低输量输油管道的清蜡周期研究重点

1、第23卷第3期抚顺石油学院学报Vol. 23No. 3 2003年9月JOURNAL OF FUSHUN PETROL EUM INSTITU TE Sep. 2003文章编号：1005-3883(2003 03-0046-04低输量输油管道的清蜡周期研究江国业1, 张文信2, 周诗岽1, 吴 明13, 王平3,田艺兵3, 王红霞3, 邵英武3(1.辽宁石油化工大学机械工程学院，辽宁抚顺113001; 2.抚顺市质量技术监督 局，辽宁抚顺113006;31东北输油管理局调度中心，辽宁沈阳110031摘要：由于东北管网输量逐年下降，管道的热损失，尤其是清蜡结束后一 段时间内的热损失相当严重，这已

2、成为管道运行中的一个突出问题。按原有的清 蜡工艺对管道进行清蜡已经不能满足管道运行的经济性要求。根据结蜡厚度对输油成本的影响和东北管网的蜡沉积规律，建立了适合低输量含蜡原油管道的清蜡周 期模型。提出对 于低输量含蜡原油管道需要先确定给定流量下的经济余蜡厚度，再用传统方法计算清蜡周期。用数值方法对模型进行求解。结果表明，对于低输 量含蜡原油管道，每次清蜡时保留一定的余蜡厚度是合理的；与传统方法相比，在 经济余蜡厚度基础上确定的清蜡周期能更好地满足实际需要。关键词：清蜡周期；输油成本； 结蜡；低输量中图分类号:TE832. 2文献标识码:APiggi ng Period Study for Oil

3、 Pipeli ne With Low Through -putJ IAN G Guo -ye 1, ZHAN G Wen -xin 2, ZHOU Shi -do ng 1, WU Mi ng 13, WANG Ping 3,TIAN Y i -bing 3,WAN G Hong -xia 3,SHAO Y ing -wu 3(1. School of Mechanical Engineering , L iaoning U niversity of Pet roleum &Chemical Tech no logy ,L iaoning Fushun 113001, Chi na ; 2.

4、 Fushun Quality and Qua ntity Tech no logy B ureau , L iaoning Fush un 113006, China ; 3. Northeast Oil T ran sportati on M an ageme nt B ureau Scheduli ng Cen ter , L iao ning S hen ya ng 110031, Chi naAbstract :Because the throughput of Northeast China pipeli ne n etworks isbeco ming lower , heat

5、loss of pipeli nes is severe , especially just after paraffi n removal. This is a serious problem in pipeli ne operati on. The in dige nous paraffi n removal process can t meet economical need. According to the effect calxvdeposition thickness on oil trans portation cost and the paraffin deposit law

6、 of Northeast China pipeline networks , a piggi ng period model was established to meet with the low throu ghput pipeli ne that trans ports waxy crude oil. It was presented , for the low throughput pipeline , that the optimal residuary paraffi n deposit thick ness should be determ ined first , the n

7、 the pigg ing period calculated by the conven ti onal means. The model can be solved b y some nu merical techniques. The results show that for a waxy crude oil pipeline with low through -put , retai ning some residuary paraffi n deposit thick ness after each paraffi n removal is reas on able ; com p

8、ared to the conven tio nal means , the piggi ng period based on optimal residuary paraffi n deposit thick ness can meet the practice well.K ey w ords :Pigging period ; Oil trans portation cost ; Paraffin deposit ; Lowthrough -put3To whom corres pondence should be addressed.含蜡原油管道在经过一段时间运行之后，会有收稿日期：2

9、002-11-27作者简介：江国业（1977-,男，辽宁省东港市，在读硕士。基金项目：中油集团 公司资助项目（200210234。3通讯联系人。蜡沉积到管壁上。结蜡层对输油成本1和输量影响很大，当 结蜡层达到一定量时，必须进行清管，以减少管道的运行费用或者增加管道的输 量。通常清蜡时都要把结蜡层刮净，这在管道满输量运行时是 必要的；可当管道 输量较低时，油流的热损失很大，尤其是管道刚清完蜡的一段时间内，没有了蜡层的保温作用2,油流的热损失 相当严重，如果每次清蜡时还把结蜡层刮净是不经济的。近年来，东北管网的输量呈下降趋势3,4,针对这种情况，生产中提出采用浮 动清蜡输油工艺5进行清蜡，每次清蜡

10、时保留一定量的结蜡。这与传统的清蜡工 艺有很大的不同，有必要对管道清蜡周期 的计算方法进行研究，以满足新的清蜡工 艺的要求。文献6-8给出了几种传统的清蜡周期计算方法。文献6,8根据t天内电费和燃油费总额与一 次清蜡的费用之和，求出t天内的输油成本，得到输油成 本与时间t的函数。从经济方面考虑，最小输油成本对应的时间就是清蜡周期。 文献7根据t天内各天输油成本增加值（与刚清完蜡相比 的累加值和进行1次清 蜡的费用之和，求出输油成本。根据实测数据回归出管内径与时间的关系式，建立 各天输油成本公式。通过求出的这个输油成本最小值得到清蜡周期。文献7只 考虑结蜡厚度对动力费用的影响，没有考虑结蜡厚度对

11、热力费用的影响。文献6- 8认为对输油管道实施清管操作时，要把管道中的所有结蜡一清到底，清完蜡以后 管道中不 存在余蜡层。本文根据东北管网输量下降的情况和结蜡厚度 对输油成本的影响1,提出对 东北管网实施清管操作时，清管器并不把结蜡层全部清掉，而是保留一定的余蜡 层，以降低输送油品的单位能耗，并建立适合 东北管网新型清管技术的清蜡周期模 型。1低输量下的清蜡周期模型 管道输油成本S由泵机组的动力费用S P、加 热炉的燃料费用S R和清管费用S C三部分组成6,8,而习惯上输油成本是指将1t 原油输送1km的平均成本(即吨千米成本。这样，各项输油成本可描述如下：S =S P +S R +S C

12、(1 S P =0. 002732He d /( n pe l R (2 S R =C y (T R -T Z e y /(I R n R B H (3S C =e eg /(G d t C 其中4,加热站间所需压 头H 1等于站间摩阻H f和站间高差 z之和，即H =H f + z (结蜡t C天管道的结蜡厚度S可由下式表示S =0. 024W t C / p L (6通过对东北管网蜡沉积规律的研究发现，其蜡沉积速率W可用下式来描述W =57. 6626 T W-0. 452022(d r0. 234993?片0. 502484(d T1.81086(7其它相关公式可参考文献1。图1给出了各

13、项输油成本与结蜡时间的关系示意图。曲线上任意时间T对应 的值是指清蜡后T天内的吨千米输油成本o在管道输送过程中随着结蜡时间的增加，结蜡厚度增大。结蜡层有保温作用 随着结蜡厚度的增 加，热损失逐渐减少，热力费用不断降低；同时，结蜡层缩小了 管道的流通面积，摩阻损失逐渐增大，动力费用不断增加。在给定清管费用的情况 下,结蜡时间越长，输油量越大，吨千米清管费用就越少。输油成本S是3种输 油成本之和,从图中可以看出S -TC曲线有个最小值S min。文献6-8认为，当输油成本S达到最小值S min时就需要清蜡。只要将这时 的结蜡厚度值S3弋入（6式就可以确定清蜡周期。但是低输量下两 次清蜡的时间 间隔

14、较长，随着结蜡层的增厚，蜡沉积速率是不断变化的，很难用一个确定值来表 达。显然这时用(6式确定清蜡周期是不合适的；在低输量下，每次清蜡时将蜡层 从S厚清到S厚(T时的结蜡厚度,本文称之为余蜡厚度 更为合理。这个余蜡 厚度对壁面剪切应力、管道总传热系数和温度梯度 的值都有影响，因此这些变量 需要在余蜡厚度的基础上进行计算。为了研究余蜡厚度的影响以及考虑余蜡厚度的清蜡周期的确定，将时间和管长离散成若干个微元。如果给定时间步长tS和管道微元长度L S ,根据计算时间段的长度 T和管道的全长L A ,就可以求出时间 微元数N T = t /t S管段微元数 N L =L A /L S。根据式(1 (7

15、 ,可得t天内输油成本S ( 的计算表达式。S ( T=刀NTi =1 刀 NLj =1n pe l R+(n R B H l R +(8t不同,S （的值也不同。当输油成本S （达到 全局最小时，其对应的时间T即为清蜡周期。在低输量情况下，经济结蜡厚度S3口沿程摩阻会很大，计算时必须保证管道 局部结蜡S j不能超过临界安全结蜡厚度S S即发生管堵的结蜡层临界 厚度，以防 止发生凝管事故；管道需要的扬程H pipe不能超过泵站的最高允许出站压力H pump ,即要满 足如下两个约束条件S ij SS（9 刀NLj =1H ij H pump i 给定（10在输油成本没达到最小之前，式（9和（1

16、0中只要有一个条件不满足就认为需要清蜡。2 求解方法为了研究低输量下清蜡周期和余蜡厚度对输油成本的影响，采用逐步搜索法9分两阶段求解本模型。预先设定流量、最大时间微元数N M和最大余蜡厚度Y M。从零开始为余 蜡厚度值丫 K取值,每取一个值都计算清蜡后N T t S时间内的输油成本；N T从 零到N M等间隔地取值，比较不同N T值下的输油成本，就可以求出该余蜡厚度下的一个清蜡周 期；依次等间隔地增加余蜡厚度，计算相应的清蜡周期，直到余蜡厚度达到丫 M或者满足式(9、(10的结束条件为止。比较不 同余蜡厚度下清蜡周期内的输油成本，就可求出该流量下的经济余蜡厚度和与 之对应的清蜡周期。3 算例及

17、结果分析取铁抚线铁岭一柴家堡段进行计算。该管段长22km , 720mm 8mm管道,外敷10mm的防腐 层。20C时该原油的密度为851.24kg/m 3, 土壤、防腐层和石蜡的导热系数分别为1.2、0. 17和0. 12W/(m ? C ,取用电0. 5元/(kW ? h ,燃料油1900元/t ,泵机组和加热炉的效率取为 85%和90%,最高允许出站压力3. 648MPa , 燃料热值为41900kJ /kg。铁岭输油站油品进站温度为33C ,柴家堡加热站油品进站温度为37C ,管道埋深处地温2C，该管段内每次清蜡费用 1000元。原油物性根据 大庆原油来选取。研究日输量分别为2. 5

18、104、3 104、 3. 5 104、4 104和5 104t时的余蜡厚度和清蜡周期。通过计算，结果见图2和表1。图2给出了日输量为3 104t时清蜡周期内输 油成本与余蜡厚度的关系。从图 中可以直观地看 出，在给定输量下，输油成本是余蜡厚度的单谷函 数，也就是说， 不但每次清蜡时保留一定量的余蜡厚度是合理的，而且这个余蜡厚度还有个最优值（称之为经济余蜡厚度，当日输 量为3 X04t时，这个最优值是31mm。因此计算清蜡周期之前首先要计 算出该输 量下的经济余蜡厚度。表1列出了不同输量下经济余蜡厚度和清蜡周期等参数的值。表1不同输量下清蜡工艺的有关参数输量为0-4/（t ? d -1经济余蜡

19、厚度/mm输油成本为04/（元? t -1? km -1清蜡厚度/mm清蜡周期/d 50250. 9564. 3791348237. 86218. 899313. 519233. 53129. 86632331230. 8542. 858362.546230. 54558. 82840. 5从表中看出，随着输量降低，经济余蜡厚度增大,输油成本减小，清蜡周期增加。符号说明C结蜡时间,d ;S 含蜡原油管道t (天内的单位输油成本,元/(t ? km ;S P、S R t天内泵机组的单位动力费用和加热炉的单位燃料费用,元/(tkm ;S C t (天内的单位清管费用,元/(t ? km ;e d

20、电力价格,元/(kW ? h ;npe、n R 泵机组和加热炉的效率；l R 相邻两加热站间距,km ;C y 原油的比热容，kJ /(kg ? C ;T R、T Z 加热站的出站和进站温度,C ;e y 燃料油价格,元/t ;B H 燃料油热值,kJ /kg ;e eg 一次清蜡费用,元；H f 沿程摩阻,m ;G d 日均输油量，t/d ; Z 管道两端高差,m ;W 蜡沉积速率，g/(m 2? h ;管道的结蜡厚度，m ;PL蜡的密度,kg/m 3;TW管道壁面剪切应力,Pa ;d T /d r 管道的径向温度梯度,C /mm ;卩一原油的动力粘度,mPa ? s ;d C /d T 蜡

21、在原油中的浓度相对于温度的变化率，10-3/C ;S ( t 天内的平均输油成本,元/(t ? km ;TR ij、T Z ij 第i时间微元第j管段的首端和 末端油温,C ;H ij 第i时间微元第j管段的压降，m ;C y ij 第i时间微元第j管段原油的比热容,kJ /(kg ? C ;t S 时间步长,d ;L S 管道微元长度,km ;L A 管道的全长,km。参考文献1 WAN G Pi ng （王平,J IAN G Guo -ye （江国业,TIAN Y i -bi ng （田艺兵, WAN G Hong -xia （王红霞，SHAO Y ing -wu （邵英武，WU Ming

22、 （吴明.The effect of wax deposition thickness on oil trans portation cost結蜡厚度对输油成本的影响 J.Journal of petrochemical un iversities 石油化工高等学校学报，2002, 15（1 :47-50.2 CHU Lia ng -ya n （楚良言.Discussi on on pigg ing period for oil pipeli ne between Xiongyue -Fu country对熊岳-复县泵站 管道清管周期的探讨J.Oil &gas storage and tran

23、 sportation 油气储运，1983, 2（5 :50-53.3 ZHAN G Fan （张帆，G AO Ting -yu （高庭禹.The ways and measures to improve the econo mic ben efit to no rtheast Chi na oil pipeli ne n etworks 提高东北管网经 济效益的思考J.Oil &gas storage and trans portation 油气储运,2000, 19（2 :1-4.4 WAN Xin -qiang （万新强 丄 IU Y an -ping （刘艳平.Problem analysis on the low throughput in Tieling -Dalian oil pipeline （铁大输油管道低输量问题的分析 J.Oil & gas storage and tran sportation 油气储运，2002, 21（8 :46-48.5 ZHAO Shu -hui （赵书辉 丄 IU J