（石油与天然气工程专业论文）大庆与俄罗斯原油输送工艺环道试验研究.pdf

摘要 宝坻试验环道建成后，恰逢东北管网俄罗斯原油的掺混量不断增加，而运 行仍按输送大庆原油时最低进站温度3 3 。c 进行，本着试验环道应为生产实际服 务的目的，建立了该课题。期望通过该课题，一方面能够对宝坻大型试验环道 的各项功能进行检验和完善，另一方面能够使环道真正在解决实际生产问题中 发挥作用。 本文在总结宝坻环道试验运行经验的基础上，编写了宝坻环道的操作规程、 提出了环道试验对工程的指导方式，为环道开展各项功能试验提供了保证。 通过对大庆与俄罗斯原油环道试验的测量得到了原油流变性环道测量方法 与室内仪器测量方法之间的定量差别；为研究非稳态现场管道的热力问题提供 了宝贵的第一手资料；为停输再启动的计算程序的编制、检验和修正提供了重 要参考。同时在此试验基础上，对铁秦线混输大庆与俄罗斯原油安全的热力、 水力条件进行了计算，结果分析认为：在铁秦线原油的热力方案基础上，冬季 降低出站温度3 。c 、夏季降低4 ，仍能保证停输2 4 h 后安全启输。 关键词：环道，停输再启动，原油流变性，停输温降，热力、水力分析 e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nt r a n s p o r t a t i o nt e c h n o l o g y o fd a q i n ga n dr u s s i ac r u d eo i lb yf l o wl o o p z h a n gl l i x i n d i r e c t e db yp r o f l ic h u a n x i a n a b s t r a c t t h ee x p e r i m e n t a lf l o w - l o o pi sb u i l tu p ，c o i n c i d e dw i t ht h er u s s i a no i l sm i x i n g v o l u m ei nn o r t h e a s tp i p e l i n en e t sg r o w i n g ，b u tt h em i n i m u mi n l e tt e m p e r a t u r ei s s t i l l3 3 t h ef l o w - l o o ps h o u l db ei nl i n ew i t ht h ea c t u a ls e r v i c ef o rt h ep r o d u c t i o n ， s ot h es u b j e c ti se s t a b l i s h e d i nt h i sp a p e r , 0 1 1t h eb a s i so ft h eb a o d if l o w - l o o p so p e r a t i o n a le x p e r i e n c e , t h e p r e p a r a t i o no fp r o c e d u r e sr i n gr o a d ，t h et r i a lo p e r a t i o na n dp r o j e c t sm e t h o da r e s u m m e du p ，p r o v i d i n gag u a r a n t e ef o rt h ef l o w - l o o p sv a r i o u sf u n c t i o n s c a r r y i n g o u t a f t e rm e a s u r i n gt h em i x t u r eo fd a q i n ga n dr u s s i ac r u d eo i lb yt h ef l o w - l o o p , t h e q u a n t i t a t i v ed i f f e r e n c eo ft h er h e o l o g i c a lp r o p e r t i e so fc r u d eo i l sm e a s u r e m e n t m e t h o d sb e t w e e ni n t e r i o r e q u i p m e n ta n df l o w - l o o pi sg o t ，p r o v i d i n gv a l u a b l e f i r s t h a n di n f o r m a t i o nf o rt h es t u d yo fn o n s t e a d y - s t a t eb e a tp i p ea n da l li m p o r t a n t r e f e r e n c ef o r t h ec o m p u t e rp r o g r a m sb u i l d i n g 、e x a m i n a t i o na n dr e n e w a tt h es a m e t i m e ，b a s e do nt h ee x p e r i m e n t ，t h et h e r m a la n dh y d r a u l i cc o n d i t i o n sa r ec a l c u l a t e d b a s e do nt h ei r o n - q i nl i n ep r o g r a mh e a to fc r u d eo i l ，w ec a ng e tt h a tt h eo u t b o u n d t e m p e r a t u r ec a nr e d u c e3 * c a n d4 i nw i n t e ra n ds u m m e r a f t e rt h ep i p e l i n ei s s t o p p e d2 4 h ，i tc a nb ea l s or e s t a r t e ds a f e l y k e yw o r d s ：f l o w - l o o p ，s t o pa n dr e s t a r t ，t h er h e o l o g i c a lp r o p e r t i e s ，t e m p e r a t u r e d r o p ，t h et h e r m a la n dh y d r a u l i c s a n a l y s i s 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作 所取得的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经 加以标注和致谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包 含本人或他人为获得中国石油大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中作 出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：丕这垄叠 日期知少年j 口月帅 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不 限于其印刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定 向国家有关部f - 1 ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学 位论文，允许学位论文被查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论 文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者 指导教师签名 日期：切9 p 年加月，占e t ， 日期：硼年月乙i i t 关于同意使用本人学位论文的授权书 中国科学技术信息研究所是国家科技部直属的综合性科技信息研究和服务 机构，是国家法定的学位论文收藏单位，肩负着为国家技术创新体系提供文献保 障的任务。从六十年代开始，中国科学技术信息研究所受国家教育部、国务院学 位办、国家科技部的委托，对全国博硕士学位论文、博士后研究工作报告进行 全面的收藏、加工及服务，迄今收藏的国内研究生博硕士论文已经达到1 0 0 多 万册。 学位论文是高等院校和科研院所科研水平的体现，是研究人员辛勤劳动成果 的结晶，也是社会和人类的共同知识财富。为更好的利用这一重要的信息资源， 为国家的教育和科研工作服务，在国家科技部的大力支持和越来越多的专家学者 提议下，中国科学技术信息研究所和北京万方数据股份有限公司承担并开发建设 了中国学位论文全文数据库的加工和服务任务，通过对学位论文全文进行数 字化加工处理，建成全国最大的学位论文全文数据库，并进行信息服务。 本人完全了解中国学位论文全文数据库开发建设目的和使用的相关情况， 本人学位论文为非保密论文，现授权中国科学技术信息研究所和北京万方数据股 份有限公司将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信息服 务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其他 媒体发表论文的权利。 论文题目：态废墨鱼呈逝愿油箍鲎王茎巫道这验婴究 毕业院校：虫国五油太堂( 垡壅2 毕业时间：2 q ! q 生! 旦1 3 旦 论文类型：博士论文 口 硕士论文 博士后研究报告 口 同等学力论文 0 口 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第一章绪论 1 1 概况 我国盛产含蜡原油和稠油。高含蜡原油的显著特点是凝点高，但是油温高时粘度并 不高。稠油的显著特点是凝点较低，但在较高的温度下粘度仍很高q 这些原油的特点给 原油的储存和运输带来很多问题，尽管采用加热输送和保温储存行之有效，但是需要耗 费昂贵的投资，并且运行费用也很高。原油在储存及管输过程中，经历了复杂的热历史 和剪切历史，原油流变性经历了复杂的变化。最关键的是加热输送管道及保温储罐一旦 发生意外停止运行，油温就会受环境温度的影响而下降，一旦温度降到安全运行温度以 下，即将给运行带来安全问题甚至是重大事故，所以研究原油的流变性对原油的储存及 运输很有必要。我国对含蜡原油管道的研究已开展多年，并取得众多有意义的成果。在 含蜡原油管输工艺的研究中，原油的流变性是基础，而含蜡原油管道停输再启动特性是 重要的研究内容。 停输再启动的成功与否取决于停输时间的长短、停输前后的温度场分布、原油的流 变特性、管道的结构以及管道的环境情况，涉及到非常复杂的水力和传热问题，包括管 内油品及管外介质的非稳态传热，以及非稳态、非牛顿流体的流动和传热耦合问题n 1 。 必须把这些复杂的因素统一考虑，才能得到准确的结果。多年来，国内外的许多研究人 员对含蜡易凝热油管道的停输再启动过程进行了深入的研究，目前，已形成了较为统一 的分析方法，对停输再启动过程的研究重点也有了一致的看法，但理论系统尚不完备， 验证过程还很匮乏。 1 2 含蜡原油触变性研究概述 理论上，再启动压力需要首先克服管内原油的屈服应力，才能驱动凝油流动。屈服 应力的大小取决于启输时管内原油的状态及其启输前后剪切历史和热历史的影响。管内 原油的状态又决定于停输及启输过程中原油一土壤温度场分布及热油的流动状态。因 此，水力分析的研究前提落在不同温度和剪切条件下的原油触变特性研究，以及管内原 油流动状态对温度分布的影响方面。 管线停输后，随着原油温度的逐渐降低，原油将会逐渐呈现出触变特性，剪切应力 不仅与剪切速率和温度有关，还与时间有关。目前，基于对原油内部粒子和结构的研究， 对触变性有了一定的认识，也提出了很多触变模型包括：结构参数模式、h o u s k a 模型盥3 、 直接数据回归模式、r - g 触变模式等。总之，含蜡原油经泵高速剪切进入长输管道后， 1 绪论 剪切率逐渐减小，结构动态恢复，因此，剪切应力越来越大，在靠近管道末端出的压力 梯度最大。管道输量增加时，剪切速率相应增加，管内原油的表观粘度沿线降低，降低 规律可用预剪后的裂降曲线表示。在停输后，由于含蜡原油的触变性，原油结构逐渐恢 复，可用触变特性的静态恢复曲线描述。随着温度的降低和原油流变特性的恶化，表观 粘度迅速增加，使管道再启动时的阻力大大增加。再启动时，暂且忽略原油的可压缩性， 管内原油在流动之前，经历相同的剪切速率，而管道末端原油经历的剪切时间为零，管 道入口处原油经历的剪切时间为 三 f = 一 口 式中，a 为压力波传播速度，三为管道长度。因此，管内原油沿管长的压力分布在管道 排出端的某一距离内其斜率最大，然后向施压端逐渐减小，而在施压端其斜率最小。 杨晓静口1 在论文中详细地介绍了各种触变模型，分析了静态和动态条件下剪切应力 地变化和含蜡原油结构的恢复性。用逐步二次规划算法回归了h o u s k a 模型、赵晓东触变 模型和陈宏健触变模型。比较后指出，赵晓东h 1 模型的回归效果最好，平方误差较小。 杨晓静对实际管线( 铁大线) 的剪切和热力作用进行了定量模拟。结果表明，原油的触 变性主要受降温速率的影响，在出站温度和地温相同的情况下，输量在一定范围内的变 化、重复升温和过泵高速剪切都对大庆原油触变性测量结果无明显影响。用赵晓东模型 回归不同物性的原油，可以看出，f ，。、f ，。、f ，：、k 、战、必都随温度下降而逐渐 增大，而，z 随温度下降逐渐减少，其余参数、m 2 、口l 、6 1 、如随温度变化的规律不 明显。 由于非牛顿流体同时具有触变性和粘弹性，含蜡原油也不例外，粘弹性的存在会使 管道的启动压力降低。因此，有研究者试图考虑粘弹性和触变性对原油的共同影响，描 述剪切应力的裂降过程。刘刚畸1 等人建立了适用于胶凝原油的粘弹一触变方程，但在回 归数据时，同样一个剪切下对应一组不同的参数，应用起来较繁琐。 以赵晓东模型为例，从回归过程和最后的结果来看，模型包含1 2 个参数，回归的 工作量很大啼1 。此后，应该重点研究如何将模型应用到实际管道中，或者从另一个角度 出发，寻求辅助模型，以更加全面的描述流变特性，使应用更方便。 1 3 停输后温降规律研究概述 描述管道停输后的温降过程也是计算再启动压力的重要部分。由于沿管道径向和轴 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 向的温度梯度不同，热油管道连同周围的土壤、大气等环境构成了一个异常复杂的温度 场。管内原油经常以多相存在，随着温度的降低和蜡晶的析出聚结，往往在靠近管壁处 形成厚度不等的凝油层。这时，管道中心附近的传热方式为自然对流换热，沿径向向外 为热传导，如果热油管道的热影响半径大于管道埋深，在靠近地表处也发生自然对流换 热。虽然，管道内自然对流与热传导之间并不是严格区分的，而是逐渐过渡的，但两相 各自的温度分布相差较大。目前，大多数文献引入一个“当量导热系数 入，将自然对 流处理为导热，但这样必将影响管内原油的温度分布。也就是说，应该确定一个自然对 流半径，以区分两相的不同。如何确定自然对流与导热区的边界成为停输温降计算的关 键。 一般来讲，埋地热油管道的停输温降过程是伴随着管内原油相变和多种传热方式的 三维不稳定过程。停输后管内原油向外散热，经过管道，保温层，土壤，大气，构成一 个完整的传热系统。埋地热油管道的停输过程可以分为两个阶段。第一阶段，管内油温 较地的冷却到略高于管外壁土壤温度，尤其是近壁处的油温下降较快。第二阶段，管内 存油和管外土壤作为一个整体缓慢的冷却。为了得到温降过程的数值解，研究人员写出 了很多数学模型。这些模型的物理意义基本相同。区别在于对整个过程的简化程度，初 始条件的设定和求解时采用的物理模型不同。由于温降过程严重依赖天气情况，土壤物 性及地质条件等诸多不确定因素，因此对于长距离热油管道，目前只能做到取各参数的 平均值，具体问题具体分析，以得到较为保守的结果口1 。再启动时，随着流量的增大， 热油管道内的原油传热方式又发生变化，自然对流变为强制对流换热，热流密度改变， 必然影响管道温度场，有可能加快原油的温降，导致再启动失败。因此，计算启动压力 时，要解决好水力、热力的耦合问题。 温降模型现有：赵晓东模型、邢晓凯暗3 模型、李长俊国1 模型、卢谢1 0 3 模型等。综合 上述模型，问题的焦点聚集在如何区分管内油流的自然对流导热和热传导。将自然对流 当成热传导处理必然影响液态原油的温度分布，产生误差。许康1 1 1 同样采用焓法方程， 但把原油的相变过程包含在内，等价于求解满足某种特定边界条件与初始条件的非线性 热传导问题，避免直接计算相变的移动边界问题，值得借鉴。 另外，管道内外温度分布的计算，严重依赖于各物性参数的取值，难以取到合理的 值，也影响着传热过程的计算。 3 绪论 1 4 停输管道的再启动压力计算概述 管道再启动时，原油的状态取决于停输时间、管道结构、原油物性和管道所处的 地理环境，以及热站的点炉方案。一般情况下，在各长输管道运行规程规定的允许停输 时间内，管内原油大部分没有胶凝，只是在管壁处有厚度不同的凝油层。只有在停输时 间很长，或者管道直径较小，可能出现管内原油完全胶凝的情况。分别对这两种情况的 管道加压，前者的流动先从管道中心的液态原油开始，逐渐冲刷剪切掉四周的凝油；后 者的流动只有当胶凝原油全线屈服时才能发生。如果压力足够大，压力波沿管道传播， 凝油的屈服面也向管道末端前进，同时，之前的凝油继续裂降，离屈服面越远，裂降时 间越长，压力梯度越小，因此，泵施加的启动压力大部分作用在后面管段的凝油上，也 就是大部分贡献在凝油的屈服阶段上。当屈服面到达管道末端时，末端的凝油先流动。 上述两种情况下，均需考虑原油的触变性、轴向和径向的温度分布以及原油经历的热历 史和剪切历史。再启动压力的计算取决于压力波传播速度，触变结构的裂降过程和启动 后原油的摩阻一流量关系。但两者的水力计算在具体的环节上，难点和计算过程不尽相 同。启动模型又分：刘天佑n 2 1 模型、李才1 模型、c h e n g n 钔模型、c a w k w e l l n 5 3 模型、赵 晓东模型等。 总之由于含蜡原油在低温下复杂的流变性，以及停输后复杂的温降规律，到目前为 止，很难找到一种模型准确的对热油管道的停输再启动过程进行完整描述。 1 5 该课题的目的和意义 对于原油流变性的研究，通常都是现场取样后，采用粘度计或流变仪，在室内测试 原油的流变参数。由于原油的流变性与其所经历的热历史和剪切历史密切相关，而将原 油取回实验室后，其所记忆的历史过程显然会受到破坏；同时，在测量仪器内原油的流 动方式也不同于现场管道现场管道内原油的流动为压力流，而粘度计和流变仪的测 试采用的是拖动流，由于以上等原因室内实验的测量数据往往与现场实际存在一定的差 别，尤其对于原油的低温流变性，这种差别更大。此外，含蜡原油管道的停输再启动在 这些仪器上更是无法模拟。为此，石油大学等尽管也建了小型环道来模拟管道的停输再 启动，但是一方面由于管径差别太大，再加上影响停输再启动的因素众多，其中一些因 素又具有一定的随机性和模糊性，因而所建立的停输再启动数学模型仍需要通过现场试 验的检验和修正。但受安全运行条件的限制，不可能在生产管道上开展大量的停输再启 动试验，这就造成了虽然目前停输再启动的研究成果很多，但真正用于解决生产管道实 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 际问题时都具有一定的局限性。为解决上述诸多问题，中国石油管道研究中心在秦京线 的宝坻泵站投资建设了储运工艺大型试验环道。试验环道的用油直接取自秦京线输油管 道，与室内仪器测量以及小型环道试验相比，该试验环道所取得的数据更贴近于生产实 际。同时，由于环道配置了高精度的测量仪表，因而利用环道可开展现场条件下的管输 工艺试验，从而为管输工艺技术难题的解决提供了重要技术手段。 另一方面，随着俄罗斯原油进口量的增加，东北管网混输俄罗斯原油的掺混比例不 断加大，这就使得东北管网管输原油的物性也有了很大的改变。由于对这种状况下东北 管网的热力运行工况还缺乏深入的研究，故目前东北管网管输的热力约束条件仍按原规 范执行，即最低进站温度仍控制在3 3 。由于俄罗斯原油的凝点不高于一5 ，远远低 于凝点为3 2 的大庆原油，预计2 0 0 7 年庆铁线的俄油掺入比例将达到5 0 ，故若能通 过研究寻找到混输时允许的降温幅度，则可节省大量的燃油费用 本课题鉴于上述两方面的需要，旨在完成对环道的运行调试以及各项功能特点的测 试，编制环道操作规程，同时，通过大型环道的原油流变性试验及停输再启动试验，对 东北管网原油输送的安全热力条件进行界定，从而为东北管网安全、经济地输送大庆原 油和俄罗斯原油提供技术支持。 1 6 课题研究内容 本课题研究内容包括： ( 1 ) 通过调研泵站的安全管理规定，形成宝坻试验环道安全管理规范。 ( 2 ) 通过标准的阅读，形成宝坻环道运行操作规程。 ( 3 ) 对宝坻试验环道进行调试及功能检验。 ( 4 ) 利用宝坻试验环道，开展秦京线管输原油管输特性的试验研究。 ( 5 ) 确定东北管网输送大庆原油与俄罗斯原油时的安全热力条件。 1 7 技术路线 ( 1 ) 为实现对环道各运行参数的适时调节，控制系统采用的是反馈式闭环控制模式。 ( 2 ) 为确保环道中各试验参数采集的准确性，环道中的所有仪表均采用当前最高精度 仪表。 ( 3 ) 为有效地指导管道的生产运行，不同的试验数据采用不同的处理方法。在利用环 道进行原油流变性试验时，将根据测量得到的原油温度、压力数据，通过数学回 归，得到原油的相关流变参数，并通过与室内实验数据进行比较，得到两者之间 5 绪论 的对应关系，使得水力计算与实际更为接近；在进行停输再启动试验时，通过对 于不同油温、不同启输流量下，环道启动压力的测量，掌握环道不同状况下的启 输情况，为现场生产管道的停输再启动的计算分析提供依据。 1 8 课题难点 ( 1 ) 试验时环道的控制系统能够对油流的温度及流量等参数进行适时、准确的调控， 且所采集到的试验数据应准确、可靠。 ( 2 ) 确定环道各功能试验的安全操作规程及不同功能试验的实施方法。 ( 3 ) 形成对于环道试验数据的分析、处理的方法，以使通过试验数据所获得的成果， 能够更好地指导生产管道的实际运行。 1 9 项目成果 ( 1 ) 形成了宝坻试验环道试验数据的处理及分析方法，制定了宝坻环道的安全运行操 作规范。 ( 2 ) 提交了东北管道大庆与俄罗斯油管输特性研究报告，为东北管道安全输送热力条 件的确定提供了依据。 6 中国石油大学( 华末) 工程硕士学位论文 第二章宝坻环道及其试验情况简介 2 1 滩环道鼍况 试验环道建于秦京输油气分公司所辖秦皇岛至北京输油管道的宝坻泵站，可直接从 宝坻进站引管输原油至环道，占地面积约8 0 0 0m 2 ，其建设规模为亚洲第一。环道包括 管径为d n l 5 0 m m 和d n 3 0 0 m m 的两种测量段，设计压力为2 5 m p a 。环道测量段均为 全模拟生产管道埋地敷设，其中d n l 5 0 测量管段长3 2 7 m ，d n 3 0 0 测量管段长3 3 4 m ， 两个测量管段，可分别独立地开展各项试验。 圈2 _ i 宝坻大型试验环遣示意图 i g i 9 2 - ls d h e a m l k e f l h e d i h k e x p m i m e a t l 0 0 p 第= 章宝坻环道其试验情r 简介 圉2 - 2 宝坻大型环遘试验系统 f i 9 2 - 2b a e d i h 嘻 柏山a 驴咖曲t s y - j t e m 环道具有四项基本试验功能，即管输原油流变特性动态测试、管输原油停输再启 动试验研究、输油管道温度场变化全模拟试验和含蜡原油结蜡规律试验研究。为实现上 述试验功能，在测量段的进出口及沿线的各处安装了多个高精度的压力和温度传感器。 此外，在环道周围的土壤中及环道内也布置有多点测温装置，因而可对环道运行及停输 再启动过程中的土壤温度场、管内原油温度分布进行测量。( 相关测量仪表的布置可参 见图2 - l 和图2 - 3 2 - 5 ) 田2 - 3 管道周围土壤中热电偶的布置 f i 9 2 - 3t h e d i s p l a c e m e n to f t h e r m o c o u p k s m t h es o i la l o u d t h e p i p e l i n e 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 图2 - 4 矽1 5 0 m m 环道内测温点的布置 图2 - 5 3 0 0 m m 环道内测温点的布置 f i 9 2 4 t h ed i s p l a c e m e n to ft e m p e r a t u r e 肼g z 一5t h ed i s p l a c e m e n to ft e m p e r a t u r e m e a s u r e dp o i n t so fd i a m e t e r 矽1 5 0 m ml o o pm e a s u r e dp o i n t so fd m m e t e r3 0 0 m m l o o p 2 2 环道的试验情况 宝坻环道分两次从秦京输油管道直接引入大庆与俄罗斯原油。针对第1 批油样，主 要进行了环道控制系统及相关设备的运行调试、环道的功能测试( 即原油管输粘温特性 及停输再启动初步试验) 。通过试运，针对环道运行中的问题，探讨了解决方案，初步 形成了粘温特性测试以及停输再启动试验研究的分析方法。针对第2 批油样，依据积累 的环道运行操作经验，重点开展了大庆与俄罗斯原油粘温关系测试及停输再启动特性试 验。通过两批油样停输再启动试验，对于原油管道启输过程中的压力变化规律以及不同 温度下压力波的传递速度进行了分析和测定，同时对于大庆与俄罗斯原油的屈服值进行 了核算。此外，在室内利用流变仪针对两批油样开展了原油粘温关系测量，并与环道的 测试数据进行了比较，从而确定了室内测量数据与环道测试数据之间的差别。 9 第三章大庆与俄罗斯混油粘温关系的测定 第三章大庆与俄罗斯混油粘温关系的测定 通过改变环道中原油的运行温度和流量，根据环道测量段进出口处安装的压差传感 器，可对大庆与俄罗斯原油的粘温关系进行测试。同时，为了便于将环道测试数据与室 内流变仪测量数据进行比较，针对前后两次试验所引入矽1 5 0 m m 环道的原油，在环道 测量段进口的取样阀处进行了现场取样，并带回实验室采用流变仪分别对油样的粘温关 系进行了测量。 3 1 原油粘温关系的环道测试数据 ( 1 ) 第1 批油样的粘温关系 第1 批大庆与俄罗斯原油的混油，现场测试的凝点为3 2 。第1 批油样的粘温测试 数据见表3 1 。 表3 1不同温度下原油粘度的环道测试数据( m p a 由 t a b l e 3 - 1d a t ao fv i s c o s i t yo f t h ec r u d eo i li nt h el o o pa td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s ( m p a s ) 剪速( s 1 ) 剪切速率( s - 1 ) 油温( ) 7 5 l1 21 4 91 7 2 3 88 7 18 3 68 2 38 1 2 3 5 5 9 1 58 6 78 4 68 3 o ( 2 ) 第2 批油样的粘温关系 第2 批大庆与俄罗斯原油的混油，室内测试的凝点为2 9 5 。第2 批油样的粘温测 试数据见表3 2 表3 - 2 不同温度下原油粘度的环道测试数据( m p u ) t a b l e 3 - 2d a t ao f v i s c o s i t yo ft h ec r u d eo i li nt h el o o pa td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s ( m p a s ) 剪速( s - 1 ) 剪切速率( s 1 ) 油温( )5 67 58 41 0 l1 2 8 3 66 1 25 9 25 8 95 8 25 7 7 3 46 4 86 2 46 0 15 9 25 8 3 3 37 8 67 2 56 5 46 1 。25 9 4 3 2 9 7 28 9 28 1 97 5 26 7 2 3 2 原油牯温关系的室内测试数据 参照s y t0 5 2 0 9 3 原油粘度测定旋转粘度计平衡法和s t t 7 5 4 9 1 0 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 - 2 0 0 0 原油粘温曲线的确定旋转粘度计法，利用流变仪，对取自环道的油样进行 了室内测量和试验数据的处理。两批油样分别进行5 0 预热处理后，恒温3 0 m i n 后以 0 5 。c m i n 的降温速率动冷( 尹= 2 0 s 一) 至测量温度，并恒温1 5 m i n 后测量其粘度，测 量结果见表3 3 3 4 ，粘温曲线见图3 1 3 2 。 表3 - 3 第1 批油样不同温度下粘度测量结果( m p a s ) t a b l e 3 - 3d a t ao fv i s c o s i t yo f t h ef i r s to i ls a m p l ea td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s ( m p a s ) 剪速( s 1 ) 剪切速率s 1 油温( )1 53 05 08 01 1 01 4 01 7 0 4 52 1 7 4 2 2 3 4 4 03 0 9 3 85 0 24 7 14 54 3 54 2 64 24 1 5 3 69 5 88 2 27 3 76 7 36 3 3 6 0 75 8 7 3 42 0 41 5 61 3 01 1 21 0 29 4 68 9 7 3 32 8 12 0 81 6 81 4 21 2 71 1 71 l o 3 23 9 62 8 32 2 31 8 4 1 6 31 4 91 4 0 3 07 6 74 9 93 7 72 9 62 4 82 2 22 0 3 2 81 0 7 06 7 94 9 93 8 63 1 42 7 32 4 6 击 q 暑 倒 篥 2 02 53 03 54 04 55 0 温度， 1 s 1 s 1 s 1 s l s 图3 - l第l 批油样粘温关系曲线 f i 9 3 - 1 c u r v eo fv i s c o s i t y - t e m p e r a t u r er e l a t i o n s h i po f t h ef i r s to i ls a m p l e o o o o o o o 加 印 如 加 第三章大庆与俄罗斯混油粘温关系的测定 表3 4 第2 批油样不同温度下粘度测量结果( m p a s ) t a b l e 3 - 4d a t ao fv i s c o s i t yo ft h es e c o n do i ls a m p l ea td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s ( m p a s ) 剪速( s 1 ) 剪切速率s d 油温( )1 02 03 05 08 01 1 0 4 51 7 5 4 21 9 8 4 02 3 2 3 82 8 82 8 22 8 12 7 82 7 42 7 3 3 6 4 74 3 34 2 94 1 23 9 73 8 8 3 46 1 95 5 15 34 9 64 6 6 4 4 7 3 31 4 41 2 11 1 09 6 68 5 27 8 1 3 2 2 1 51 7 41 5 31 2 91 1 09 8 9 3 05 6 63 8 03 0 52 3 71 9 1 1 6 5 2 89 9 86 1 74 7 63 6 02 8 52 4 0 2 61 4 3 08 5 96 5 0 4 8 13 6 93 0 7 1 6 0 0 1 4 0 0 1 2 0 0 ：1 0 0 0 a 曼8 0 0 趟 囊6 0 0 4 0 0 2 0 0 0 s s s s s 1 s 2 02 53 03 54 04 55 0 温度， 图3 - 2第2 批油样粘温关系曲线 f i 9 3 - 2 c u r v eo fv i s c o s i t y - t e m p e r a t u r er e l a t i o n s h i po f t h es e c o n do i ls a m p l e 3 3 环道测量数据与室内流变仪测量数据的比较 表3 - 5 环道与室内流变仪粘温关系的测量数据比较 t a b l e 3 - 5 c o m p a r i s o no ft e s td a t ai nr h e o m e t e ra n do nt h el o o p 环道测试5 6s d 下表 室内测试5 6s 1 下表 环道与室内测 环道与室内测量数据 油温( )量数据的偏差 观粘度( m p a s ) 观粘度( m p a s )的相对偏差( ) ( m p a s ) 3 6 6 1 24 0 92 0 34 9 6 3 46 4 84 91 5 83 2 2 3 37 8 69 4 31 5 7 1 6 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 表3 - 5 环道与室内流变仪粘温关系的测量数据比较( 续) t a b l e 3 - 5 c o m p a r i s o no ft e s td a t ai nr h e o m e t c ra n do nt h el o o p ( t ob ec o n t i n u e d ) 环道测试5 6s 1 下表室内测试5 6s 1 下表 环道与室内测 环道与室内测量数据 油温( )量数据的偏差 观粘度( m p a s )观粘度( m p a s )的相对偏差( ) ( m p a s ) 3 29 7 21 2 5 22 82 2 4 由3 5 表中的数据对比可以看出，在呈现牛顿流体特征的温度范围内，原油粘度的 环道测试值要大于室内流变仪的测量值，而在呈现非牛顿流体特征的温度范围，则情况 恰好相反。对于其它各组数据的对比也大致显示了相同的规律性。在上述测量计算中， 由于受测量条件的限制，对于环道中弯头等局部摩阻只能采用估算的方法；另外目前根 据环道压降对湍流状态下非牛顿流体的表观粘度也难以进行准确计算，故若要获得更为 准确的测算数据，还有待于开展进一步的工作。为此，在试验装置方面，需要在环道直 管段以及弯头等处加装测压传感器，以便对于环道局部摩阻进行更准确的测量；在试验 研究方面，要结合环道的具体情况，开展湍流状态下流体粘温关系定量确定方法的研究。 1 3 第四章大庆俄罗斯混油停输再启动的环道试验研究 第四章大庆俄罗斯混油停输再启动的环道试验研究 宝坻大型环道的建立，为研究生产管道停输再启动问题提供了有效的试验手段。 停输再启动是与管道输送安全密切相关的问题，启输压力是决定管道是否安全启动的关 键指标。为了对停输再启动进行全面的分析，应从停输后的温降过程以及启输过程中的 压力变化等两方面进行考察。 利用宝坻环道矽1 5 0 m m 的测量段，针对第l 批油样，先后进行了9 次停输再启动。 其中，最长的停输时间1 2 h 2 0 m i n ，启输时管内油温最低达到了3 1 8 。针对第2 批油 样，开展了3 6 次的停输再启动试验。其中，最长的停输时间4 8 h 1 4 m i n ，启输时管内油 温最低达到了2 7 7 。 4 1 停输后温降过程的研究 对于停输过程中温降的研究是确定安全停输时间的关键。停输后管内油温的变化与 停输前管内油温及管道周围土壤温度场的分布密切相关。在试验中，分别对不同油温条 件下停输后的管内油温和土壤温度的变化进行了试验测定。 4 1 1 停输后管内油温变化分析 参照调度报表，东北管网原油温度的沿线分布多在4 6 3 3 之间。针对这一温度 区间，利用环道分别对不同油温下的停输温降过程进行了测试。下面列出了在地温为 2 0 的条件下，当管内油温为4 2 5 、3 7 5 。c 和3 4 5 时，停输后管内油温的变化过程。 4 4 4 2 4 0 鼍3 8 翼3 6 盖3 4 3 2 3 0 2 8 o1 02 03 04 05 0 停输时间。h 图4 - l4 2 5 1 2 油温下停输后管内油温变化 f i 9 4 - 1o i lt e m p e r a t u r ec h a n g ei np i p e l i n ea to i lt e m p e r a t u r e4 2 5 1 2a f t e rs h u t d o w n 从图4 1 可以看出，当管内平均油温为4 2 5 。c 停输时，管道中部的温度最高，管道 1 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 上壁面处油温最低，但管道内不同位置处油温的差别并不大，如管道中心处的油温仅比 上壁面处的油温高o 2 。随着停输时间的增加，管道内不同位置处油温的差别逐渐增 大，当停输时间达到1 0 h ，管道中心处油温与管道上壁面的油温达到最大，其差别为 1 0 。随着停输时间的延长，管道内不同位置处的油温又逐渐趋于一致。当停输4 6 2 h 后，管内平均油温由4 2 5 下降到了2 8 9 ，降幅达到了1 3 6 。 p 囊 舞 024681 01 21 41 6 停输时间。h 图4 - 23 7 5 2 2 油温下停输后管内油温变化 f i 9 4 - 2o i lt e m p e r a t u r ec h a n g ei np i p e l i n ea to i lt e m p e r a t u r e3 7 5 2 2a f t e rs h u t d o w n 图4 2 为当环道内原油的以3 7 5 。c 温度运行时，停输1 5 6 h 后管内原油温度随停输 时间的变化。图4 2 与图4 1 反映出了同样的趋势。同时，由图4 2 可以看出，停输1 5 6 h 后，管内平均油温由停输前的3 7 5 。c 降到了2 9 7 。c ，其降幅达到了7 8 。c 。 3 5 3 4 p3 3 赠 是3 2 翟 蛔3 1 3 0 2 9 o2468l o1 2 停输时间，h 图4 - 33 4 5 油温下停输后管内油温变化 f i 9 4 - 3 o i lt e m p e r a t u r ec h a n g ei np i p e l i n ea to i lt e m p e r a t u r e3 4 5 2 2a f t e rs h u t d o w n 1 5 第四章大庆俄罗斯混油停输再启动的环道试验研究 由图4 3 可以看出，在停输前管道不同位置处油温的差别不大，但停输后由于传 热方式的变化，管道内各处的油温差别逐渐增大。停输1 0 2 h 后，管中心处的油温由 3 4 5 下降到了3 0 3 ，降幅达到了4 2 。 4 1 2 停输后管外土壤温度场变化分析 一管顶外壁面处土壤温度 o1 0 温度 温度 温度 温度 温度 2 03 04 05 0 停输时间，h 图4 44 2 5 1 2 油温下停输后土壤温度的变化 f i 9 4 - 4t e m p e r a t u r ec h a n g eo f s o i la to i lt e m p e r a t u r e4 2 5 0a f t e rs h u t d o w n 由图4 4 可以看出，停输前管顶外壁面处的土壤温度为4 1 1 ，比管内的平均油温 低了1 4 。在停输的初始阶段，管顶外壁面处土壤的温度迅速下降，如在停输的前1 0 h 中。管道外壁面处土壤的温度下降了6 4 。而停输后，由于土壤的热容量很大，其温 度变化具有一定的滞后性，故从图4 4 中可以看出，对于距管顶o 1 m 处的土壤测量点， 在停输1 5 h 内，温度基本保持不变。而对于距管顶0 3 m 处的土壤测点，则在停输约5 h 后，温度才会逐渐下降。同时，从图4 4 中还可以看出，在停输3 0 h 后，距管顶0 3 m 处的土壤温度仅下降1 1 ，而距管顶0 6 m 处的土壤温度基本未变化。由此可见，对于 矽1 5 0 m m 的管道，停输引起的土壤温度的热力影响范围在0 6 m 以内。此外，气温的变 化也会对土壤温度场产生影响。由图4 - 4 可以看出，距管顶1 8 m 处( 距地表约0 4 m ) 的土壤温度在4 8 h 的停输期间会发生波动，而距管顶1 5 m 处的土壤温度则基本不变， 这表明受气温日变化影响的区域仅在地表至深度大约0 4 m 的范围内。 1 6 眈们 鹃弘弘就 i ；勰；| 号 p稿君爨 左右。 舯幽过磊 蠹一订 第四章大庆俄罗新混油停输再启动的环道试验研咒 处的土壤温度下降了l3 。而距管道o3 m 处的土壤温度，在停输过程中基本不变，由 此可以看出，停输影响区域为0 3 m 的范围以内。 由上面的分析可知，停输对于管道周围土壤温度的热力影响范围在03 06 m 以内。 此外，由图4 4 可以看出气温的变化会对土壤温度场产生影响，距管顶l s m 处( 距 地表约o 4 m ) 的土壤温度在4 6 2 h 的停输期间会发生波动，而距管顶1 s m 处的土壤温 度则基本不变，这表明受气温日变化影响的区域仅在地表至深度0 a m 的范围内。 4 13 停输温降的影响因素分析 管道与其周围土壤以及大气环境形成了一个统一的热力系统。原油管道的停输温降 与气候条件、土壤的物性参数和管内油温等密切相关。在环道的停输试验中，重点对于 停输前管内原油的运行温度以及不同地温( 也即不同季节) 条件对于停输温降的影响进 行了分析。 ( 1 ) 停输前不同运行温度的影响 停输前的运行温度，也即停输时的初始温度场，对于停输后的温降过程有着显著的 影响。停输前管道的运行温