δ3代入(6式就可以确定清蜡周期。
但是低输量下两次清蜡的时间间隔较长,随着结蜡层的增厚,蜡沉积速率是不断变化的,很难用一个确定值来表达。
显然这时用(6式确定清蜡周期是不合适的;在低输量下,每次清蜡时将蜡层从δ3厚清到δ0厚(τ0时的结蜡厚度,本文称之为余蜡厚度更为合理。
这个余蜡厚度对壁面剪切应力、管道总传热系数和温度梯度的值都有影响,因此这些变量需要在余蜡厚度的基础上进行计算。
为了研究余蜡厚度的影响以及考虑余蜡厚度的清蜡周期的确定,将时间和管长离散成若干个微元。
如果给定时间步长tS和管道微元长度LS,根据计算
时间段的长度τ和管道的全长LA,就可以求出时间微元数NT=τ/tS,管段微元数NL=LA/LS。
根据式(1~(7,可得τ天内输油成本S(τ的计算表达式。
S(τ
=∑N
T
i=1∑N
L
j=1
[ηpelR
+
(ηRBHlR]+
τlRGd
(8
τ不同,S(τ的值也不同。
当输油成本S(τ达到
全局最小时,其对应的时间τ即为清蜡周期。
在低输量情况下,经济结蜡厚度δ3和沿程摩阻会很大,计算时必须保证管道局部结蜡δij不能超过临界安全结蜡厚度δS(即发生管堵的结蜡层临界厚度,以防止发生凝管事故;管道需要的扬程Hpipe不能超过泵站的最高允许出站压力Hpump,即要满足如下两个约束条件:
δij≤δS
(9 ∑N
L
j=1
Ηij≤Hpump i给定
(10
在输油成本没达到最小之前,式(9和(10中只
要有一个条件不满足就认为需要清蜡。
2 求解方法
为了研究低输量下清蜡周期和余蜡厚度对输油成本的影响,采用逐步搜索法[9]分两阶段求解本模型。
预先设定流量、最大时间微元数NM和最大余蜡厚度YM。
从零开始为余蜡厚度值YK取值,每取一个值都计算清蜡后NTtS时间内的输油成本;NT从零到NM等间隔地取值,比较不同NT值下的输油成本,就可以求出该余蜡厚度下的一个清蜡周期;依次等间隔地增加余蜡厚度,计算相应的清蜡周
期,直到余蜡厚度达到YM或者满足式(9、(10的结束条件为止。
比较不同余蜡厚度下清蜡周期内的
输油成本,就可求出该流量下的经济余蜡厚度和与之对应的清蜡周期。
3 算例及结果分析
取铁抚线铁岭—柴家堡段进行计算。
该管段长
22km,<720mm×8mm管道,外敷10mm的防腐层。
20℃时该原油的密度为851.24kg/m3,土壤、防腐层和石蜡的导热系数分别为1.2、0.17和0.12
W/(m・℃,取用电0.5元/(kW・h,燃料油1900
元/t,泵机组和加热炉的效率取为85%和90%,最高允许出站压力3.648MPa,燃料热值为41900kJ/kg。
铁岭输油站油品进站温度为33℃,柴家堡
加热站油品进站温度为37℃,管道埋深处地温2℃,该管段内每次清蜡费用1000元。
原油物性根据大庆原油来选取。
研究日输量分别为2.5×104、3×104、3.5×104、4×104和5×104t时的余蜡厚度
和清蜡周期。
通过计算,结果见图2和表1。
图2给出了日输量为3×104t时清蜡周期内输油成本与余蜡厚度的关系。
从图中可以直观地看出,在给定输量下,输油成本是余蜡厚度的单谷函数,也就是说,不但每次清蜡时保留一定量的余蜡厚
度是合理的,而且这个余蜡厚度还有个最优值(称之为经济余蜡厚度,当日输量为3×104t时,这个最优值是31mm。
因此计算清蜡周期之前首先要计算出该输量下的经济余蜡厚度。
表1列出了不同输量下经济余蜡厚度和清蜡周期等参数的值。
表1 不同输量下清蜡工艺的有关参数
输量×10-4/
(t・d-1经济余蜡厚度/
mm输油成本×104/
(元・t-1・km-1
清蜡厚度/
mm清蜡周期/
d50250.9564.3791348237.86218.899313.519233.53129.86632331230.8542.858362.5
46
230.545
58.828
40.5
从表中看出,随着输量降低,经济余蜡厚度增
大,输油成本减小,清蜡周期增加。
符号说明
τ
C
—结蜡时间,d;
S—含蜡原油管道τC天内的单位输油成本,元/(t・km;
SP、SR—τC天内泵机组的单位动力费用和加热炉的单位燃料费用,元/(t・km;
SC—τC天内的单位清管费用,元/(t・km;
ed—电力价格,元/(kW・h;
η
pe
、ηR—泵机组和加热炉的效率;
lR—相邻两加热站间距,km;
Cy—原油的比热容,kJ/(kg・℃;
TR、TZ—加热站的出站和进站温度,℃;
ey—燃料油价格,元/t;
BH—燃料油热值,kJ/kg;
ecg—一次清蜡费用,元;
Hf—沿程摩阻,m;
Gd—日均输油量,t/d;
ΔZ—管道两端高差,m;
W—蜡沉积速率,g/(m2・h;
δ—管道的结蜡厚度,m;
ρ
L
—蜡的密度,kg/m3;
τ
W
—管道壁面剪切应力,Pa;
dT/dr—管道的径向温度梯度,℃/mm;
μ—原油的动力粘度,mPa・s;
dC/dT—蜡在原油中的浓度相对于温度的变化率,10-3/℃;
S(τ—τ天内的平均输油成本,元/(t・km;
Τ
Rij
、TZij—第i时间微元第j管段的首端和末端油温,℃;
Hij—第i时间微元第j管段的压降,m;
Cyij—第i时间微元第j管段原油的比热容,kJ/(kg・℃;
tS—时间步长,d;
LS—管道微元长度,km;
LA—管道的全长,km。
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(Ed.:
ZW,W
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