甬沪宁输油管道顺序输送混油量的分析

于占民

中国石油化工股份有限公司管道储运分公司 运销处 （江苏 徐州 221008）

甬沪宁输油管道顺序输送混油量的分析

于占民

中国石油化工股份有限公司管道储运分公司 运销处 （江苏 徐州 221008）

分析了输油管道顺序输送时，两种不同油品在接触界面处产生混油的原因和影响混油量的主要因素，以及确定混油界面的主要方法。并对甬沪宁输油管道顺序输送混油界面处的混油量进行了分析，提出在管道顺序输送全过程中减少混油量的具体措施。

输油管道 顺序输送 混油量分析

甬沪宁线输油概况

甬沪宁输油管道于 2004年建成投用,管径Ф762～Ф508mm，全长 666km，设计年输油能力为4 700万t。全线设有7座大型油库和输油站，即：大榭岛油库、册子岛油库、岙山油库、岚山输油站、白沙湾输油站、长兴输油站、石埠桥输油站。甬沪宁线是我国目前口径大，距离长，连接油库、码头和炼化企业最多的原油长输管道，管线运行方式主要是分段密闭输送、顺序输送多种油品至各炼化企业，采用常温密闭顺序输送工艺。船运进口原油来自世界不同的国家，油品种类达40余种，管线向镇海石化、上海石化、高桥石化、金陵石化、扬子石化等炼油厂输送进口原油，并承担给镇海国家原油储备库存储进出周转原油任务，同时也承担着向长江沿线各炼化企业输转进口原油的任务。

近年来，随着国内成品油消耗量的大幅度增加、炼化企业原油加工能力的不断提高和原油长输管道的迅速发展，越来越多的炼化企业由原来的仅对有限的国内原油的加工转变为开始大幅增加进口原油的加工。由于进口原油产地广、品种多，油品之间物理性质差别很大，炼化企业为了提高产品质量和加工效益，会选择合适的原油品种或根据某一批次原油的品质制定相应的加工方案。这样，就要求管输过程中通过顺序输送将不同品种的原油分供给炼化企业。

在一条管道内，按照一定批量和次序，连续不断的输送不同种类油品的输送方法称为顺序输送 （或交替输送）。

在顺序输送的管道内，两种不同油品在接触界面处相互混合，从而产生一段混油。这段混油不符合原先纯净油品的质量指标，造成一定的混油损失。因此，必须了解顺序输送过程中的混油规律和混油量的计算，才能进一步采取有效措施，以减少混油所造成的损失。

顺序输送混油量产生的原因

甬沪宁管线沿途炼厂对油品的需求不同，主要按油品含硫量划分批次输送，高桥石化主要以加工高硫原油为主，金陵石化、扬子石化以加工低硫原油为主。在管线的顺序输送过程中，当两种油品交替时，在接触区会形成一段混油，顺序输送时产生的混油量，不仅取决于两种油品的物理化学性质，而且与交替过程中油品流动状态、输送顺序等因素有关。

顺序输送时，管道中两种油品的接触界面处会发生液体分子的互相扩散，同时液体质点沿管道内壁面的移动速度比中心部分慢，后面的油品呈楔形进入前面的油品中。管道中混油形成的主要原因是管道横截面沿径向流速分布不均匀，使后行油品呈楔形进入前行的油品中，同时由于管内流体沿管道径向和轴向的紊流扩散作用也造成了混油现象的进一步扩大。紊流扩散破坏了楔形油头的分布，使两种油品继续混合。

在正常的原油顺序输送条件下所形成的混油通常是干线输油管道容积的0.5%～1%。

影响混油量的主要因素

1 流态对混油量的影响

层流流动时，管中心液体的流速比平均流速大一倍，后一种油品会钻入前一种油品形成楔形油头。由于油品的比重差，这种楔形油头可能偏离管中心。同时，在两种油品的接触界面上，由于分子的扩散运动，两种油品继续混合，直至界面临近区域内浓度趋于均匀。因此，在层流流态下，管道截面上流速分布的不均匀是造成混油的主要原因。这种混油量大的惊人，可能达到管道总容积的若干倍。

紊流流动时，紊流核心部分中流体的最大局部流速随雷诺数的增大而接近于液流的平均流速。由于激烈的紊流扰动，在混油段的任一截面上油品浓度较为均匀，观察不到楔形油头的存在。在层流边层内，则与层流流态相似，液层间的流速不同是造成混油的主要原因。有实验表明，随雷诺数的增加，相对混油量（混油量与管道总容积之比）开始很快地下降，当雷诺数超过某一数值时，相对混油量几乎不随雷诺数而改变。可以认为，当雷诺数超过某一数值时，层流边层的厚度极薄，紊流核心部分已基本上占有整个管路截面。这时紊流速度场内局部流速的不均匀、紊流脉动以及在浓差推动下沿管长方向的分子扩散是造成混油的主要原因。

由于在层流状态时，两种油品在管道内交替所形成的混油量比紊流时大的多，同时雷诺数在2.3× 103～12×103范围内，流态由层流转变为紊流，流动不够稳定，且管截面上液体质点的局部流速差异较大，因而顺序输送管道一般均在Re＞12×103的紊流范围内运行。

2 输送次序对混油量的影响

由于顺序输送的周期性，油品在管内的排列次序也发生周期性的变化。在操作条件完全相同的情况下，输送次序不同，产生的混油量亦不同。一般规律为：油品交替时，黏度小的油品顶黏度大的油品产生的混油量大于交替次序相反时的混油量。这是因为在相同的输送条件下，黏度大的油品在管壁上附着的油层厚，而黏度小的油品在管壁上附着的油层薄，当黏度小的油品在黏度大的后面输送时，附在管壁上的黏度大的油品不断被洗刷下来，从而增大了混油量。因此，要减少混油段长度，应尽量安排黏度大的油品顶黏度小的油品进行顺序输送。

3 首站初始混油量的影响

在输油首站开始两种油品切换时，首先开启后行油品（B油）油罐的阀门，在B油油罐阀门开启过程中，逐渐关闭前行油品储罐的阀门，实现输油批量的交替。在油罐切换的短暂时间内，A、B两种油品同时进入首站泵的吸入管道，形成所谓的初始混油。初始混油量的大小取决于切换油罐的速度、首站泵吸入管道的布置和首站的排量。在管道首站产生的初始混油对短距离管道的影响是很大的，而对长距离管道的影响是不明显的。因此，初始混油会使管道终点的混油量有所增加，为了减少总的混油量，采取措施减少初始混油对短距离管道有效，但对长距离管道效果较小。

4 中间泵站对混油量的影响

顺序输送过程中，混油段每经过一个中间泵站或中间分输站，混油长度就有所增加。中间站场产生混油的原因主要有以下几点：

（1）站内分支管道较多，支管到阀门之间的存油不断地与进站油品掺合，使混油量增加。

（2）站内管道阀件、管件多，造成局部扰动，加剧混油过程。

（3）混油段通过中间泵站时，泵内叶轮地剧烈剪切也会加强混油过程，增加混油量。

5 停输对混油量的影响

在油品输送过程中，管道的事故工况或计划内的维修工作都会造成管道的临时停输。停输时，管内液体的紊流脉动消失了，被输送液体之间的的密度差成为产生混油的主要因素。在密度差的作用下，混油段横截面上的油品会在垂直方向上产生运移。较轻的油品向上运动，较重的油品向下运动。如果停输时混油段正在高差大的山坡地段且密度大的油品正处在高处时，在密度差的作用下，混油量会有较大的增加。

混油界面的确定

顺序输送时应当有可靠的监控手段，以便跟踪混油段经过管道的某些规定地点并测量油品沿混油段长度的浓度分布，从而指导顺序输送的运行、终点混油的切割和处理等。

1 利用在线密度仪检测混油段密度的变化

当相邻两种油品密度差异较大时，在由输量计算混油界面的基础上，通过密度检测进一步确定混油界面。在计算的混油界面到达切割点前的几个小时，开始通过在线密度仪对管线来油密度进行重点监视。根据检测的实际密度，对比前后两种油品的密度，算出浓度变化，确定混油界面。当相邻两种原油密度差别较小时，可以在两种油品之间加入一段密度有明显差异的第3种油品来进行密度检测。

2 利用超声波界面检测仪测量混油段浓度的变化

声波在不同油品中的传播速度各不相同，超声波界面检测仪就是利用这一原理，连续测量并记录超声波通过输油管的时间，来区分管内油流的品种和混油浓度。实践表明：声波经2D距离所需的声时值与油品性质、管路的温度和压力有关，而与管内油品的流速无关。

油品的声时值随温度的升高而急剧增加。同时，低温时两种油品的声时差小，而高温时则声时差大。随管路工作温度增高，仪表的分辨能力将有所提高。油品的声时值随管路工作压力的增大而减小，但与温度对声时的影响相比要小得多。

检测仪在顺序输送管路上应用时，应先在化验室做出所输油品的温度、压力与声时的关系曲线，在曲线上求得所输单一油品在测点处管路温度和压力下的声时值，然后根据检测仪记录纸上声时值随时间的变化，可换算为混油浓度和混油长度的关系，以判断管内混油段的通过情况，从而检测出管内某一瞬时的混油分界面。

3 利用记号型界面检测系统确定混油界面

该方法是把作为记号的物质（荧光染料、化学惰性气体等）溶解在与管内油品特性相近的有机溶剂中，在管道起点油品的初始接触区注入少量的记号物质。在顺序输送过程中，记号物质随油流运动，且沿轴向扩散，在管道沿线检测油品中记号物质的浓度分布，即可确定混油段和混油界面。使用记号的物质应能与接触的油品很好地混合，并能使用仪器测定其在油品中的浓度。这种方法具有方便、可靠的特点，记号物质一般不会滞后，且与油品物性指标无关的特点。但使用时应注意记号物质对油品可能造成的污染。

（1）荧光记号法。作为记号物质的荧光剂，能吸收可见的紫外光波，并将紫外光波转变为可见光波反射出来。反射的荧光强度与油品中荧光剂的浓度成正比。通过连续检测管内流动油品荧光强度的变化，即可检测混油界面。

（2）气体记号法。该方法是把化学惰性的、无毒气体注入管内油品界面之间作为记号物质。在管道沿线使用色谱仪自动采样分析示踪气体的浓度分布，从而检测混油界面。

4 根据管线输量计算混油界面的位置

当混油界面从首站输出后，记录出站时间和外输油罐的液位（或者出站流量计的读数）。要计算某一时间混油界面所到达的位置时，可以算出这一时间首站的累计外输量，再除以管线的当量管容，从而计算出混油界面在管线中的位置。还可以根据管线油流的平均速度推算出混油界面到达某一泵站的时间。这种方法简单易行，但是混油界面的实际位置与计算值误差较大，按这种方法切割混油头准确度不高。

顺序输送混油界面处混油数量的计算[1]

目前，顺序输送混油量的计算主要采用Austin-Palfrey公式。该公式是由生产实践总结出来的，不考虑输送次序对混油的影响，把前行油品浓度为99%～1%的两界面间的距离定义为混油段的长度。

混油的运动黏度υ由以下经验公式计算：

式中Re— 混油段雷诺数；

Rel—临界雷诺数；

C—混油段长度，m；

d—管道内直径，m；

L—管道长度，m；

e—自然对数的底，e=2.718；

Q—流量，m3/s；

υ—混油段运动黏度，m2/s；

υA—前行油品在输送温度下的运动黏度，m2/s；

υB—后行油品在输送温度下的运动黏度，m2/s；

μ—油品动力黏度，Pa·s；

ρ—油品密度，kg/m3。

当甬沪宁线长兴-石埠桥段(Φ762×8.7mm)顺序输送的油品为沙特轻质油与阿曼油时，通过计算可得出甬沪宁线该段顺序输送时的临界雷诺数为Rel=10.45×104，则上述混油量的计算公式可在图1上表示出来。

图1表明，在甬沪宁线顺序输送过程中，雷诺数Re是影响混油量的主要因素，它对混油长度的影响大致有两个不同的区域：当Re＞10.45×104时，混油长度随雷诺数Re的降低而缓慢增长，而当Re＜10.45×104时，混油长度随雷诺数Re的降低而急剧增加。因此为减少混油量，该管段顺序输送时最好在大于临界雷诺数10.45×104的工况下运行。

减少顺序输送过程中混油量的措施

（1）合理安排输油次序，先输黏度小的油品，后输黏度大的油品。

（2）相邻两种油品物理性质要接近，容重差要小。

（3）尽量提高管线输油量，特别是在两种油品交替时。尽量使油品处于紊流状态下即大于临界雷诺数的工况下运行。

（4）尽量减少停泵。顺序输送的管道，当混油界面在管道中输送时，停泵次数越多，造成的混油越多。必须停输时，应选择好停泵时机，尽量使混油段处于比较平坦的地段上。若必须在混油界面处于较大坡度的地段时停泵，则应使密度小的油品在上，密度大的油品在下。

（5）在两种油品的界面处投放隔离球或隔离塞，避免油品间的直接接触。

（6）在正常输油生产允许的情况下，将首站罐区容积合理分配给各种油品，分别储存不同的油品。首站目前使用的储油罐均为浮顶油罐，为保护油罐浮顶不因应力变化产生损坏，油罐运行规程中要求浮顶支柱不宜落至罐底，这样罐内原来的油品无法抽尽，总是留有2.0m以上的存油，当下次进油品种变化时，罐内必然出现大量混油。为减少混油量，进油时应将油品物性相同或相近的进口原油储存在同一个油罐中。

（7）在进行混油头切割时，要做到准确、快速。最好采用先进的设备和系统，根据油品界面检测仪进行混油头的自动切割，大大降低混油头的切割时间，从而减少顺序输送中的混油量。

[1]杨筱蘅.输油管道设计与管理[M].东营:中国石油大学出版社,2006.

The analysis focuses on the causes of mixed oil produced at the contact interface of two different oil products,the main factors influencing the amount of mixed oil,and main methods of determining the interface of mixed oil during the batch transportation of the oil pipelines.Meanwhile,the paper analyzes the amount of mixed oil at the contact interface of mixed oil during the batch transportation of Yong-Hu-Ning oil pipelines.And then some measures are put forward so as to reduce the amount of mixed oil in the course of batch transportation of oil pipelines.

oil pipeline;batch transportation;analysis on the amount of mixed oil

于占民(1962-)，男，工程师，主要从事输油调度运行管理工作。

2010-05-21