西部原油管道冷热交替输送技术研究.pdf

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1、第 3 7卷第 4期 石油工程建设 5 9 邱姝娟 ，张进军2 ，张 强 ，庞贵 良1 ，卢可义 3 ( 1 中国石油西部管道分公司，新疆乌鲁木齐8 3 0 0 1 2 ；2 中国石油大学 ( 北京) ，北京1 0 2 2 4 9 3 中国石油天然气管道局第二工程分公司，江苏徐州2 2 1 0 0 0 ) 摘 要 ：在对管道冷热油交替输送技 术一般性规律研究的基础上 提 出了鄯兰管道冷热油交替顺序 输送方案并付诸 实施 ， 2 0 0 8年底在长达 7 4 9 k m的鄯善一玉 门管段上成功进行 了4种原油共 4 0批次 的冷热交替顺序输送现场工业性试验 ，同时在 2 0 0 9年底在鄯善一

2、兰州管段近 1 7 0 0 k m的长距 离管道 上实现 3种物性波动较 大原油的冷热交替顺序输送。文章介绍 了冷热交替顺序输送的物理数学模型， 应用编制的计算软件进行计算 ，并将各站的最低油温计算值与实验值进行对比，验证 了水力热力计 算软件的准确、可靠性。冷热交替输送运行的实践和经验可为其他原油长输管道提供借鉴。 关键词：冷热交替；顺序输送 ：原油管道 ：数 学模型 中图分类 号 ：T E 8 3 2 文 献标 识码 ：A 文章编号 ：1 0 0 1 2 2 0 6 ( 2 0 1 1 )0 4 0 0 5 9 0 4 0 引言 西部原油管道是国家西油东送 的重点工程 ，是 联系中石油西部

3、地区主要油 田、炼厂及 中哈原油管 道的大动脉 ，与中哈管道共同组成西油东送的战略 大通道。它包括乌鲁木齐一鄯善支干线( 以下简称 乌鄯支干线 )和鄯善一兰州干线( 以下简称鄯兰干 线 ) ，以及吐哈进油支线和玉门分输支线。它西起 新疆 维吾 尔 自治区乌鲁木齐市 ，东至甘肃 省兰州 市 线路总长约 1 8 5 8 k m，是 目前国内运距最长的 原油管道。 鄯 兰 干 线 管 道 全 长 1 5 4 1 2 0 2 k m，设 计 压 力 8 0 MP a ，设计输量为 2 0 0 0万 t a 。全线设 鄯善首 站 1 座 ，兰 州 末 站 1座 ， 四堡 、翠 岭 、河 西 、瓜 州 、

4、玉门、张掖、山丹、西靖 、新堡中间泵站各 1 座，站场全部与西部成品油管道站场合建 。鄯善首 站与库尔勒一鄯善管道 ( 以下简称库鄯线 )末站合 建 ，与库鄯线、乌鄯支干线和吐哈进油支线 3条管 道相连 ，分别接收塔里木油 田原油 ( 以下简称塔里 木油) 、北疆油田原油( 以下简称北疆油) 、中哈管 道进 口原油 ( 以下简称哈国油 )和吐哈油 田原油 ( 以下简称 吐哈油) 。管道按加热 加剂输送工艺设 计 ，各站均设有加热炉 ，其 中鄯善 、河西 、玉门和 山丹具备加剂综合热处理能力并均设有降凝剂加注 系统。塔里木油可全年实行常温输送 ，而北疆油 、 吐哈油及哈 国油在每年 1 1月份到

5、次年 5月份 ，需 采用加热或加剂改性热处理输送工艺 ，其他季节采 用常温输送工艺。 2 0 0 7年 8月 西 部 原 油 管 道 投 产后 ，首 个 冬 季 运行时为试运加热炉 ，对塔里木油、塔里木一北疆 混合油 、吐哈油和哈国油采用 了顺序加热输送方 式。显然 把 占输量比例 6 07 0的塔里木油、 塔里木一北疆混合油两种管输原油加热 到与吐哈 油 、哈国油相同的温度出站并非必需 ，且消耗大量 的燃料。对于出站温度不同的冷热油交替输送 ，则 需研究复杂的非稳态流动与传热问题 ，只能采用数 值方法求解。 1 冷热原 油 交替顺 序输 送技 术研 究 原油冷热交替顺序输送 ，实质是按照需要

6、以不 同温度顺序输送不同物性的原油 ，原油处于周期性 更替变化 中，且各种原油的出站温度及物性有较大 差异 ，冷热交替顺序输送期间土壤蓄热量 、管内原 油运行参数 、站场参数也始终处于复杂的交变过程 中 ，并且非稳态的热力与水力状态还相互影响 ，即 所谓 “ 耦合 ” l 1 】 。因此 ，如何掌握与控制管道 的非 稳态热力 、水力参数 ，是该技术的重点和难点。为 此 ，建立正确的管内油流流动 、传热与管外土壤导 ￥ ￥ 羊 ￥ ￥ ( 石油工程建设 热的耦合关系，是进行数值模拟 的基础。 1 1 冷热交替顺序输送管道物理数学模 型 1 1 1模 型 简化 冷热原油交替顺序输送 的埋地管道的热

7、力计算 非常复杂 。为便于数学模型的建立与求解 在数学 模型 的建立过程中做 了以下简化 ，以减小计算量 ， 提高求解速度 2 1 。 ( 1 )认为管内原油 的温度在同一截面上是均匀 的 ，即管 内原油温度只是时间和管轴向的函数。 ( 2 )将管道周 围各 向异性的土壤介质简化为各 向同性的均匀介质 。 ( 3 )热力计算时不考虑冷热油交界面处的导热 和混 油段 。 ( 4 )忽略轴向温降，将三维不稳定传热问题简 化为二维不稳定传热问题。结蜡层 、钢管壁 、防腐 层和土壤 中的导热实际上是三维问题 ( 径 向、周 向 和轴 向) ，但 由于沿管道轴 向的温度梯度与径 向温 度梯度比起来要小得

8、多，所 以可 以忽略轴 向的热传 递 ，将三维导热问题简化为二维 问题。 ( 5 )热油管道的热力影响区设为 1 0 i n 。 通过数值方法求解土壤温度场时 ，首先要确定 计算的区域和边界条件 。西部原油管道与成品油管 道并行敷设 ，管道 间距 1 2 m，因此选取 图 1所示 求解区域 ，其 中 l 1 0m，y d 1 0m。 恒 温层 图 l 求解 区域 示意 1 1 2 数 学模型及求解 根据 以上分析及对求解 区域 的处理方案 ，建立 普遍适用于冷热原油交替输送过程 的传 热数学模 型 ( 1 )油流的换热方程 ： 一( + 2 7 3 1 5 ) ( ) 一 ：一盟 ( 1 )

9、pD 、 式中 原油的比热容 ( J ( k g ) ) ； r_一 原 油 温度 ： 时间 s ： 油流速 度 ( m s ) ： p 油压 k P a ； A 达西摩阻系数 ： D 管道的内径 m： 口 原油在单位管壁面积上单位时 问的散 热量 ( J ( S m 。 ) ) ； p 油 密度 ( k g m ) 。 ( 2 )结蜡层 、管壁和防腐层 的传热方程 ： 鲁= 鲁 ( ) + 嘉 (A l ) , =1 ，2 ， ，N ( 2 ) 式 中p ， 第 , 层( 结蜡层 、管壁 、防腐层等 ) 的密 度 ； 第 F , 层 的比热容； 第 , 层的温度 ； A 第 n层 的导热系数

10、 ； r 。 极 坐标 。 ( 3 )土壤导热方程： =去 (A ) + 专 (A 一 ) ( 3 ) 式中p 土壤密度 ； C 5_土壤比热容 ； 一土壤温度 ； A 土壤导热系数 ； ，r直角坐标。 对 于 土壤 区域 采 用 D E L A U N A Y 三角 化 方 法 ， 将 其划 分成 许多 个互 不重 叠 的三角 形 网格 。同 时合 理选择管道热力影响区边界条件 ，在极坐标下将油 流方程离散 。在直角坐标下将土壤导热方程在三角 形 网格上离散 ，利用有限差分法 ，对管流非稳态热 力一水力耦合方程进行离散求解。采用高效 计算语 言 F O R T R AN编程 ，得到西部原油管

11、道冷热交替输 送模拟软件 ，利用该软件计算 出管道沿线油品和油 温分布 、各站进站油温 、沿程摩阻及进站压力变化 情况。 1 2 原油冷热交替顺序输送规律研究 原油 的冷热交替输送是一个较强 的非稳态过 程 ，土壤温度场的周期性变化 、压降周期性变化是 冷热油交替输送非稳态传热的结果【 - 6 1 。 T 上 第 3 7卷第 4期 邱姝娟等 ：西部原油管道冷热交替输送技术研究 6 l 当冷油进入管道后 ，管内的油流将从土壤 中不 断吸收热量 ，而当热油到达时 ，管内油流将向土壤 散热。油流吸热和放热过程使得土壤温度场随时间 呈现出降低和升高交替变化的规律。土壤温度场 的 变化 导致其蓄热量也发

12、生周期性变化。热油来时 蓄热量逐渐增加 ，冷油来时蓄热量逐渐减小。 图 2给出了在一个周期变化 中蓄热量最大和最 小时 ，单位质量土壤蓄热量( 定义为 c ( 一 ， 为土壤温度 ， 为土壤 自然地温)的等值线 图。 从图中可以看出 ，管道周 围的蓄热量变化非常大 ， 且不管是蓄热量最大时刻还是最小时刻 ，都表现出 距离管道越远 ，蓄热量明显减小的趋势。 d m ( a )最小土壤蓄热量 粕 m ( b )最大土壤蓄热量 图 2 距离 出站 口3 2k m 处单位质量土壤蓄热量分布 另外 ，管道输送热油时 ，由于土壤温度场不断 蓄热 ，热油的散热量逐渐减小 ，管道内原油黏度的 降低 。沿程摩阻

13、呈现明显的不断减小趋势。相反管 道输送冷油时 ，不断从土壤温度场吸热 ，土壤的加 热能力逐渐减弱 因而管道内原油黏度增加 。沿程 摩阻不断增加 ，从较小沿程摩阻过渡到较大沿程摩 阻的那些点反映了在管道中高凝油顶挤低凝油界面 的推进过程 ；从较大沿程摩阻过渡到较小沿程摩 阻 的那些点反映了在管道 中低凝油顶挤高凝油界面的 推进过程 。较大沿程摩阻段随时间下降曲线 出现 了 明显跳跃现象。这是由于水力计算过程 中流态分区 使摩阻系数不连续造成的。 2原油 冷热 交替顺 序 输送技 术 现场 实践 西部原油管道 自2 0 0 7年 7月投产至 2 0 0 8年 1 2 月期间 ，顺 序输 送塔里木原

14、油 、塔里木北疆 混合 油、哈国油和吐哈油。2 0 0 8 年年底 ，受金融危机影 响，鄯兰原油管道冬季面临着低输量运行考验。为 进 一步增强管道运行的适应性和灵 活性 ，2 0 0 8年 1 2月 2 0日采用 了塔里木 、北疆和哈国原油掺混输 送 ，三种原油混合后凝点不高于 4 ，物性 较好 。 在汲取 2 0 0 7 、2 0 0 8年冬季运行经验 的基础上 ，提 出了 2 0 0 9年至 2 0 1 0年冬季运行方案，即在 1 1 、1 2 和 4月 ，塔里木 、哈国、北疆混合油与加剂吐哈油 冷热交替输送；在 1至 3 月 ，塔里木 、哈国、北疆 混合油加热输送，吐哈油加剂热处理输送。

15、 为进一步验证冷热交替输送软件的准确性 ，以 2 0 0 9年 l 2月塔里木油 、哈国油 、北疆混合油与加 剂吐哈油冷热交替顺序输送为例 ，将软件计算的最 低进站油温与实际油温进行对 比 ( 见表 1 ) 。可 以 看出，最大偏差为 2，软件模拟计算值与实测值 吻合较好 ，验证 了西部原油管道冷热交替输送软件 计算的可靠性。需要指明的是 ，玉门至兰州段各站 的最低进站油温值已考虑该段频繁停输影响 因此 在玉 门进站处最低进站油温 比吐哈油凝点高 3 以 上 ，玉 门至兰州段各站最低进站油温值 比塔里木 油、哈国油、北疆混合油凝点高 3以上 ，均可以 满足管道运行的热力安全性要求 。 3结束

16、语 2 0 0 9年 1 1至 1 2月 ，西部原油管道干线实现 了塔里木油 、哈 国油 、北疆混合油与吐哈油冷热 交替顺序输送 ，仅 鄯善站 2 0 0 9年 1 2月与去年 同 期相 比节省燃油约 6 4 8 t ，折合人 民币约 2 5 9万元 O37O O36O37O 37O O 36O360 36O 642l 36O 360 1111976421 6 2 石油工程建设 麓 丁 慧 ( 胜利油田胜利勘察设计研究院有限公司，山东东营2 5 7 0 2 6 ) 摘 要 ：文章重点介绍 了含 聚采 出水纯物理处理技 术 高梯度聚结气浮技术的提 出及研 究方向 并有针对性地进行 了高梯度( 旋

17、流)聚结、高梯度聚结气浮的研究 ，开发 了 “ 材料聚结+ 旋流聚结+ 溶 气 气浮 ” 的 纯 物 理 工 艺技 术 ，研 制 的 高梯 度 聚 结 气浮 一 体 化 除 油设 备 、 高效 微 气泡 溶 气装 置 和 管式溶气释放 器成功应用于 1万 m3 d的采出水处理工程 中，在不投加任何 处理药剂、来水含聚合物 6 0 m g L 、含油高度乳化、粒径 06 m的油珠 占9 8 、含 油5 0 0 mg L的条件 下，出水含油保持在 5 0 mg L以下 ，达 到 回注水 混凝 沉 降进 水 含 油指标 ，且 不产 生 老化 油 污泥量 少。 关键词 ：含聚污水；纯物理工艺；高梯度聚

18、结；高梯度聚结气浮 中图分类号 ：T E 3 5 7 6 1 文献标识码 ：A 文章编号：1 0 0 1 2 2 0 6 ( 2 0 1 1 )0 4 0 0 6 2 0 5 0 引言 随着胜利油 田进入开发后期 。 “ 三次”采油手 段不断丰富 、规模不断扩大 ，在开发水平持续提高 的同时 ，含聚采出水回注处理已成为地面工程建设 的技术瓶颈之一。 胜利油 田目前含聚采 出水量 占总水量的 4 6 含聚采出水站来水含油量最高达到 6 0 0 0 m g L ，聚 合物质量浓度最高达 1 8 0 m g L 。含聚采出水很难靠 传统常规工艺处理达到 回注指标。这主要是因为含 表 1 2 0 0

19、9年 1 2月混合油与加剂吐哈油冷热交替输送 最低进站油温对 比 站场 四堡 翠岭 河西 瓜州 玉 门 模拟 计算 1 4 O 1 2 2 1 1 7 1 1 8 l 1 5 温度， 实测值 1 6 0 1 4 1 1 3 _ 3 1 2 0 1 1 O 偏差 2 O 1 9 1 6 0 _ 2 一 0 5 站场 张掖 山丹 西靖 新堡 兰州 模拟计算 8 7 8 8 7 5 7 - 8 9 9 温度 实测值 9 0 8 9 8 6 8 O 9 7 偏差 0 - 3 0 1 1 1 0 - 2 0 2 ( 原油价格 按 4 0 0 0元 t 算 ) 。这是 国 内首 次在近 1 7 0 0 k

20、 m的长距 离管道上 实现物性波动较大 的多 种原油 的冷热交替顺序输送 ，也是世界上实现冷热 油交替输送 的最长管道。其冷热交替输送运行的实 践和经验可为其他原油长输管道提供借鉴 。 聚采 出水 中含大量 的聚合物 和石油磺 酸盐等驱油 剂 ，使其乳化性质与水驱采 出水有本质的不 同，如 油珠表面 电位高 、油水界面膜强度大 、油珠旱现 W O和 O W 多重乳化 和不规则多边形结构 这 特性最终导致油水分散体 系稳 定 、分散相粒径细 小 ，阻碍 了油水的 自然分离 。 近年来为解决含聚采出水的达标 回注问题 ，胜 利油田采用了化学气浮工艺 ，水质达标的同时 ，却 因为在水 中投人大量的阳

21、离子型除油剂和无机盐混 一+“ +- +- 。 一- +一 +- +- - 一 +一 +-+* ” 。 + 一- +一 +一 + 参考文献 ： 1 崔秀 国 冷热油交替输送管道非稳态水力一热力耦 合问题分析及 应用【 D】 北京 ： 中国石油大学， 2 0 0 5 【 2 】 王凯 原油 管道差温顺 序输送 工艺数值 研究 D 北 京 ： 驾 油 大学 2 0 0 9 【 3 】夏庆春 鲁宁线原油顺序输送技术研究 D 北 京： 中国石油大学 ， 2 0 0 6 4 范海成 冷热油交替输送研究 D 北京 ： 中国石油大学 ， 2 0 0 5 5 】史 秀敏 热油管 道顺 序输送工艺计 算方法初探 D1 北 京 ： 中阏石 油大学 ， 1 9 9 2 6 鹿广辉 冷热原油交替输送非稳态传 热的研究【 D】 北京 ： 中 彳 油大学 ， 2 0 0 5 作 者简介 ：邱姝 娟( 1 9 7 6 一 ) ，女 ，河北 承德人 ，工程 师 ， 2 0 0 0年 毕业于西 南石 油学院油 气储运 专业 ，现从 事输油生 产管理工作。 收稿 日期 ：2 0 1 0 1 0 2 2 羊 羊 ￥ ) + 苴拿