含蜡原油管道安全经济清管周期模型的建立与计算分析＊

田 震 敬加强 靳文博 赵红艳 王雷振

（西南石油大学油气消防四川省重点实验室 四川成都 610500）

含蜡原油管道安全经济清管周期模型的建立与计算分析＊

田 震 敬加强 靳文博 赵红艳 王雷振

（西南石油大学油气消防四川省重点实验室 四川成都 610500）

在满足安全运行的基础上，以动力费用、热力费用及清管费用的总和为目标函数，建立了含蜡原油管道安全经济清管周期模型。基于中宁—银川输油管道清管后的运行数据，分析了不同进站温度、输量和余蜡厚度对管道安全经济清管周期的影响，结果表明：进站温度的升高会使管道运行日平均费用增加和清管周期延长，输量的增加会使管道运行日平均费用降低和清管周期缩短；进站温度为16、18℃时预留的余蜡厚度为0.4～0.6 mm，进站温度为14℃时可以不预留余蜡厚度；不同进站温度及输量下余蜡厚度对清管周期的影响规律基本一致，即清管周期均是随着余蜡厚度的增加而逐渐缩短，且进站温度改变时余蜡厚度对清管周期影响的变化较显著。

含蜡原油管道；清管周期；安全经济；计算模型；影响因素

对于凝固点高、粘度大、流动性差的含蜡原油，一般采用加热输送工艺，但是这种输送工艺普遍存在输油能耗高、输量变化范围小及停输再启动困难等缺点。这是因为，含蜡原油在加热输送过程中会在管壁处形成蜡沉积层，使得管道的流通截面减小、摩阻增大、输送能力降低，增大了管道输送的安全隐患［1－3］。当蜡沉积增长到一定程度后，如果保持输量基本不变，则管道的动力消耗将增加，总传热系数将减小。为了恢复管道的输送能力，降低含蜡原油加热输送的单位能耗，就必须在管道运行一段时间后进行清管，因此确定安全经济的清管周期就显得尤为重要。

国内对于含蜡原油管道清管周期的确定至今尚无统一的标准规范，实际操作中有时根据管道压降变化来确定，但此种方法常会造成管道运行热力或动力的浪费［4－5］。管道清蜡后，摩阻损失减少，动力消耗降低，但总传热系数增加，从而导致输送单位油品的热力消耗增加。因此，在确定管道清管周期时，管道的热力费用和动力费用存在一个最优的组合，综合考虑清管过程中的总能量消耗是确定清管周期的关键。基于这一原则，许多学者对管道的清管周期进行了探讨［6－13］，有些学者认为在管道清管过程中可以不将结蜡层彻底清掉，而是保留一部分的结蜡层（余蜡厚度），利用管道结蜡层的保温作用来减少管道的散热，进而降低管道的热力消耗。由此可见，在清管过程中预留一定的结蜡厚度有利于管道的安全经济运行，但目前专门针对余蜡厚度对清管周期影响的研究成果较少，一些学者讨论了预留一定蜡沉积层后输油费用的变化规律，但并没有就余蜡厚度这一关键因素对清管周期的影响进行具体分析［14－17］。

本文利用理论计算和实际运行数据相结合的方法，以输送一定量的原油所需热力费用、动力费用为目标函数，通过建立清管周期模型，探讨了实际管道热力费用和动力费用随运行天数的变化规律，确定了实际管道的安全经济清管周期，并着重讨论了余蜡厚度对安全经济清管周期的影响。这些研究结果对于管道清管方案的制定及降低输油成本均具有一定的借鉴作用。

1 模型的建立

清管周期的确定除了考虑管道运行的经济性外，还应兼顾输油管道的安全性。在欧美，当管道中蜡沉积层厚度达到2～3 mm时就须进行清管操作［1819］。俄罗斯清管技术标准规定：应根据输油管道实际情况和油品物性确定清管周期，且每季度不少于1次；当管道输送能力下降3%及以上时，应进行紧急清管［4］。对于我国含蜡原油输送管道而言，其沉积的蜡层厚度很容易达到2～3 mm。本文借鉴俄罗斯的清管标准，以输量下降3%作为确定管道清管周期的安全极限。

含蜡原油管道运行总费用为动力费用、热力费用以及清管费用的总和。管道的动力消耗增长与燃料消耗减小存在着一个优化问题，在保证管道安全输送的前提下，找到管道运行日平均费用最低时的周期即为安全经济清管周期。所建立的清管周期模型如下。

1）热力费用。热力费用即原油出站时加热炉为原油加热所消耗的燃料费用，计算公式为

式（1）中：SR为热力费用，元/d；G为质量流量，kg/s；cy为油品比热容，kJ/（kg·℃）；TC为出站温度，℃；TZ为进站温度，℃；ey为燃料油价格，元/t；q为燃料油热值，kJ/kg；ηR为加热炉效率。

2）动力费用。动力费用即原油出站时输油泵为原油加压所消耗的电费，计算公式为

式（2）中：SP为动力费用，元/d；ρ为油品密度，kg/m3；g为重力加速度，取9.81 m/s2；V为体积流量，m3/h；H为压头损失，m；ed为电力价格，元/（kW·h）；ηb为泵组合效率；ηd为电机效率。

由于清管费用SC与当地的市场价格有关（文中参照当年的市场价格取5 000元/次），则管道运行t天后的日平均费用为

式（3）中：S为日平均费用，元/d；t为管道运行时间，d；SC为清管费用，元。

除了满足以上经济方面的条件外，还应该满足以下安全约束条件，即式（4）中：pZ为进站压力，MPa；pmin为最低进站压力，MPa；pC为出站压力，MPa；pmax为最高出站压力，MPa；Tmin为最低进站温度，℃；Tmax为最高出站温度，℃；Q为输量，m3/h；ΔQ为输量降低幅度。

在满足上述安全约束的前提下，该清管模型是以热力费用、动力费用及清管费用的总和为目标函数，通过分别计算管道运行t天后的日平均费用，找出日平均费用最低时的周期即为管道的安全经济清管周期。

2 实例计算分析

2.1 管道沿线蜡沉积厚度分布规律预测

为了计算管道的安全经济清管周期，须先了解管道沿线蜡沉积厚度分布规律，国内外学者对此已进行大量的研究［20－24］。本文采用黄启玉普适性结蜡模型［24］进行现场蜡沉积厚度预测，其计算公式为

式（5）中：W为蜡沉积速率，g/（m2·h）；τW为管壁处剪切应力，Pa；μ为原油动力粘度，为管壁处蜡晶溶解度系数，10－3/℃；为管壁温度梯度，℃/mm。

利用该模型，结合中宁—银川输油管道（以下简称中银线）实际数据［24－25］，选择石空—大坝站间2004年1—4月份刚清管后的运行参数进行计算。石空—大坝站间距为58 km，管径为273 mm，平均壁厚为7 mm，所输原油凝点为4℃。为了便于分析，给出了石空—大坝站间工艺参数，如表1所示。基于该模型，计算得出了石空—大坝站间不同时间沿线蜡沉积厚度分布规律（图1、2），从而为清管周期的计算奠定基础。

表1 中银线石空—大坝站间工艺参数Table 1 Process parameters between Shikong and Daba stations of Zhongning－Yinchuan pipeline

图1 中银线石空—大坝站间输油管2004年第1次清管后沿线蜡沉积厚度变化规律Fig.1 Variation of wax deposition thickness between Shikong and Daba stations of Zhongning－Yinchuan pipeline after the first pigging in 2004

图2 中银线石空—大坝站间输油管2004年第2、3次清管后沿线蜡沉积厚度变化规律Fig.2 Variation of wax deposition thickness between Shikong and Daba stations of Zhongning－Yinchuan pipeline after the second and third piggings in 2004

2.2 进站温度及输量对安全经济清管周期的影响

要计算不同运行条件下管道的安全经济清管周期，还须知道管道运行的费用等参数。中银线管道运行费用等参数如表2所示，其中各费用按照2004年市场价格选取。

表2 中银线管道运行参数Table 2 Operation parameters of Zhongning－Yinchuan pipeline

输油管道运行规范一般要求进站温度至少高于凝点3～5℃［14］，进站压力不低于0.2 MPa［14］。本文取出站温度最高为80℃，取进站温度分别为14、16、18℃进行分析；进站压力取0.2 MPa，最高出站压力取5 MPa。利用表1的数据，分别探讨进站温度及输量对安全经济清管周期的影响。

1）进站温度对安全经济清管周期的影响。

利用表1第1次清管后的数据，取进站温度分别为14、16、18℃来分析进站温度对安全经济清管周期的影响，结果如图3所示。从图3可以看出：随着运行天数的增加，管道运行日平均费用不断降低；随着进站温度的升高，管道运行日平均费用不断增加，这是由于管道的热力费用增加所致；当进站温度分别为14、16、18℃时，经计算当运行天数分别为7、10、13天时输量下降3%，同时其他安全约束条件均满足，故此时的运行天数即为安全经济清管周期。

图3 中银线石空—大坝站间输油管不同进站温度下的安全经济清管周期Fig.3 Economic and safe pigging frequencies at different inlet temperatures between Shikong and Daba stations of Zhongning－Yinchuan pipeline

2）输量对安全经济清管周期的影响。

由表1可以看出，中银线石空—大坝站间输油管前3次清管后的传热系数和地温基本一致，输量分别为127.5、132.0、119.0 m3/h，因此以这3次的运行数据来分析输量对安全经济清管周期的影响，结果如图4所示。由图4可以看出，随着运行天数的增加，管道运行日平均费用不断降低，这主要是因为随着运行天数的增加，蜡沉积厚度增大，管道总传热系数减小，热力费用降低；随着输量的增加，管道运行日平均费用也不断降低，这是由于输量增大时，管道总能量增加，而出站油温及环境温度不变的情况下，沿线损失的热量接近一个定值，所以热量损失所占比例减小，另外，随着输量的增加，摩擦阻力增大，从而对管道的保温起到一定的促进作用，故热力费用降低。经计算，当输量分别为119.0、127.5、132.0 m3/h，运行天数分别为10、10、9天时输量下降3%，同时其他约束条件均满足，故此时的运行天数即为对应的安全经济清管周期。

图4 中银线石空—大坝站间输油管不同输量下的安全经济清管周期Fig.4 Economic and safe pigging frequencies at different transportation rates between Shikong and Daba stations of Zhongning－Yinchuan pipeline

综上可见，本文提出的安全经济清管周期计算方法（以输量下降3%作为一个安全极限条件）的计算结果较为合理，所得结论符合实际经验，且可使管道运行日平均费用达到最低。若按以前方法计算得出的清管周期为几个月甚至半年以上，这样长时间不清管会在实际管道运行中带来许多不安全因素。

2.3 余蜡厚度对安全经济清管周期的影响

保留一定的蜡沉积层厚度，利用其保温作用可以在一定程度上降低管道的热力费用。在满足输量下降3%这一安全条件下，分别取余蜡厚度为0、0.4、0.6、1.0 mm（1.0 mm以上规律类似，不再给出）来分析余蜡厚度对安全经济清管周期的影响。具体做法为：在保证输油管道安全运行的前提下，计算不同余蜡厚度下的管道运行日平均费用并优选出最低费用下的余蜡厚度。

石空—大坝站间输油管前6次清管后不同运行条件下余蜡厚度对安全经济清管周期的影响的计算结果如表3、图5所示。由表3可见，当进站温度为14℃时，随着余蜡厚度的增加，各清管周期内对应的管道运行日平均费用变化规律不尽相同，但余蜡厚度为0时的管道运行日平均费用最低，即在此进站温度下可以不预留余蜡厚度；当进站温度分别为16℃和18℃时，在满足安全约束的条件下可以适当预留一定的蜡沉积层厚度以使各清管周期内的费用最低，由表3可知，此时可预留的余蜡厚度为0.4～0.6mm，对应的清管周期即为考虑余蜡厚度时的安全经济清管周期。由图5可以看出，不同进站温度及输量下余蜡厚度对清管周期的影响规律基本一致，即随着余蜡厚度的增加，清管周期均逐渐缩短，这是因为预留的余蜡厚度越大，达到输量下降3%的时间越短。但进站温度改变时余蜡厚度对清管周期影响的变化较显著。

表3 中银线石空—大坝站间前6次清管后不同运行条件下不同余蜡厚度对应的管道运行费用Table 3 Corresponding pipeline operation cost of the remnant wax thicknesses under different operation conditions after the first 6piggings between Shikong and Daba stations of Zhongning－Yinchuan pipeline

图5 中银线石空—大坝站间输油管不同进站温度及输量下余蜡厚度对清管周期的影响Fig.5 Influence of remnant wax thickness on the pigging frequency under different inlet temperatures and transportation amount between Shikong and Daba stations of Zhongning－Yinchuan pipeline

3 结论

1）以输量下降3%作为确定含蜡原油管道清管周期的安全极限，分析了不同运行条件对管道安全经济清管周期的影响，结果表明：进站温度的升高会使管道运行日平均费用增加和清管周期延长，而输量的增加会使管道运行日平均费用降低和清管周期缩短。

2）余蜡厚度对管道运行费用有一定影响。对中银线石空—大坝站间输油管的计算结果表明：一定的余蜡厚度可以降低管道的运行费用；当进站温度为14℃时，可以不预留余蜡厚度；当进站温度分别为16℃和18℃时，预留的余蜡厚度为0.4～0.6 mm。不同进站温度及输量下余蜡厚度对清管周期的影响规律基本一致，即随着余蜡厚度的增加，清管周期均逐渐缩短，但进站温度改变时余蜡厚度对清管周期影响的变化较显著。

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Development and computational analysis of the safe and economic pigging frequency model for waxy crude oil pipelines

Tian Zhen Jing Jiaqiang Jin Wenbo Zhao Hongyan Wang Leizhen
（Oil and Gas Fire Protection Key Laboratory of Sichuan Province，Southwest Petroleum University，Chengdu，Sichuan610500，China）

With safe operations ensured，taking the sum of power，thermal and pigging costs as the objective function，a safe and economic pigging frequency model for waxy crude oil pipelines was developed.Based on the operation data of Zhongning－Yinchuan pipeline upon being pigged，the influence of inlet temperature，throughput and remnant wax thicknesses on the safe and economic pigging frequency were analyzed.The results show that the average daily costs of pipeline operation will increase while the pigging frequency will be extended with the inlet temperature increasing；and conversely，the average daily costs of pipeline operation will decrease while the pigging frequency will be shortened with the throughput rising.The reserved remnant wax thickness is 0.4 to 0.6 mm when the inlet temperature is 16 or 18℃；but it is not necessary when the inlet temperature is 14℃.The influencing patterns of remnant wax thickness on pigging frequency at different inlet temperatures and throughputs are basically the same，i.e.the increase of remnant wax thickness can shorten the pigging frequency.In addition，the influence of remnant wax thickness on pigging frequency is more significant when the inlet temperature changes.

waxy crude oil pipeline；pigging frequency；safe and economic；computational model；influencing factor

TE832.3＋3

A

2014－06－27改回日期：2014－07－24

（编辑：张喜林）

田震，敬加强，靳文博，等.含蜡原油管道安全经济清管周期模型的建立与计算分析［J］.中国海上油气，2015，27（2）：120－126.

Tian Zhen，Jing Jiaqiang，Jin Wenbo，et al.Development and computational analysis of the safe and economic pigging frequency model for waxy crude oil pipelines［J］.China Offshore Oil and Gas，2015，27（2）：120－126.

1673－1506（2015）02－0120－07

10.11935/j.issn.1673－1506.2015.02.021

＊国家自然科学基金面上项目“稠油流动边界层在水基泡沫作用下的阻力特性研究（编号：51074136）”部分研究成果。

田震，男，西南石油大学在读硕士研究生，研究方向为油气集输工艺理论与技术。E－mail：believemetoo＠sina.com。