含蠟原油輸送管道清管周期預測模型研究

李循跡 孟 波 常澤亮 安 超 方 艷 翁韋強

1. 中國石油塔里木油田分公司, 新疆 庫爾勒 841000; 2. 西南石油大學石油工程學院, 四川 成都 610500

0 前言

含蠟原油輸送管道在管輸過程中沿程溫度不斷降低,當原油溫度低于析蠟點時,蠟分子會沉積在管道內壁上形成結蠟層,堵塞管道內的流通截面,降低管輸效率。定期清管是清除管道內的結蠟、提升管輸效率的有效措施。清管會影響管道的正常輸送,清管周期過短會造成不必要的人力和物力浪費,帶來較大的生產風險;清管周期過長,又容易使管道長期在低效率下運行,同時還可能帶來清管球卡堵問題[1]。因此,在保證管道安全、高效運行的前提下,如何確定經濟合理的清管周期是國內外含蠟原油輸送管道在運行過程中所面臨的重要問題。

國內GB 50253-2014《輸油管道工程設計規范》[2]、GB 50251-2015《輸氣管道工程設計規范》[3]、SY/T 5536-2016《原油管道運行規范》[4]、SY/T 5922-2012《天然氣管道運行規范》[5]、SY/T 6148-1995《輸油管線清管作業規程》[6]等標準側重于制定清管方案、操作程序、清管作業安全措施和應急預案等,并沒有明確規定管道的清管周期。國外學者也開展了清管周期的研究，澳大利亞Esso石油公司的Hilbert J[7]認為影響清管周期的因素眾多,其中最重要的是清管器清出的蠟體積不能超過接收器的容積；沙特阿拉伯國家石油公司的Al-Muslim H M等人[8]認為管道的清管周期取決于管道的參數和清管器的運行歷史，當管道的流體流速較低、沉積物較多、含水量較大以及腐蝕速率較高時,應當增加清管的頻率；法國船級社的Dejean J P等人[9]認為,頻繁的清管會導致停產時間過長,從而造成較大的經濟損失，而清管周期過長則會導致管道中蠟沉積層過厚,引發清管器卡堵等安全事故。國外在清管周期制定方面也尚未形成統一的認識。

上述研究多是針對某一條具體的輸油管道而開展的,并未提出普適性的方法。針對這一問題,本文從管輸效率的定義出發,結合含蠟原油輸送管道結蠟速率預測模型,提出了基于管輸效率的清管周期預測模型。以塔里木油田英買力-牙哈含蠟原油輸送管道為例,驗證了方法的有效性。

1 管道蠟沉積計算

確定管道內的蠟沉積速率是計算管道清管周期的基礎和前提。原油析蠟點和蠟沉積速率是表征管道內蠟沉積情況的重要參數[10]。

析蠟點表示管輸壓力下蠟分子從油流中結晶析出的溫度。若原油溫度高于原油析蠟點,管道中一般不會出現蠟沉積;反之,管道中可能會出現蠟沉積[11]。因此,原油析蠟點可用于分析管道中起始結蠟位置。在已知原油具體組分的情況下,可采用熱力學方法計算得到原油析蠟點[12-13]；在未知組分的情況下,可以采用差示掃描量熱法(DSC)測試得到[14]，SY/T 0545-2012《原油析蠟熱特性參數的測定 差示掃描量熱法》[15]對具體測量方法進行了明確規定。

為了獲得管道在不同運行時間下的蠟沉積厚度,需要計算當原油溫度低于析蠟點時原油的蠟沉積速率。黃啟玉等人[16]在研究蠟分子擴散規律的基礎上,考慮到油流對蠟沉積層的沖刷和剪切作用,建立了普適性結蠟速率預測模型——蠟沉積傾向系數法。該方法計入了管壁處油流剪切應力的影響,而采用蠟沉積傾向系數來表征沉積物蠟含量、蠟分子擴散系數的影響。其模型表達式為:

(1)

通過文獻中的實驗數據[17],可以擬合得到蠟沉積速率計算式的k、m、n數據,具體表達式為:

W=2.57

(2)

2 基于管輸效率的清管周期預測模型

俄羅斯標準РД153-39.4p-118-2002《干線輸油管道運行技術規程》(以下簡稱РД153-39.4p-118-2002)中提出了原油管輸效率的概念[18]:管道兩端壓力一定的條件下,結蠟前后管道輸量的比值,即:

(3)

式中:η為管輸效率;Qwax為結蠟后管道輸量,m3/s;Q為結蠟前管道輸量,m3/s。

為了建立管輸效率與管道結蠟量之間的關系,本文推導了與管道結蠟厚度相關的管輸效率計算方法。輸油管道的沿程水力摩阻可以表示為[19]:

(4)

式中:hf為管道沿程水力摩阻,m;λ為摩阻系數,與流體流態有關,無量綱;L為管道長度,m;d為管道內徑,m;Q為結蠟前管道輸量,m3/s;g為重加速度，m/s2；V為管道平均流速，m/s。

當原油流態保持不變時,沿程水力摩阻hf與管道長度L、結蠟前管道輸量Q和管道內徑d有關。當管道中發生蠟沉積時,管道沿程水力摩阻可以表示為:

(5)

式中:hfw為結蠟管道的沿程水力摩阻,m;Lwax為結蠟管段長度,m;L0為未發生結蠟管段長度,m;W為蠟沉積速率,g/(m2·h);t為管道清管周期,d。

當結蠟前后管道的沿程摩阻損失相等時,由式(4)～(5)可得:

(6)

由此，可以進一步推導管輸效率η與結蠟管段長度和管道當量內徑的關系:

(7)

由式(7)可知,管輸效率與蠟沉積后管道的當量內徑dwax有關。在一定的蠟沉積速率下,管道清管周期越長,dwax越小,相應的管輸效率越低。

(8)

(9)

式中:ηmin為管輸效率閾值,根據管道具體情況確定;δ(t)為一個清管周期t內的結蠟層厚度,通過累加每一天的結蠟層厚度得到,m;δi為清管后第i天形成的結蠟層厚度,m;W為結蠟速率,g/(m2·h),具體計算參見式(2);d0為管道內徑,m;di-1為清管后第i-1天的當量內徑,m;ρwax為蠟的密度,取900 kg/m3。

3 算例分析

3.1 英買力-牙哈含蠟原油管道基本情況

英買力-牙哈(以下簡稱英牙)含蠟原油管道起點位于英買力作業區英買發球區,終點為牙哈裝車站,管道全長為151 km,管道規格為219.1 mm×5.2 mm,管道材質為L 320直縫鋼管,設計壓力為6.3 MPa,設計輸量為51×104t/a,管線防腐層為熔結環氧粉末+4 mm黑夾克+50 mm聚氨酯泡沫塑料,沿途共有6座閥室,距起點74 km處有1座中間加熱站。25℃時英牙原油樣品密度為8.02 g/cm3,黏度約為16.58 mPa·s。

英牙管道為加熱輸送管道,夏季在起點加熱后直接輸送到終點;冬季會啟用中間加熱站進行二次加熱。管道在夏季和冬季的典型運行參數見表1。英牙管道結蠟情況較為嚴重,曾因結蠟過多,在清管過程中發生過清管器堵塞事故。因此,有必要對蠟沉積速率進行預測,以確定合理的清管周期。

表1英牙原油管道典型運行參數

節點參數季節英買力外輸中間加熱站進中間加熱站出牙哈末站溫度/℃夏季70373727冬季75247527壓力/MPa夏季2.081.11.10.11冬季2.181.061.060.11

3.2 清管周期預測

采用DSC實驗測試了不同壓力下英牙原油析蠟點溫度,析蠟點P-T曲線見圖1。當壓力為管道最大運行壓力3.0 MPa時,溫度為26.9℃。根據表1可知,夏季管道全線的運行溫度高于析蠟點,不存在結蠟的可能性。冬季中間加熱站進站溫度為24℃,低于析蠟點溫度,因此進站前的部分管道存在結蠟的可能性。冬季管道沿線各溫度監測點的溫度,以及計算得到的冬季沿程溫度分別見表2和圖2。根據表2可知,70#樁-中間站管段的平均溫度為25.23℃,低于析蠟點,因此該管段存在結蠟。

圖1 析蠟點P-T曲線

表2英牙原油管道冬季運行溫度

位置溫度/℃出站751#閥室52.42#閥室35.870#樁27.7中間加熱站 進站24 出站754#閥室54.45#閥室39.6牙哈裝車站23.3

采用DSC實驗,測試得到式(2)中蠟晶溶解度系數dC/dT的表達式：

0.098T+2.49

(10)

將式(10)帶入式(2)中,計算得到英牙管道蠟沉積速率為2.89 g/(m2·h)。因為70#樁-中間站的起終點溫度相近(分別為27.7℃和24℃),因此可以利用管段平均溫度計算管段平均蠟沉積速率和蠟沉積厚度,并根據式(7)、式(9)計算管輸效率。計算的蠟沉積厚度與管輸效率隨時間的變化關系見圖3。

圖2 英牙原油管道冬季沿程運行溫度

圖3 蠟沉積厚度與管輸效率的關系

4 結論

1)從含蠟原油輸送管道管輸效率的定義出發,結合蠟沉積速率預測方法,提出了描述清管周期與管輸效率、結蠟速率之間關系的數學模型。以此為基礎,通過設定合理的管輸效率閾值,可計算出含蠟原油輸送管道的清管周期。

3)以塔里木油田英牙管道為例,計算了冬季管道沿線的蠟沉積速率;通過建立的基于管輸效率的清管周期預測模型,并結合實際情況,計算得到管道的清管周期為110 d,驗證了方法的有效性。