基于仿真軟件SPS的凝析油管道運行優化分析

左江偉，李漢成，鄭銳，許紅明，田一波，徐思瑩，楊子航

（中國石油塔里木油田分公司油氣運銷部，新疆 庫爾勒 841000）

含蠟凝析油在管道長距離輸送過程中蠟晶分子的析出及蠟沉積層的逐步形成，會造成管道輸送能力下降和運行成本增加[1-2]，嚴重時在清管作業時會引發凝管現象，造成管道清管器卡阻及蠟堵事故，而采用加熱輸送能有效緩解這一情況。另一方面，當中間加熱站油品出站溫度設置較高時，勢必造成大量天然氣的浪費。因此，平衡凝析油出站溫度和管線清管周期是含蠟凝析油管道輸送過程中必須面對的問題[3-5]。目前，塔里木油田應對高含蠟凝析油蠟沉積問題的解決方法主要有添加化學防蠟劑、提高含蠟凝析油出站溫度以、管線設置保護層、長輸管線設置加熱站、定期清管等。而對于凝析油出站溫度設置問題，一般采用穩態熱力計算蘇霍夫公式進行調整[6-7]。

美國Stoner 公司開發的SPS 軟件能夠實現長輸管道的離線實時模擬計算，在液體管網的穩態和瞬態計算方面具有應用廣、精度高的特點。本文采用SPS 模擬了英牙凝析油管道在不同加熱站之間的運行情況，并通過改變地溫和不同加熱站的出口溫度得到管線運行的溫降及壓力變化情況，并將模擬運行結果與實際結果對比，為中間加熱站加熱爐溫度的調整提供指導，研究結論有助于降低管道運行成本，達到降本增效的目的。

1 英牙凝析油管道和油品物性概況

1.1 管道概況

英牙凝析油管線是英買油氣開發部凝析油外輸主要管線[8]，起點為英買首站，終點為牙哈裝車站，全長149.67 km。管線直徑219.1 mm，壁厚5.2 mm，設計壓力6.3 MPa，設計輸量5.1×105t·a-1，管道凈容積34.208 m3·km-1，采用聚氨酯泡沫保溫，厚度50 mm。管道全線當前共設4 座加熱站，如圖1所示。

圖1 英牙凝析油管道全線加熱站情況

1.2 英買凝析油基礎物性

凝析油物性分析主要由塔里木油田實驗檢測研究院測定提供，分析所用的主要設備有SVM3000自動密度黏度測定儀，DZY-038A 多功能低溫測定儀，恒溫水浴，DSC1 差示掃描量熱儀，MK-6s 棒狀薄層色譜分析儀，HFP370 克利夫蘭開口閃點儀，HAAKE RS600 流變儀，101A-2ET 電熱鼓風干燥箱，SRJX-4-13 高溫箱式電爐，JSR3402 電爐殘炭測定器，梅特勒T70 自動電位滴定儀，Agilent7890A氣相色譜儀等。英牙凝析油主要物性參數見表1，其蠟質量分數和析蠟點較油田其他作業區油品高，平均含蠟量在20%～28%之間，按照原油工業分類標準（按照含蠟量分類），屬于高含蠟凝析油。

表1 英買凝析油基礎物性參數

1.3 英牙管道運行基本情況

通過塔里木油田遠程數據采集監控系統（SCADE）采集英牙凝析油管線運行關鍵參數，計算了1年內英牙凝析油管線重點閥室冬季/夏季運行時的平均運行參數，詳見圖2、圖3。

圖2 英牙凝析油管線平均運行參數（冬季運行）

圖3 英牙凝析油管線平均運行參數（夏季運行）

由圖2 和圖3 可以看出，英牙凝析油管線在冬季運行和夏季運行的加熱爐運行情況并不相同，冬季運行時管道全線4 臺加熱爐同時工作，每個加熱站加熱溫度在12～15 ℃之間，終點進站溫度基本維持在40 ℃（析蠟點）；而夏季基本保持首站和英3兩個加熱站運行即可滿足要求。此外，夏季管線地溫基本保持在20 ℃左右，各熱站間地溫變化不大。

管道不同軸向位置處的溫度可以通過蘇霍夫軸向溫降公式計算[9-10]：

式中：Tm—沿管道軸向位置處的溫度，℃；

T0—地溫，℃；

TR—出站油溫，℃；

K—總傳熱系數，W·m-2·h-1·K-1；

D—管道外徑，m；

G—質量流量，kg·h-1；Cp—原油比熱容，kJ·(kg·K)-1；

L—出站口與管道軸向位置間的距離，m。

2 基于仿真軟件SPS 的出站油溫模擬

2.1 模擬步驟

使用SPS 軟件時，首先通過MODEL BUILDER建立圖形化的管道模型并輸入數據，再使用PREPR預處理器設置管道及流體的相關參數，經TRANS瞬態模擬器完成以時間為變量的模擬計算，最后經SimPlot 可以查看變量變化趨勢圖。圖4 為SPS Model Builder 建立的英牙凝析油管道模型。

圖4 SPS Model Builder 建立的英牙凝析油管道模型

2.2 各管段之間的模擬值

以各段管線進站溫度為40 ℃（析蠟點）進行模擬，得到不同管段間及環境溫度下的出站溫度，并與理論計算值進行了對比，如圖5 所示（高風險段英5 至終點段）。

由圖5 可以直觀看出，由蘇霍夫軸降公式計算所得到的加熱爐出口油溫總是高于由SPS 軟件模擬得到的出口油溫，此外，還可以看出，隨著環境地溫的增加，兩種方式下得到的出口油溫越來越接近。

圖5 英5 至終點段出站油溫計算值與模擬值對比

出現這種情況的主要原因是由于SPS 軟件在模擬加熱爐出口溫度時，需要設置管線平均蠟沉積厚度，而根據理論研究，蠟沉積的形成雖然會導致管道輸送能力有所下降，嚴重時導致清管器卡阻現象，但另一方面，蠟沉積的存在相當于在油品在傳熱過程中增加了一層熱阻，使得管道溫降略有減小。

因此，考慮軟件模擬值作為加熱爐出口溫度調節標準，可以節約大量天然氣，降低管道全線的運行成本。

3 能耗測試與分析

表2 為在英牙凝析油管線起點英買首站加熱爐實測的外輸出站油溫與日用氣量情況。

表2 英買首站出站油溫與日用氣量情況

由表2 可知，當平均外輸量在1 860 t 左右時，出站油溫每降低1 ℃，每臺加熱爐每日能降低天然氣量約110 m3，全年每臺可節約用氣約4 萬m3天然氣。

結合英牙凝析油管線不同管段地溫下的模擬情況對比，采用SPS 模擬值進行設置出站油溫時，即夏季運行時（啟首站和英3 兩臺加熱爐，日平均輸量1 800 t、地溫按20 ℃，模擬值與當前設定值相差最大2.12 ℃、最小0.56 ℃計算，進站溫度為40 ℃），可每日節約天然氣101～ 460 m3。

冬季運行時（啟首站、英2、英3、英5 四臺加熱爐，日平均輸量1 800 t、地溫按8 ℃計，模擬值與當前設定值相差最大4.24 ℃、最小1.05 ℃計算、進站溫度為40 ℃），可每日節約加熱爐燃料用氣460～1 850 m3。

4 結 論

1）當前英牙凝析油全線進站油溫均高于油品析蠟點40 ℃，可以適當降低油品出站溫度，節約天然氣用量。

2）根據析蠟點變化情況，應綜合考慮析蠟和清管情況，及時調整管道全線各加熱站的出站油溫。

3）基于SPS 模擬結果表明，冬季運行輸量穩定時使用仿真軟件模擬值作為加熱爐出站油溫設定時，可最少節約天然氣約8 萬m3，夏季運行時使用SPS 軟件模擬值作為加熱爐出站油溫設定時，可最少節約天然氣約2 萬m3。