烏鄯線摻混輸送工藝研究

馬晨波 韓善鵬 陸爭光 謝 萍 林小飛

1中國石油大學（北京）油氣管道輸送安全國家工程實驗室

2中國石油天然氣股份有限公司西部管道分公司

烏鄯線摻混輸送工藝研究

馬晨波1韓善鵬1陸爭光1謝 萍2林小飛2

1中國石油大學（北京）油氣管道輸送安全國家工程實驗室

2中國石油天然氣股份有限公司西部管道分公司

為確保烏鄯線安全、高效地輸送稠油出疆，將北疆油和哈國油摻混為一種混合原油，采用全年常溫輸送混合原油（北疆油+哈國油）取代目前順序輸送北疆油、哈國油的管輸方式。考慮輸送介質黏度變化后輸油泵特性的變化，利用仿真模擬軟件SPS得到烏首站泵輸油泵與管道匹配情況，并進行水力、熱力穩態計算，得到泵效率、泵出口壓力、出站溫度，計算出采用不同輸送工藝在不同年輸量條件下的管輸費用。與順序輸送北疆油、哈國油相比，全年常溫摻混輸送500×104、600×104、700×104t原油時，管輸費用每年分別節省610、1 232、3 290萬元，可大幅降低輸油成本。

烏鄯線；摻混輸送工藝；泵管匹配；管輸費用

烏鄯原油管道起自烏魯木齊王家溝油庫，終點為鄯善站，線路全長為296 km，設計壓力8.0 MPa，設計輸量為1 000×104t/a。全線設有首、末站各1座，目前僅烏首站具備加熱、加壓能力，采用“一泵到底”方式順序輸送北疆油和哈國油。兩種管輸原油的物性差異大，北疆油具有稠油典型的高密度、高黏度特征，而哈國油為輕質含蠟油。輸送物性差異大的兩種原油，增加了輸送工藝的復雜性，冬季需要根據不同油品的物性特點制定相應的輸送方案，造成管道處于冷熱油交替輸送狀態，不利于管道安全運行和節能[1]。在確定北疆油、哈國油及其混合原油的物性和流動特性的基礎上，分析烏鄯線輸送不同原油時的輸油泵特性變化情況、泵管匹配特性變化以及管輸費用，說明烏鄯線采用全年常溫摻混輸送工藝的優越性。

圖1 管輸原油和混合原油的黏溫關系

1 原油基礎物性及流動性分析

對現場取得的北疆油、哈國油及其混合原油（北疆油∶哈國油=5∶5）進行物性測試，結果見表1與圖1，確定了北疆油、哈國油及其混合原油的基礎物性及流動特性。

北疆油的顯著特點為高密度、高黏度，而哈國油是一種典型的稀油。根據近幾年的統計結果，冬季烏鄯線輸送北疆油的鄯善進站油溫在10～15℃的范圍內波動，然而北疆油在10℃以下時，黏度超過500 mPa·s，不利于油品進入儲罐[2]。

由圖1可見，向北疆油中摻入哈國油后可以起到顯著降黏的作用[3]，在低溫條件下降黏效果更加明顯，從管道輸油的水力角度看，將降低輸送過程的摩阻損失及能耗。同時，摻混所得混合原油的凝點很低，為-16℃，遠低于烏鄯線管道沿線冬季最低地溫2℃，可確保輸送過程的熱力安全。因此，從定性角度看，摻混輸送能保證管道安全運行并降低管輸動力費及熱力費，在以下論述中將進一步定量分析。

表1 管輸原油與混合原油基本物性

2 順序輸送與摻混輸送工藝的對比

2.1 設備適應性分析

輸油泵與管道的匹配情況（簡稱泵管匹配）決定了輸油管道系統對不同工況的適應性。隨風城稠油產量的逐年遞增[4]，更多的風城稠油將以北疆油的形式進入烏鄯原油管道，油品黏度進一步上升，增加了管道運輸負荷，需要對現有管道設備的適應性進行分析。

2.1.1 輸油泵特性

針對烏首站并聯安裝的4臺SMI 325/01×7輸油泵（離心泵，最低工作流量為310 m3/h），采用該換算方法，對輸送不同介質（北疆油、哈國油、混合原油）條件下的揚程、效率曲線進行了換算，如圖2～圖3所示。

圖2 烏首站輸油泵揚程-流量曲線

圖3 烏首站輸油泵效率-流量曲線

根據換算結果，總結發現以下3點變化：

（1）哈國油黏度小，輸送哈國油時，輸油泵特性曲線與輸送清水時相同，無需進行換算。

（2）北疆油黏度大，輸油泵的揚程和效率均發生下降，在額定流量520 m3/h下，相比輸送清水，揚程由891 m下降至836 m，效率由82%降至59%。

（3）采用摻混輸送工藝，混合原油20℃運動黏度在20～60 mm2/s之間，揚程變化非常小，無需換算，輸油泵揚程與輸送清水時基本相同。在額定流量520 m3/h下，泵效為75%，較輸送哈國油/清水時泵效下降7%。

對應相同流量，輸送混合原油（北疆油∶哈國油=5∶5）條件下，SMI 325/01×7輸油泵特性明顯優于輸送北疆油，節能效果顯著。

2.1.2 泵管匹配特性的變化

在輸油管道系統中，泵站與管道組成統一的水力系統，泵管匹配的目的是為了實現輸油泵提供壓頭與管道負荷之間能量供求的平衡。泵管匹配的情況反映了輸油泵提供壓頭是否得到了充分利用。

為了比較烏鄯線輸送北疆油、混合原油時泵管匹配特性的變化，采用仿真模擬軟件SPS，計算了夏季烏首站開啟1臺給油泵、2臺輸油泵（1給2輸）條件下，不同流量對應的泵出口壓力以及管道所需的總壓能（摩阻+高程差），確定了烏首站的壓力調節范圍，如圖4～圖5所示。

圖4 烏首站輸油泵輸送北疆油壓力調節范圍

圖5 烏首站輸油泵輸送混合原油壓力調節范圍

計算結果表明：

（1）相對于輸送北疆油，輸送混合原油的輸油泵穩定工作范圍變寬。離心泵的穩定工作范圍[5]為最佳效率點流量的70%～120%，以及圖4～圖5中所示1給2輸工作流量范圍的交集。輸送北疆油的1給2輸穩定工作范圍為728～920 m3/h，而輸送混合原油為756～1010 m3/h，穩定工作范圍變寬。

（2）在輸油泵的穩定工作流量區域內，輸送北疆油的輸油泵效率較低。輸送北疆油的泵效率在53%～58%范圍內，而輸送混合原油的泵效率在70%～76%范圍內。

（3）烏鄯線輸送北疆油，管道節流損失嚴重，輸油泵的能量利用率低。在輸油泵的穩定工作流量區域內，輸送北疆油的節流損失在1.2～2.3 MPa之間，能量利用率為76%～86%；而穩定工作流量區內輸送混合原油的節流損失在0.1～1.2 MPa之間，輸油泵的能量利用率為86%～99%。

相對于輸送北疆油，烏鄯線現有設備條件下輸送混合原油具備更寬的穩定工作范圍，相同流量條件下的節流損失小，且穩定工作流量范圍內泵效較高，即烏鄯線輸送混合原油較北疆油泵管匹配更加理想。

2.2 管輸費用對比

制定和調整輸油管道運行方案時，不僅要求管道運行平穩、安全，還需考慮管到輸油的經濟性，進行管輸費用的對比。首先利用仿真模擬軟件SPS，確定了烏鄯線單獨輸送哈國油、北疆油及混合原油（北疆油∶哈國油=5∶5）的年最大輸送能力分別為880×104、585×104、708×104t，如表2所示。在此輸量范圍內，以輸送同樣數量的北疆油、哈國油為基準，對摻混輸送及順序輸送500×104、600×104、700×104t原油進行了管輸費用對比。

采用仿真模擬軟件SPS進行水力、熱力穩態計算，得到泵效率、泵出口壓力、出站溫度，計算出采用不同輸送工藝在不同年輸量條件下的管輸費用，如圖6所示。與順序輸送北疆油、哈國油相比，全年常溫摻混輸送500×104、600×104、700×104t原油時，管輸費用每年可分別節省610、1 232、3 290萬元，可大幅降低輸油成本。隨著原油年輸量的增大，常溫摻混輸送工藝的經濟優越性逐漸凸顯，因此建議烏鄯線采用常溫摻混輸送工藝取代順序輸送工藝。

圖6 順序輸送與摻混輸送年管輸費用對比

3 結論

通過實驗測試得到了北疆油、哈國油及其混合原油（北疆油∶哈國油=5∶5）的基礎物性與流動特性。在此基礎上，采用仿真模擬軟件SPS對烏鄯線建模并進行水力、熱力計算，從輸油管道設備適應性和管輸經濟費用兩方面，說明了烏鄯線采用全年常溫摻混輸送工藝的優越性。

表2 烏鄯線輸送不同油品的年最大管輸能力

（1）從油品物性角度看，北疆油與哈國油摻混所得混合原油，黏度較北疆油顯著下降，凝點遠低于冬季最低地溫，更有利于管道的安全穩定運行。

（2）在設備適應性方面，摻混輸送條件下，烏首站輸油泵揚程變化小，泵效遠高于相同流量下輸送北疆油的泵效；摻混輸送較輸送北疆油具備更寬的穩定工作區，且相同流量條件下烏首站節流損失小，能量利用率更高。

（3）相同年輸量條件下，相比順序輸送工藝，采用全年常溫摻混輸送工藝能夠大幅度降低輸油費用，具備良好的經濟性。

[1]孫法峰，于濤，范華平，等．烏鄯線冬季冷熱油交替輸送運行方案[J]．油氣儲運，2014，33（5）：567-570．

[2]Schumacher M M．Enhanced recovery of residual and heavy oils[M]．Park Ridge NJ：Noyes Press，1980：403-418．

[3]謝萍，馬晨波，林小飛，等．風城稠油摻稀流動性變化規律研究[J]．天然氣與石油，2014，32（6）：5-10．

[4]孫建剛，趙文峰，李慶杰．風城超稠油外輸管道摻稀輸送工藝[J]．油氣儲運，2014，33（6）：662-664．

[5]陳偉．離心泵工作范圍的確定[J]．流體機械，2006，33（7）：60-62．

（欄目主持 楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.10.011

馬晨波：2012年畢業于中國石油大學（北京）油氣儲運工程專業，現為在讀碩士研究生。

2015-03-19

15120026357、chbm2013@163.com