长输原油管道安全输量计算

杨键萍，潘振

（辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001）

长输原油管道安全输量计算

杨键萍，潘振

（辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001）

随着输油管网的不断加大，电力价格和燃料价格的上涨，在热油管道的成本中能耗费用比重越来越大，如何降低能耗、节约成本、实现管道安全优化运行具有重要的研究意义。以沈抚输油管线为实例,在查阅了国内外大量文献的基础上，根据管道沿线油温的变化规律，通过达西公式及苏霍夫温降公式等推导出原油管道最大安全输量计算方法和最小安全输量计算方法数学模型并求解，利用 Visual C++语言编写了计算软件。

热油管道；最大安全输量；最小安全输量；计算软件

油品输量计算是热油管道工艺计算的重要核心部分，当长输热油管路系统运行过程中突然出现停泵、加热炉出现故障等状况下，为确保在事故状态下全线不致停运[1]，或者在输量不足的情况下实现安全运行，油品输量的计算为实现以上目的提供依据，当然，最大和最小输量的计算为管线各设备提高了检修工作的可行性[2]。

1 最大输量计算

1.1 最大输量计算

由热油管道温降规律可知，在输量一定的情况下，管道内油品的出站温度 越高，油品平均温度越高，油品粘度越小，管道的摩阻损失越小[3]。由水力计算公式可知，在其他因素不发生变化时，管道输量越大，管道的摩阻损失越大，管道需要出站压头越大。由于泵站提供的扬程随流量的增加而减小，且出站压头必须小于管线最大承压，因此管道输量不能无限增加。通过上面的分析可知，当出站温度为最高允许的出站温度时，泵站出口达到管线最大出站压力（最大出站压力由管道最大承压和在该流量下泵站提供的最大扬程决定，取两者中较小的一个）、当到达其下站，余下的压头是泵站的最小入口承压，这时，其泵站会达到的流量极值点，此流量即为最大流量Gmax。最大输量计算示意图如图1所示。

图 1 最大输量计算示意图Fig.1 The sketch of calculating maximal flow

应用“旁接罐”方法输送原油，其泵站之间不产生影响，形成单独水力运行管线。将各个泵站的Gimax算出后，选取最小值，即为全线可达到的极大流量值Gmax。

计算模型如下：

在最大出站温度下，联立求解式（1）和(2)，则G为管道达到最大流量 。即最大流量为方程（3）的根。

式中：

HLost(G)—输量G下的管道阻力损失, m；

Hpump(G)—输量G下该站能够提供的扬程， m；

Pmax—管道最大承压，Pa；

L—管道加热输送的长度,m；

λ—管道摩阻系数，无因次；

D1—管道内径，m；

a,b,c —泵性能曲线回归系数，无因次；

ρ—油品密度，kg/m3。

在求解原油管道最大输量时，本研究采用二分法计算如图2所示。

图2 最大输量计算过程Fig.2 The process of calculating maximal flow

根据工程实际,假设管道内油品的速度为某流速（实际流体的最大流速要小于该速度），计算出该速度下的输量G1,根据工程实际，管道内的最大输量要小于该输量，故输量G1为计算上限。在原油管道输送过程中，存在一个最小输量，管道内的最大输量要大于最小输量，故最小输量为计算下限。最小输量可根据公式(4)计算出[4]。

计算过程如下：

（1）根据工程实际,假设管道内油品的速度为某流速，计算管道输量G1；

（2）按最小输量公式计算流量G2；

（3）若G1-G2小于给定值，转步骤（8）；否则转步骤（4）；

（4）计算G=(G1+G2)/2；

（5）计算管道出站温度为最高允许的出站温度时，管道输量为G时，管道全线的水力损失Hlo（stG）；

（6）计算管道输量为G 时，泵站能够提供的最大扬程 Hpump（G）;

（7）计算f（G），若 ＞ 0 ，G2= G；若 f （ G ）＜0 ，G1=G 。转步骤（3）;

（8）输出 Gmax-(G1+ G2)/ 2。程序框图见图3[5]。Gmax

图 3 最大输量计算框图Fig.3 Program flow chart of calculating maximal flow

1.2 计算实例

中间站压力越站时的管道最大安全输量如图4所示。

图 4 中间站压力越站管道最大输量计算Fig.4 Calculation of pipeline maximal flow without the intermediate station

2 最小输量计算

2.1 最小输量计算

最小输量计算是组成热油管线工艺计算的必要部分，当长输热油管路在运行中突然出现停泵、加热炉发生故障的情况下，为保证事故状态下全线不致停运，或者在输量不足的情况下实现安全稳态运行，计算最小输量的方法同样为实现以上目的提供可靠依据[6]，同时，计算最小输量对检修输油线路设备提供可行方案。参考沈抚原油管道实际情况，依据热平衡原理，忽略摩擦生热，用苏霍夫公式表示管道轴向温降为：

那么 K, D，T0一定，当加热站的间距lR、出口油温最大值TR及允许最小入口温度TZ一定时，确定该管道允许极小输量值Gmin。此极小值应用下列公式计算为：

式中： K—管道总传热系数，W/(m2·℃)；

D—热阻最大的管段直径，m；

Cy—原油的比热容，J/(kg·℃)；

lR—站间距， m；

T0—管道埋深处环境温度，℃；

TRmax—油品最大出站温度，℃；

TZmin—油品允许的最小进站温度，℃。

这里还应说明的是，对于已定管道来说，站间允许的Gmin随时间而改变[7]。冬天地温T0降低，以及下雨下雪等情况可能导致地下水位和土壤湿度大大增加 ，管道总传热系数 K 也随之增大，这样会使管道散热量加大，其Gmin也增大。相反，夏天地温比较高，管道的Gmin相比冬季的值会小[8]。

就一条管道而言，若各站间距不等，或是管道散热的差异性，那么各站间总传热系数K也不同，站间距lR较长及总传热系数较大的加热站,其Gmin也相对较大。此时，全线允许最小输量值应按较大值为准，方能保证全线安全稳态运行。所以，在管道实际输量等于或低于此最小输量值 Gmin，一定要采取相应措施。

以上所述措施则可以分为[9]：

（1）提高管道自身条件，来减小管道最小输量值Gmin。比如增加部分加热站，缩小原来站间距lR；为管道做好保温工作来减小K值等。但这类措施需要大量的工作及投资，能耗较高，故一般不采用。

（2）应用其它输送工艺，比如稀释、热处理、增加降凝剂等方法。这类措施可降低油品进站油温，管道的Gmin也减小，这类是常用方法。

（3）应用“旁接罐”方法输送油品，各个泵站段相互不产生影响，形成独立系统。分别求出各泵站的Gmin，取最大值，为可达到的全线安全最小输量Gmin[10]。

2.2 沈抚原油管道最小安全输量计算实例

4月份最小安全输量计算,中间站热力越站时的管道最小安全输量如图5所示。

图 5 中间站压力越站管道最大输量计算Fig.5 Calculation of pipeline minimal flow without the intermediate station

［1］ 陈娟.长输原油管道设计优化研究[D]．成都：西南石油大学，2004．

［2］吴明，陆钟武，蔡九菊，特殊工况下热油管道最小输量计算,石油化工高等学校学报[J].油气储运，1997（01）：42-76

［3］郑国华，严大凡．如何保持低输量管道的安全经济运行[C]．石油储运学术论文选集, 北京：中国石油学工业出版社，1983:44-62．

［4］李赵杰，邓松圣，王安平，曾多礼， 邱正阳，聂平.成品油管线密闭输送最大输量求解[J].重庆科技学院学报,2005（01）：30-72

［5］吴长春，严大凡．热油管道运行管理最优化[J]．油气储运，1992，9(3)：83－88．

［6］张绍杰，埋地热油管道运行分析[J].油气储运，2005,08（7）:7-22

［7］吴长春，邵国泰，赵忠德.庆铁线输油管道系统稳态工况的最优化[J]．油气储运，1998，17(7)：4-8．

［8］Pu Jianing ，Jiang Ming．Computational scheme helps optimize batched throughput[J]．Pipeline amp; Gas Industry, 1999(6): 59-62.

［9］严大凡．输油管道设计与管理[M]．北京：石油工业出版社，1989:55-130

［10］吴长春，李东风．秦京管道稳态优化运行方案的分析与确定[J]．油气储运，2002，21(12)：4-11．

Calculation of Safe Throughput of Long-distance Crude Oil Pipeline

YANG JIan-ping, PAN Zhen
（College of Petroleum Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Funshun 113001, China）

As the pipeline network increases and the prices of electricity and fuel rise, the proportion of energy cost in total cost of hot oil pipeline operation is bigger and bigger, how to reduce energy consumption, save cost and achieve optimal operation of the pipeline has important research significance. In this paper, taking Shenyang-Fushun oil pipeline as an example, through referring to a large number of literatures at home and abroad, according to the law of the oil temperature change along pipeline, by using Darcy formula and Sukhov temperature drop formula, the mathematical model for calculation of the biggest safe throughput and the minimum safe throughput of crude oil pipeline was deduced and solved, and the calculation software was written by Visual c + + language.

Hot oil pipeline, Maximum safe throughput, Minimum safety throughput, Calculation software

TE 832

A

1671-0460（2017）11-2350-03

2017-01-11

杨键萍（1986-），女，辽宁省抚顺市人，硕士学位，辽宁石油化工大学油气储运专业，研究方向：长输原油管道管输技术的研究。E-mail：44500675@qq.com。

潘振，男，副教授，博士，研究方向：天然气综合利用技术研究、天然气水合物动力学研究等。E-mail：28335719@qq.com。