原油順序輸送工藝混油問題探討

許昊東

（中海油國際貿易有限責任公司，北京 100027）

不同性質的原油具有不同的煉化特點，對應著不同的加工方案。煉廠的裝置結構和運行方式由加工原油的性質決定，盲目摻煉會導致產品質量下降、裝置效率降低、裝置壽命縮短。分輸分煉已成為業內共識，能夠充分發揮不同原油的加工優勢，提升煉廠經濟效益，考慮到我國龐大的常減壓加工能力，分輸分煉避免了巨大的經濟損失。

原油分輸是通過管道順序輸送實現，順序輸送是指在同一條管道內，將不同物性的原油按照一定批量和次序連續輸送。順序輸送在滿足分輸的前提下，使管道得到最大程度的應用，提升管道運營企業經濟效益。在順序輸送過程中，在兩種不同原油的接觸區不可避免地發生混油現象，影響原油的質量指標，造成一定的混油損失。目前順序輸送研究多集中于成品油領域[1-3]，研究原油順序輸送的混油問題，對生產活動具有重要實際意義。

1 工藝應用

1901年管道順序輸送工藝得到應用，順序輸送工藝至今已非常普遍。國內較早使用順序輸送技術的原油管道是湛茂輸油管道，湛茂管道1980年投產，起自湛江輸油站，終至茂名石化，全長115 km，管道外徑529 mm。在20世紀80年代便應用順序輸送技術分輸大慶油、勝利油和中東進口原油，輸送油種達20 余種。東黃復線是我國第一條自動化輸油管道，1986年投產，起自東營首站，終至黃島油庫，全長248.5 km，管道外徑711 mm，從1998年開始，東黃復線停輸勝利油而改輸進口油，中東地區阿曼、沙特、科威特、伊拉克及阿聯酋等國進口油從黃島上岸，通過順序輸送，去往齊魯石化，到達東營站后繼續向西去往濟南、滄州、洛陽等地煉廠。魯寧輸油管道起自臨邑縣，終至儀征市，全長657.5 km，具有重要戰略意義，2002年9月進行了混合原油（勝利油與進口原油混合）與進口原油順序輸送的實驗，能夠將黃島上岸的進口原油純凈地輸送至下游煉廠。甬滬寧輸油管道2004年建成投用，全長666 km，與魯寧管道相接，共同形成了貫通南北的輸油大動脈，采用常溫密閉順序輸送工藝，向鎮海石化、上海石化、高橋石化、金陵石化、揚子石化等煉油廠輸送40 余種進口原油，鑒于高橋石化以加工高硫原油為主，揚子石化、金陵石化以加工低硫原油為主，甬滬寧輸油管道主要按原油含硫量劃分批次輸送。我國西部原油管道均采用順序輸送工藝。服務獨立煉廠的管道運營企業，順序輸送更是必不可少，山東境內煙淄管道2016年建成投用，起自煙臺西港首站庫區，全長540 km，服務華星、正和、京博、金誠、匯豐等獨立煉廠，輸送原油品類近60 種?？傊?，原油管道順序輸送技術是發展的需要，具備廣闊的應用前景，而混油問題需要更加精細化的研究[4-10]。

2 混油的計算與檢測

2.1 混油影響因素

管道順序輸送過程中的混油包括初始混油、沿程混油、過站混油、停輸混油和意外混油。正常輸送條件下，沿程混油是最主要的混油方式。

2.1.1 原油流態影響

管道中原油流態對混油量的影響至關重要。原油在管道中以兩種流態形式存在，即層流和紊流。

層流流動時，管道軸心原油的流速大于管道內壁處原油的流速，形成速度楔形，后行原油鉆入前行原油形成楔形油頭，在油品比重差作用下，楔形油頭偏離管道軸心，在分子擴散運動作用下，油品交界區域濃度趨于均勻，形成大量混油，混油量可能是管道容積的若干倍。順序輸送不應在層流狀態下運行。

紊流流動時，管道截面上流速可以接近平均流速，抑制楔形油頭的形成。理論和實踐表明，隨著雷諾數的增加，紊流中層流邊層的厚度變薄，紊流核心部分逐漸占據管道截面，混油量開始下降；當雷諾數超過某數值時，混油量幾乎不隨雷諾數變化，層流邊層的厚度極薄，紊流核心部分基本占據管道截面，此時造成混油的主要原因是紊流擴散作用。順序輸送應在紊流狀態下運行。

2.1.2 輸送次序影響

在其他管輸條件一致的情況下，黏度小的原油頂替黏度大的原油產生的混油量，大于黏度大的原油頂替黏度小的原油產生的混油量，差值在10%～15%之間。這是由于黏度大的原油在管壁上附著油層厚，當黏度小的原油為后行油時，附著在管壁上的黏度大的原油容易混入黏度小的原油，增大混油量。

2.1.3 初始混油影響

在輸油首站交替輸送原油時，先開啟后行原油儲罐閥門，在后行原油油罐閥門打開的過程中，逐漸關閉前行原油油罐閥門，因此在油罐切換短暫的時間內，形成初始混油。初始混油量的大小取決于切換油罐的速度、油泵入口處管道的布置和首站輸量。初始混油對短距離管道末站的混油量影響很大，對長距離管道末站的混油量影響不明顯。

2.1.4 中間泵站影響

混油段經過中間泵站或分輸站時，受站內管道存油、站內管道閥件和過濾器擾動、泵內葉輪剪切等作用影響，混油段長度會增加。

2.1.5 停輸影響

事故或計劃內維修都會造成管道停輸，此時管道內紊流脈動消失，在前行油和后行油密度差的作用下，混油段截面上的油品會在垂直方向上移動，表現為輕油向上運動，重油向下運動，導致混油量增加。如果停輸時混油界面所處地勢海拔高差較大，且密度大的油品處在高處，混油量會有較大增加。

2.1.6 其他影響因素

由于紊流擴散作用，混油段長度會隨著輸送距離的增大而增加。原油在輸油管道中通過翻越點時，容易在翻越點后出現液柱分離現象，即在翻越點后的管道內發生不滿流現象，混油流量增多。

2.2 混油量計算

Austin 和Palfrey 統計分析順序輸送管道大量生產數據，不考慮輸送次序對混油的影響，將前行原油體積分數為99%～1%范圍內的混油長度定義為混油段的長度，給出混油量的經驗計算公式。

式中：Re是—混油段雷諾數；

Rel是—臨界雷諾數；

C—混油段長度，m；

d—管道內直徑，m；

L—管道長度，m；

e—自然對數的底；

Q—流量，m3·s-1；

υ—混油段運動黏度，m2·s-1；

υA、υB—前行和后行原油的運動黏度，m2·s-1。

管道生產運營企業，可根據生產數據，建立適合所屬管道的混油段長度計算公式，如甬滬寧管道就建立了適合自身的混油段經驗計算公式。

2.3 混油界面檢測

可以通過公式計算，對混油界面進行跟蹤和到達終點站時間預報。混油界面到起輸首站的距離L（km）與起輸站累計流量∑Q （m3）、管道內徑d（mm）有如下關系：

如果此時起輸首站瞬時流量為Q，混油界面到達管道終點末站所需時間為T（h），首站到末站管道容積為V（m3），有如下關系：

混油界面的檢測主要通過密度檢測實現，根據不同原油的密度確定混油界面是最常用的方法。在進站端安裝線密度分析儀，通過線密度儀對來油密度進行嚴密監視，分析來油密度變化確定混油界面。也可以在進站端安裝超聲波密度檢測儀判斷來油密度變化，其原理是聲波在不同原油中的傳播速度不同，但由于聲波在油品中傳播速度與溫度、壓力有關系，需要提前對輸送油品進行不同溫度、壓力下的聲波速度標定，目前超聲波檢測方法作為最先進的界面檢測技術被應用廣泛。

若進站端沒有安裝線密度儀或超聲波密度檢測裝置，可以通過檢測來油進站壓力變化的方式判斷管道內混油段，并通過人工取樣密度測定進行驗證分析，通過壓力判斷混油段的原理是，在輸送條件一致的情況下，管道內壓力與來油密度成正比，東臨復線順序輸送混油段檢測便通過此方式完成。

混油界面的檢測還可通過檢測記號物質實現。將作為記號的物質溶解到與管輸原油類似的有機溶劑中，再將溶劑從首站注入前行油和后行油的界面，通過檢測記號物質，掌握混合油段。常見的記號物質分為熒光型和氣體型。

3 混油的切割

混油的切割方案需要根據前行油和后行油是否為同一貨主，進行區分討論，合理的切割方案能夠提高原油加工經濟效益，同時避免糾紛。

當前行油和后行油為不同貨主擁有時，如果前行油和后行油物性相近，一般情況下可輕微降低對原油品質的要求，以保障不同貨主的貨物數量為主，在混油體積分數為50%的界面切割即可。如果前行油和后行油物性差異或商業價值差距較大，以原油和石腦油順序輸送為例，在混油體積分數在50%的界面切割，將原油和混油切入原油貨主原油罐，將石腦油切入石腦油貨主石腦油罐，將另一部分混油切入石腦油貨主原油罐，如此可保證不同貨主貨物數量、石腦油貨主石腦油的純凈度，但石腦油貨主不可避免地損失一部分石腦油。

混油切割方案需要混油量計算、跟蹤預測、識別等手段作為支撐，同樣需要考慮貨主實際油品罐容情況，做出最優的切割方案。

4 減少混油的措施

順序輸送原油時，應盡量提高輸送流量，確保在紊流狀態下輸送原油，杜絕在層流狀態下輸送原油，減小沿程混油段長度。

合理安排油品輸送的次序。應該用黏度較大的油品頂送黏度較小的油品；盡量安排物性相近的原油順序輸送，油品性質越接近，兩種油品允許的互相混入量就越大，產生的混油易于處理；盡量加大每種油品的一次輸送量，減小順序輸送的批次。

在首站切換油品時，在不造成水擊的前提下，盡量縮短開關閥門時間，如用球閥代替閘板閥，采用快速遙控的電動或液動閥門，由操作熟練的工人進行油品切換，最大程度降低初始混油段長度。

管道應盡量減少旁接油罐，采用密閉輸油工藝，簡化中間站流程，減少中間泵站對混油量的影響。

盡可能避免在管道運行時中途停輸，在順序輸送過程中，停泵次數越多混油量越大；如果無法避免中途停輸，應將混油界面控制在平坦地段，如果停泵時混油界面必須處于坡度較大的地段，應使密度小的油品在上，密度大的油品在下，避免高差和密度疊加作用差導致停泵混油量增加。

可以在前后油品界面加入隔離物，將前后油品隔離開，常見的隔離物是隔離球和隔離液。隔離球是一種彈性球，但需要管道直徑統一；隔離液是一種聚合物，其擴散系數遠小于交替油品的擴散系數，操作簡便，對管道無特別要求。