原油混輸管線的壓降計(jì)算方法分析

王小慶

（大慶煉化公司招標(biāo)管理中心，黑龍江大慶163411）

原油混輸管線的壓降計(jì)算方法分析

王小慶

（大慶煉化公司招標(biāo)管理中心，黑龍江大慶163411）

文中對(duì)大慶煉化公司儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)的多條集輸管線壓降進(jìn)行實(shí)測，對(duì)多條管線中原油、氣、水三相流動(dòng)的壓降變化數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。根據(jù)不同管線的原油含水率不同進(jìn)行了計(jì)算校核，總結(jié)出原油混輸管線壓降變化情況，對(duì)推廣常溫下輸送原油混輸管線的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

原油管線；壓降；混輸；校核

大慶油田開采中普遍采用油氣水三相驅(qū)動(dòng)，因此混輸管路的應(yīng)用就更為普遍。大慶煉化公司儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)的特點(diǎn)是含水量較高，若能采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣韮?yōu)化管道設(shè)計(jì)，改善介質(zhì)在管道內(nèi)的流動(dòng)型式，在減少成本運(yùn)行的同時(shí)，還可以為管道的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供可靠的保障，同時(shí)可以有效減少日常運(yùn)行的能量消耗。因?yàn)樵趯?shí)際投資中，管道的成本費(fèi)用往往占據(jù)了總成本的33%甚至更多，同時(shí)輸送的能耗也占了很大比例。因此對(duì)管線中原油、氣、水三相流動(dòng)的壓降變化數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以有效減少能源消耗，節(jié)約投資。

1 原油混輸管線的基本概況

含水油品的混輸管線，在運(yùn)輸過程中的壓降計(jì)算問題，不能只考慮單一的參數(shù)進(jìn)行壓降計(jì)算，在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)還得兼顧其它的參數(shù)。因?yàn)榛燧敼芫€的中壓降的計(jì)算結(jié)果，常常與很多參數(shù)相關(guān)，同時(shí)也與大小、形狀、距離和高度變化等密切相關(guān)，和多相之間所組成的流動(dòng)形式有關(guān)。但在這些參數(shù)中，管線內(nèi)的介質(zhì)溫度對(duì)壓降起了主要作用［1］。

在做優(yōu)化校核的過程中，發(fā)現(xiàn)假定其它的參數(shù)都是恒定不變的，那么就能發(fā)現(xiàn)液相的壓降隨著溫度的升高而降低，隨著溫度的降低而升高。如果輸?shù)慕橘|(zhì)中主要是氣液兩相，這種壓降的計(jì)算相對(duì)來說較為復(fù)雜。考慮受溫度的影響較大，在通常的優(yōu)化校核時(shí)，若介質(zhì)的溫度較底，如小于60℃時(shí)，氣相中分子間的運(yùn)動(dòng)不是很激烈，產(chǎn)生的碰撞速度不快，因此由于氣體間相互碰撞引起的壓降原因可以不予考慮。

隨著溫度的降低，混輸介質(zhì)中的油品粘度就會(huì)增加，而且這種趨勢會(huì)隨著溫度的變化呈一定的比例變化，在低溫中液相與管壁間的摩擦力增加。因此溫度越低，其液相的壓降越大。但是當(dāng)溫度上升到一定的程度，氣體之間的碰撞會(huì)隨著溫度的升高急劇上升，產(chǎn)生的碰撞速度愈快，碰撞的次數(shù)也會(huì)更為頻繁。因此混輸中的氣相存在，會(huì)在高溫時(shí)對(duì)壓降產(chǎn)生明顯的影響。在大慶煉化公司儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)的實(shí)際檢測中發(fā)現(xiàn)，氣體的含量在高溫混輸介質(zhì)中，影響十分明顯，而在低溫的混輸介質(zhì)，氣體的含量影響則相對(duì)較弱。在低溫時(shí)，影響較大的是液相介質(zhì)的粘度參數(shù)，粘度大的混輸管線壓降大，粘度小的混輸管線壓降小。

2 管線壓降實(shí)測的意義

（1）可以減少井口。這種方式運(yùn)輸，通過完善聯(lián)合站后，運(yùn)輸?shù)墓艿乐虚g，不用開口，可以有效節(jié)能，且實(shí)現(xiàn)原油穩(wěn)定，為輕油的回收創(chuàng)造了必要的條件。

（2）常溫輸送，可以不用將混合介質(zhì)加熱，從而節(jié)約了大量的加熱設(shè)備。同時(shí)，這些加熱設(shè)備也是實(shí)際運(yùn)輸過程中的高能耗產(chǎn)生的原因。同時(shí)可以方便管理，保證安全生產(chǎn)。

（3）常溫輸送，可以極大地簡化工藝流程，有效縮短工程的建設(shè)周期，減少工程量，降低工程建設(shè)成本，同時(shí)計(jì)量站內(nèi)的流程優(yōu)化，減少因此造成的壓降。

3 管線壓降的實(shí)測計(jì)算

3.1 計(jì)算方法

吳浩江等［2］對(duì)管線流體介質(zhì)進(jìn)行了流型分析，重新定義幾種流型。根據(jù)混輸介質(zhì)在管道中的壓降變化測試和計(jì)算結(jié)果，可以綜合判斷混輸介質(zhì)是油包水型還是水包油型。而且在采取氣液兩相介質(zhì)的計(jì)算時(shí)，只要是總的流量不變，增加含水率可以使流型從油包水型轉(zhuǎn)變成水包油型。基于這種理論，李德選等［3］研究總結(jié)了管道介質(zhì)壓降的計(jì)算公式，稱為李氏算法。應(yīng)用李氏算法進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算時(shí)，使用混輸介質(zhì)的溫度平均值，流速采用混輸介質(zhì)的平均流速。

李氏算法是根據(jù)兩相介質(zhì)分布的特點(diǎn)，根據(jù)貝克分流法判斷出流型選取合適的m（摩阻系數(shù)）和β（流態(tài)指數(shù)）值。李氏計(jì)算法的優(yōu)勢，主要是在修正氣液兩相混輸?shù)慕橘|(zhì)，通過測試其流經(jīng)管道中的壓降差值，考慮各種導(dǎo)致壓降的參數(shù)，在實(shí)測數(shù)據(jù)中進(jìn)行對(duì)比分析，同時(shí)對(duì)貝克分流法中的m進(jìn)行修正，這種計(jì)算方式，在大慶煉化公司的多種混輸介質(zhì)輸送管線中進(jìn)行了實(shí)測，結(jié)果表明，常溫和低溫中的計(jì)算精度較為可靠。在溫度高于70℃則有一定的偏離，需要對(duì)m和β值進(jìn)行合適的選取［4］。

3.2 計(jì)算過程

（1）計(jì)算公式

根據(jù)大慶煉化公司的儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)管路進(jìn)行實(shí)際考察，對(duì)混輸介質(zhì)的工藝參數(shù)、運(yùn)動(dòng)速度、介質(zhì)的粘度、管道的大小、氣相的比例等進(jìn)行全面的考慮，得出以下壓降的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式（1）：

式中 P2—混輸管線測試初始點(diǎn)的絕對(duì)壓力，MPa；T—混輸介質(zhì)的氣相溫度平均值，℃；GL—液相流量，t/d；μl—在測量溫度下，混輸介質(zhì)中，液相的粘度，mPa·s；D—管線內(nèi)徑，m；L—管線長度，km；m，β—摩阻系數(shù)、流態(tài)指數(shù)，由貝克分流法決定［5］；η0—混輸介質(zhì)中的油氣比；γg—?dú)庀嘀囟龋琸N/m3。

在應(yīng)用公式（1）時(shí)，需要假定在計(jì)算過程中的工藝參數(shù)是穩(wěn)定的，混輸介質(zhì)的壓力和流速是恒定的。在此假設(shè)前提下，氣體的流量從小到大可能發(fā)生的7種流態(tài)變化分別為：泡狀流、氣團(tuán)流、層狀流、波狀流、沖擊流（斷塞流）、環(huán)狀流、霧狀流。

貝克分流法流態(tài)判別公式見（2），（3）式：

式中 σL—表面張力，N/m；γL—液相重度，kN/m3。

在混輸介質(zhì)中，氣相的性質(zhì)可以不予考慮，只要假定混輸中的液相介質(zhì)為非牛頓流體，可以通過公式（4）來確定剪切速率：

式中 Dr—剪切速率兩相流混合流速，m/s；n—非牛頓液體且呈現(xiàn)假塑性的系數(shù)。

為提高結(jié)果的可信度，在考慮各種影響因素可能會(huì)對(duì)結(jié)果造成的偏差，對(duì)以下條件進(jìn)行了假設(shè)。即需要假設(shè)混輸?shù)慕橘|(zhì)中液相為非牛頓液體且呈現(xiàn)假塑性n=0.93。混輸介質(zhì)的流速起決定作用的是液相的流速且是混輸介質(zhì)流速的0.4；溫度較高的時(shí)候，氣體的影響值較多，整個(gè)混輸介質(zhì)的剪切速率值將增加1/6。

將假設(shè)的數(shù)值代入式（5）中可得∶

式中 V—兩相流混合流速，m/s。

混合流速由（6）式?jīng)Q定：

式中 η0=η0T2/2 930P2

（2）計(jì)算結(jié)果

大慶煉化公司原油儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)中，原油和天然氣的表面張力σ0=27.5672，用貝克分流法判別流態(tài)公式計(jì)算：

式中 混輸介質(zhì)中的油氣比η0以管道實(shí)測的G0替代。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可以取值：β=2.2，m=0.42；

可以計(jì)算壓差Pchj=0.101 314MPa

在測量生產(chǎn)實(shí)際的壓差Pch1=0.1MPa

相對(duì)誤差：

由上述計(jì)算結(jié)果可知，運(yùn)用這些公式可以計(jì)算常溫輸送工況下的剪切速率。且沖擊流和環(huán)狀流、氣泡流、氣團(tuán)流等計(jì)算結(jié)果也較為滿意。

4 結(jié)論

（1）針對(duì)研究對(duì)象中的油氣水多相混輸介質(zhì)流動(dòng)特點(diǎn)，由于液相占主要作用，所以可以將混輸介質(zhì)視為單相液體進(jìn)行計(jì)算，但應(yīng)注意含水原油的流變特性。

（2）在氣液兩相管流的壓差計(jì)算方法中，李氏算法在溫度為常溫和較低溫度時(shí)，對(duì)混輸管線的的壓降計(jì)算是較為可信且有一定的理論研究價(jià)值。

（3）由于原油中的含水率和混輸介質(zhì)中的油氣比，對(duì)計(jì)算的結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。因此可以分為3類：即根據(jù)含水量的大小，分成高含水混輸介質(zhì)、中含水混輸介質(zhì)和低含水混輸介質(zhì)。當(dāng)混輸介質(zhì)中的含水率較低時(shí)采取氏算法的計(jì)算結(jié)果較為可靠。

［1］華東石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)教研室.輸油管線的設(shè)計(jì)與管理［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1979：39-41.

［2］吳浩江，李江.水平管內(nèi)油氣水三相流流型的實(shí)驗(yàn)研究［J］.油氣儲(chǔ)運(yùn)，1999，18（7）：3-4.

［3］李德選，王雪強(qiáng)，李文廣，等.復(fù)雜山地氣田濕氣集輸工藝探討［J］.油氣田地面工程，2011，30（11）：55-56.

［4］陳家瑯.石油氣液兩相管流［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1989：8-106.

［5］劉定智.多相混輸技術(shù)的研究及其應(yīng)用［J］.成都：西南石油大學(xué)，2003.

Measured data analysis of pressure drop of mixed transportation pipelines of crude oil

Wang Xiaoqing
（Tender management center of Daqing Oil Refining&Chemical Company，Daqing 163411，China）

Actual measurement was made to the pressure drop of several gathering pipelines of the storage&transportation system of Daqing Oil Refining&Chemical Company,and analysis was made to the pressure drop variation data of the flowing of 3 phases inclusive of crude oil,gas,and water in several pipelines.It made calculation and checking according to the deference of water cut of crude oil,and summarized the changing situation of pressure drop of several mixed pipelines of crude oil,and has great guiding significance for promoting optimal design of crude oil transportation pipelines under normal temperature.

crude oil pipeline;pressure drop;mixed transportation;checking

TE83

B

1671-4962（2017）04-0028-03

2017-07-16

王小慶，女，工程師，2006年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院油氣儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)，現(xiàn)從事招標(biāo)管理工作。