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原油順序輸送管道安全停輸時間研究

文檔作者：周詩崠吳志敏吳明王樹立趙會軍文檔來源： 1．江蘇工業(yè)學(xué)院油氣儲運技術(shù)省重點實驗室 2．遼寧石油化工大學(xué)儲運與建筑工程學(xué)院		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年07月16日
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2010年第38卷第5期
石 油機械
CHINA PETR0LEUM MACHINERY
專題研究
原油順序輸送管道安全停輸時間研究
周詩崠 吳志敏 吳
(1．江蘇工業(yè)學(xué)院油氣儲運技術(shù)省重點實驗室
明 王樹立 趙會軍
2．遼寧石油化工大學(xué)儲運與建筑工程學(xué)院)
摘要 針對原油差溫順序輸送工藝，建立了原油順序輸送管道安全停輸時間計算模型，利用
有限差分法對停輸模型和再啟動模型進行離散化，采用迭代法計算最小安全停輸時間。以原油管
道順序輸送大慶油和俄羅斯油為例，分別探討混油界面位置、油品輸量、油品輸送溫度和油品輸
送順序?qū)Π踩］敃r間的影響。研究結(jié)果表明，大慶油頂俄油的停輸時間長于俄油頂大慶油的停
輸時間；混油界面離出站點越遠(yuǎn)，停輸時間越短；油品輸送溫度越高，停輸時間越長；油品輸量
越大，停輸時間越長。
關(guān)鍵詞 原油 順序輸送停輸時間 數(shù)學(xué)模型
0 引 言
目前，我國進口原油量逐年增多，由于進口原
油油品物性較好，可實現(xiàn)常溫輸送，而國產(chǎn)原油凝
固點較高，需要加熱輸送，國產(chǎn)原油與進口原油的
順序輸送是一個冷原油差溫順序輸送過程¨ 。在
原油差溫順序輸送過程中，受出站溫度交替變化的
影響，管道沿線的油流溫度、土壤溫度場及其蓄熱
量始終處于交變狀態(tài)，原油進站溫度具有一定幅度
的周期性波動。因此，原油差溫順序輸送管道的安
全停輸時間與停輸初始時刻管道溫度場尤其是土壤
蓄熱量有關(guān)，即使在同一工況下，停輸時機不同也
可能導(dǎo)致管道的安全停輸時間不同。合理確定冷熱
原油交替輸送過程的安全停輸時間，對制定再啟動
方案和停輸檢修計劃具有重要的指導(dǎo)意義。對于輸
送單一油品的管道來說，安全停輸時間是保證管道
停輸后終點處油溫不低于油品凝固點 。對于順
序輸送不同種類油品的管道，已不能采用停輸后終
點處油溫不低于油品凝固點這一原則來計算其安全
停輸時間。
對于順序輸送不同種類油品的管道，管道安全
停輸時問是指在該停輸時間下，管道能夠安全再啟
動，且無論管道內(nèi)油品處于停輸溫降階段還是再啟
動階段，管道內(nèi)任意斷面處油品的溫度均不低于油
品最低安全溫度，再啟動后，油品的進站溫度均不
低于該油品的最低安全輸送溫度?？紤]到原油順序
輸送過程為一非穩(wěn)態(tài)過程，筆者提出的管道安全停
輸時間計算模型由管道停輸計算模型和再啟動計算
模型構(gòu)成。
1 建立數(shù)學(xué)模型
在建立模型的過程中，假設(shè)前后輸送的2種油
品界面為一平面，2種油品之間無質(zhì)量交換。管道
被無限大的土壤包圍，緊靠管壁的土壤受管道加熱
升溫，距管壁越遠(yuǎn)，溫度越低，在熱影響半徑外，
土壤溫度等于管道埋深處地溫。
1．1 管道停輸計算模型
原油液相傳導(dǎo)方程：
d = P ￡ C (＼ 0 廠 +。 一1 0OTrt)+’
AL 1 a ， 、
P C￡r O0
式中A — — 油品導(dǎo)熱系數(shù)，W／(m·K)；
JD￡—— 油品密度，kg／m ；
C — — 油品比熱容，J／ (kg·K)；
— — 油品溫度，℃ 。
$基金項目：江蘇省油氣儲運重點實驗室資助項目“管道輸送與泄漏檢測技術(shù)研究”(CyO805)；遼寧省教育廳基金項目“東北管網(wǎng)中
國大慶．俄羅斯混輸原油安全優(yōu)化運行技術(shù)” (2007T104)。
一l2一 石 油機械 2010年第38卷第5期
原油固相傳導(dǎo)方程：
Ot =
P s Cs(＼ ar + 。 r Or)／ +
P C 孥O0 s s r
2 2 ＼一／
式中ps—— 蠟密度，kg／m ；
C —— 蠟比熱容，J／(kg·K)；
A —— 蠟導(dǎo)熱系數(shù)，W／ (m·K)；
— — 結(jié)蠟層處溫度，℃ 。
土壤熱影響區(qū)域方程：
一
OTc
Ot ： f + 1+ PGCG＼ar 。r Or／
P憊G C c r2 a ㈩
式中A — — 土壤導(dǎo)熱系數(shù)，w／ (m·K)；
P —— 土壤密度，kg／m ；
C —— 土壤比熱容，J／(kg·K)；
— — 熱影響區(qū)土壤溫度，℃ 。
油流和結(jié)蠟層的邊界條件：
A 亂 j ㈩
式中 — — 自然對流區(qū)半徑，m。
結(jié)蠟層和土壤熱影響區(qū)的邊界條件：
As裂 A 乳 ㈩
式中 — — 管道半徑，m。
土壤與大氣的邊界條件：
A f ： ( 一 ) (6)
式中 —— 大氣溫度，oC；
— — 土壤與大氣的傳熱系數(shù)，w／(m ·
K)。
土壤熱影響區(qū)和外界土壤的邊界條件：
f =T (7)
式中 —— 外界土壤溫度，℃ ；
R ——土壤熱影響半徑，m。
1．2 管道再啟動計算模型
管道再啟動后，管道內(nèi)油流熱平衡方程如下：
O + + = 0 (8
t Oz p C R
+—_I — =— ～ ()
， ，
式中 —— 管壁處溫度，℃ ；
，— — 油流至管壁的傳熱系數(shù)，W／(m ·
K)；
— — 油品流動速度，m／s。
其他方程同管道停輸時的式(2) ～式(7 )。
2 數(shù)學(xué)模型求解
對于管道停輸和再啟動方程，使用有限差分
法，把熱傳導(dǎo)偏微分方程轉(zhuǎn)化為差分方程。對于管
道安全停輸?shù)挠嬎?，采用迭代法計算最小停輸時
間。計算步驟如下：
(1)計算管道出口處油品流到下一站進口需
要的時間t。 一? =L／v(再啟動模擬計算的最長時
間)，令管道停輸時間t 。：0，保存管道停輸前的
各個截面的溫度場。
(2)停輸時間t =t +t lo】? 。
(3)調(diào)用管道停輸溫降計算程序，停輸時間
為t p。
(4)t 。=0。
(5)t =t。 +t 一 帥。
(6)調(diào)用再啟動計算程序，再啟動計算時間為
t 。。在再啟動計算過程中，判斷大慶油在各個截面
的溫度是否高于其凝固點，如果所有大慶油溫度均
高于其凝固點，轉(zhuǎn)步驟(7)，否則轉(zhuǎn)步驟(9)。
(7)如果t。 >t 轉(zhuǎn)步驟(8)，否則轉(zhuǎn)
步驟(5)。
(8)將保存的管道停輸前的各個截面的溫度
場賦給管道各個截面，轉(zhuǎn)步驟(2)。
(9)管道安全停輸時間為t 。? =t 一
t ，計算結(jié)束。
其中， 是管道長度，m；t ? 是管道安全
停輸時間，s；t 是停輸時間迭代步長，S；t
是停輸計算時間，S；t ， 是再啟動計算時間，S；
t。 ? 。是再啟動時問迭代步長，S；tout-max是管道出
口處油品流到下一站進口需要的時問，S。
3 管道安全停輸時間計算分析
以慶鐵老線 林源站一垂楊站段順序輸送大慶
油與俄羅斯油(以下簡稱俄油)為例進行管道安
全停輸時間計算，該段管道長50．1 km，管徑720
mm。在計算過程中分別探討俄油在前大慶油在后
和大慶油在前俄油在后2種工況的管道安全停輸時
間。管道停輸后，管道內(nèi)油品向土壤傳熱，管道停
輸時間越長，管道內(nèi)油品的溫度越趨向于地溫，當(dāng)
停輸時間無限長，管道內(nèi)油品的溫度與地溫相同。
根據(jù)慶鐵老線的地溫實際情況，在最冷時，管道埋
深處的地溫約一2℃ ，而俄油凝點在一14℃ 以下，
2010年 第38卷 第5期 周詩崠等：原油順序輸送管道安全停輸時間研究
也就是說，無論管道停輸時間多長，管道內(nèi)俄油溫
度均不會低于其凝固點，也就不會在管道內(nèi)凝固。
計算過程中規(guī)定大慶油的最低進站溫度為33℃ 。
3．1 混油界面對停輸時間的影響
慶鐵老線順序輸送大慶油與俄油，大慶油的出
站溫度為46℃ ，俄油的出站溫度為35℃ ，2種油
品的輸量均為2 000 m ／h，分別計算俄油在前大慶
油在后(俄油輸送120 h后開始輸送大慶油，工況
1)和大慶油在前俄油在后(大慶油輸送120 h后
開始輸送俄油，工況2)2種工況下的混油界面在
管道不同位置時的安全停輸時間。圖1為混油界面
位置與安全停輸時間的關(guān)系曲線。
圖1 混油界面位置與安全停輸時間的關(guān)系曲線
從圖1可以看出，2種工況下混油界面在管線
不同位置對停輸時間有影響，且混油界面離出站點
越遠(yuǎn)，停輸時間越短。
大慶油頂俄油過程中，大慶油油頭在輸送過程
中除了向土壤傳熱外，還向俄油油尾傳熱，停輸前
混油界面離出站點越遠(yuǎn)，大慶油油頭的溫降越大，
而此時大慶油油頭溫度是決定管道安全停輸時問的
主要因素，因此混油界面離出站點越遠(yuǎn)，停輸時間
越短。
俄油頂大慶油過程中，俄油油頭與大慶油油尾
接觸時間越長，大慶油油尾溫降越大，而大慶油油
尾溫度是決定管道安全停輸時間的主要因素，因此
混油界面離出站點越遠(yuǎn)，停輸時間越短。
3．2 油品輸送溫度對停輸時間的影響
慶鐵老線順序輸送大慶油與俄油，2種油品的
輸量均為2 000 m ／h，改變大慶油的輸送溫度和俄
油的輸送溫度，分別計算俄油在前大慶油在后
(俄油輸送120 h后輸送大慶油5 h)和大慶油在前
俄油在后(大慶油輸送120 h后輸送俄油5 h)的
安全停輸時間。大慶油輸送溫度對停輸時間的影響
結(jié)果見圖2，俄油輸送溫度對停輸時間的影響結(jié)果
見圖3。
從圖2和圖3可以看出，改變俄油輸送溫度和
大慶油的輸送溫度均會影響停輸時間，且輸送溫度
越高，停輸時問越長。輸送溫度越高，油品在停輸
階段的初始溫度越高，故停輸時問越長。
圖2 大慶油輸送溫度對停輸時間的影響
圖3 俄油輸送溫度對停輸時間的影響
3．3 油品輸量對停輸時間的影響
慶鐵老線大慶油的出站溫度為46℃ ，俄油的
出站溫度為35℃ ，分別改變大慶油的輸量和俄油
的輸量，計算俄油在前大慶油在后(俄油輸送120
h后輸送大慶油5 h，工況3)和大慶油在前俄油
在后(大慶油輸送120 h后輸送俄油5 h，工況4)
的安全停輸時間。大慶油輸量對停輸時間的影響結(jié)
果見圖4，俄油輸量對停輸時間的影響結(jié)果見圖5。
人慶油輸最／(m ·h )
圖4 大慶油輸量對停輸時間的影響
俄油輸量／(m -h )
00
圖5 俄油輸量對停輸時間的影響
從圖4和圖5可以看出，改變俄油輸量和大慶
油的輸量均會對停輸時間有影響，且輸量越大，停
． ． — — 14．—— 石 油機械 2010年第38卷第5期
輸時間越長。輸量越大，單位質(zhì)量油品的溫降越
慢，故停輸時間隨輸量增加而增加。
3．4 輸送順序?qū)ν］敃r間的影響
從圖1～圖5可以看出，當(dāng)大慶油和俄油輸送
溫度不同時，油品的輸送順序?qū)Π踩］敃r問有一
定的影響，俄油頂大慶油的停輸時問要比大慶油頂
俄油的停輸時間短。管道再啟動后，油品除向土壤
傳熱外，大慶油頂俄油時，后行的大慶油會加熱大
慶油頭的溫度；俄油頂大慶油時，后行的俄油會冷
卻大慶油尾，故停輸時大慶油的油頭可以降得比大
慶油油尾溫度低一些。大慶油頂俄油時，安全停輸
時問主要取決于大慶油的油頭，俄油頂大慶油時，
安全停輸時間主要取決于大慶油油尾溫度，故俄油
頂大慶油的停輸時間要比大慶油頂俄油的停輸時
間短
4 結(jié) 論
(1)混油界面位置對停輸時間有影響，混油
界面離出站點越遠(yuǎn)，停輸時間越短。
(2)油品輸送溫度對停輸時間有影響，輸送
溫度越高，停輸時問越長。
(3)油品輸量對停輸時間有影響，輸量越大，
停輸時間越長。
(4)大慶油和俄油輸送溫度不同時，輸送順
序?qū)ν］敃r間有影響，大慶油頂俄油的停輸時間長
于俄油頂大慶油的停輸時間。
[1]
[2]
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[6]
[7]
參考文獻
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第一作者簡介：周詩崠，講師，生于1978年，2004年
畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)油氣儲運工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，
現(xiàn)從事油氣管道輸送技術(shù)等方面的研究工作。地址：
(213016)江蘇省常卅I市。電話：(0519)83290280。E—mail：
zsd2001@ 163．com。
收稿日期：2009—11—24
(本文編輯劉鋒)
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