氣管道能耗計算方法研究

付子恒（大慶油田技術(shù)監(jiān)督中心）

1 Baker模型的建立

1.1 確定流態(tài)

Baker 模型主要基于流型來對氣液兩相管流法進行處理。當氣液流動型態(tài)有所區(qū)別時，在很大程度上是由于壓力出現(xiàn)損耗，導(dǎo)致其受到一定的影響，為此需對兩相流動型態(tài)有一個較為全面的了解[1]。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建水平管流流型分界（圖1）。

圖1 Baker模型流型分界

1.2 計算單一氣相壓降梯度

其中

x——一定質(zhì)量的含氣率，%；

G——總質(zhì)量流量，kg/s；

d——內(nèi)徑，m；

A——管路截面，m2；

λg——單相氣體的水力摩擦系數(shù)；

ρg——氣體密度，kg/m3；

Reg——氣相雷諾數(shù)；

wsg——液相折算流速，m/s；

Gg——氣相質(zhì)量流量，kg/s；

ug——動力黏度，Pa·s。

1.3 計算單一液相壓降梯度

其中

ρL——液相密度，kg/m3。

氣泡流：

表1 運行參數(shù)

式中：

X2——洛馬參數(shù)；

Gl——液相的質(zhì)量流量，kg/s；

1.5 在已知的條件下，計算混輸管路的總壓降梯度

Baker 模型可以用于大型工程系統(tǒng)的計算。其是以洛馬法為參考，經(jīng)過大量的實驗驗證而建立的模型。通過該模型計算獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)有著較高的準確度和可信度，可以擴大應(yīng)用范圍[2]。綜上所述，采用Baker模型可計算兩相管道的壓降。

2 氣管道能耗實例計算

2.1 運行參數(shù)

慶新油田采油一工區(qū)5 號計量間4 環(huán)和6 環(huán)的生產(chǎn)運行參數(shù)見表1。

2.2 計算結(jié)果分析

表2、表3 顯示的是沿程溫降和壓降的計算結(jié)果。

表2 溫降實例計算結(jié)果同實際結(jié)果的分析和比較

表3 壓降實例計算結(jié)果與實際結(jié)果對比

通過對比分析可以發(fā)現(xiàn)，理論計算與實際監(jiān)測的溫降差為10.7%。結(jié)果表明，該集輸過程的溫降模型非常適合現(xiàn)場應(yīng)用。基于Baker 模型對監(jiān)測壓降差進行計算可知，其計算結(jié)果相對要小1.7%，由此得到的數(shù)值，可以為實際水力分析提供較為有效的依據(jù)。

2.3 工藝運行參數(shù)優(yōu)化

2.3.1 構(gòu)建目標函數(shù)

以轉(zhuǎn)油站為單元進行優(yōu)化分析，轉(zhuǎn)油站系統(tǒng)主要由摻水泵、外輸泵、摻水爐以及外輸爐等部分構(gòu)成，能源需求較高。

當摻水量持續(xù)增長時，管道中產(chǎn)液表現(xiàn)出的流動特性也會在此基礎(chǔ)上發(fā)生一定的改變，此時需適當調(diào)整摻水量和摻水溫度的數(shù)值[3]。下式為系統(tǒng)優(yōu)化的目標函數(shù)，即

目標函數(shù)將總成本設(shè)定為最小值，因外輸泵的排量相當于所有液體產(chǎn)量相加的總數(shù)，所以，將第二項作為常數(shù)來進行計算，以保證其具備較高的準確度[4]。

由于摻水泵總排量、加熱爐流量和摻水量的數(shù)值一致，則有

式中：nw——轉(zhuǎn)油站所轄油井總數(shù)；

qms——油井摻水量，m3/h。輸油泵的總排量與產(chǎn)液量的總和相等，則有

式中：qos——油井產(chǎn)液量，m3/h。

2.3.2 構(gòu)建約束條件

1）井口回壓。井口需一直維持在回壓狀態(tài)，基于此對集油半徑進行計算，在此過程中，井口回壓的大小需比許用值小一些，從而得到下式，即

式中：pos——油井井口回壓，MPa；

[po]——井口回壓許用值，MPa。

2）井口摻水壓力。為確保摻水工作能夠有效實施，在井口處的摻水壓力大于井口回壓的情況下，能夠使摻水正常實施。

式中：pms——油井摻水壓力，MPa；

δ——常數(shù)，處于0.2～0.4 MPa之間。

1）原油進站溫度。為避免輸送原油時產(chǎn)生不良現(xiàn)象，如凝固，在輸送過程中需一直將進站溫度維持在較高的數(shù)值，從而得到下式，即

式中：np——進站的集油管線數(shù)量；

tzl——集油管線進站溫度，℃；

tz——原油進站的溫度許用值，℃。

2）原油出站溫度。為保障將原油順利輸送到目的地，需保障出站溫度一直維持在較高狀態(tài)，從而得到下式，即

[t′z]——原油出站溫度許用值，℃。

2.3.3 模型求解

以油氣集輸系統(tǒng)生產(chǎn)運行參數(shù)為基礎(chǔ)，對數(shù)學(xué)模型進行了相應(yīng)的構(gòu)建與優(yōu)化。其中，泵排量、摻水量以及摻水水溫等屬于模型中的連續(xù)變量；井口回壓、摻水壓力、進站溫度等屬于模型中的變量隱函數(shù)，故此類問題應(yīng)屬于混合變量非線性優(yōu)化問題。也就是先對相關(guān)條件進行設(shè)置，而后在此基礎(chǔ)上，選定油井含水量以及水溫等數(shù)值，提高規(guī)范度。

表4 優(yōu)化前集輸系統(tǒng)運行參數(shù)

表5 優(yōu)化后集輸系統(tǒng)運行參數(shù)

在進行模型求解的過程中，需先明確室內(nèi)模擬的邊界，在此基礎(chǔ)上，確保回油凝固點的溫度比3 ℃要小，而后再針對所涉及到的相關(guān)參數(shù)實施優(yōu)化處理。對摻水水溫進行設(shè)置，使之保持65 ℃，以熱力學(xué)理論對需求進行詳細地計算，并設(shè)置各環(huán)節(jié)的最大摻水量，由此循環(huán)往復(fù)，從而獲得轉(zhuǎn)油站所有集油總的最大摻水量，對模型實施更全面的優(yōu)化，得到系統(tǒng)實際所需的費用[5]。然后在零下2 ℃增加值的條件下，計算各階段摻水溫度所需消耗的成本，對比不同摻水溫度和摻水量情況下轉(zhuǎn)油站系統(tǒng)所消耗的運行費用，由此得到最佳方案。

2.4 優(yōu)化結(jié)果分析

表4 為優(yōu)化前集輸系統(tǒng)的生產(chǎn)情況。表5 為優(yōu)化后集輸系統(tǒng)的生產(chǎn)情況。天然氣單價設(shè)為1.45 元/m3，用電單價設(shè)為0.57元/kWh。

由表4、表5 可知，采油一區(qū)的各項指標都有所降低，其中：夏季摻水溫度比優(yōu)化前降低8 ℃，摻水量減少5.6 m3/h，油耗減小4.43 m3/t，摻水用電單耗減少0.24 kWh/t，能耗成本降低2 530.1 元/d；冬季優(yōu)化后的摻水溫度比優(yōu)化前的溫度降低8 ℃，摻水量減少29.9 m3/h，油耗減小2.22 m3/t，摻水用電單耗減少0.18 kWh/t，能耗成本降低1 944.3元/d。

3 結(jié)束語

基于Baker 模型，對慶新油田采油一工區(qū)的管道油耗進行了計算及工藝優(yōu)化，使采油一工區(qū)夏季減小4.42 m3/t的油耗，摻水用電單耗減少0.23 kWh/t，累計降低2 530.1 元/d 的能耗成本；冬季減小2.22 m3/t 的油耗，摻水用電單耗減少0.17 kWh/t，累計降低1 944.3元/d的能耗成本。