一种利用声速变化研究过站混油发展的方法

赵云鹏 宫敬 陈衍飞 叶汉 郭祎 沈允 项仁萌

（1.中国石油天然气股份有限公司规划总院；2.中国石油大学（北京）机械与储运工程学院；3.国家管网集团北方管道有限公司济南输油气分公司；4.国家管网集团生产经营本部（油气调控中心））

由于我国部分成品油管道建设年代较早，在前期设计和安装作业中存在着诸多不合理的地方，间接地产生了很多不必要的局部混油损失[1-2]，其中站内混油占据很大一部分。

1 现状

由于国内成品油管道生产现场条件和工艺水平的限制，目前主要通过计算机数值模拟和有限的实验室试验研究过站混油，而相关的现场试验较少，也未形成统一的理论认识[3]。目前主流的观点为：将其笼统地规定为沿程混油的某一比例经验值，或是等量长直管段增加的混油量。刘胜利[4]根据室内盲支、管模拟实验规律和数据，得到三种类型盲管内液体密度变化经验公式，利用该公式具体计算了乌兰线和独乌线中间站站内盲支管产生混油量。林棋[5]基于ANSYS数值模拟及相关室内试验数据，后结合盲端结构及过泵混油的数值模拟计算结果，量化分析了乌兰成品油管道的过站混油量，统计结果在经验值预测的范围内。然而，以上方法对过站混油的研究尚存在不足，不能判断实际管道中过站混油的发展规律。

刘超等[6]在兰郑长成品油管道郑州站，对进站端混油进站时密度计、光学界面检测仪和超声波流量计示数变化进行了比较，认为在检测汽柴油批次界面时使用密度值和声速值是等效的，识别精度与使用在线密度计方式相同，且测量声速的检测方法在安全管理方面具有优势。

在声波检测流体密度变化特性和管道站场加装出站超声波流量计的条件基础上，提出了在实际管道中利用声速研究过站混油发展变化的方法。

2 过站混油试验方法

2.1 技术原理

目前国内外输油管道用于油品间界面检测方法主要有：密度型、光折射率型、电容型、声波型、记号型、放射型、测闪点型等。其中，早在上世纪90年代格拉管线就利用国产超声波油品声速仪，通过声速与油品种类的对应关系，对顺序输送不同油品的界面进行监测[7]。

港枣成品油管道利用撬装分析密度计及光学界面分析仪实现混油界面检测，各站站前、站后各有1 台超声波流量计检测流量，并辅助检测混油界面。该超声波流量计为GE panametrics MXT868型，配套2组传感器，每个传感器通过流体发射和接收超声波信号。

图1为超声波流量计声速计量原理图。超声波流量计基于时差法，当管内流体流动时，顺流方向信号的传播时间要短于逆流方向，这个时间差正比于流体流速，经过流量校准后得到管内瞬时流量[9]。港枣线超声波流量计对各批次纯0#柴油油品检测的声速范围在1 450~1 470 m/s，纯92#汽油在1 270~1 290 m/s，声速值浮动是由于油品种类、油品温度和压力等差异导致的[9]。

图1 超声波流量计声速计量原理图

成品油管道输送的汽、柴油等是由不同烃类按照不同比例组成的混合物，其密度和形变模量不同。图2是常见石油产物密度与声速的关系。声波型界面检测是利用油品密度与声速的关系来检测混油界面的，具体是超声波界面检测装置通过准确地测量超声脉冲通过液体通道时的声时，由声程除以声时即得到流体声速[11]。声波属于机械波，其在介质中传播的速度取决于介质的弹性和惯性，即介质的弹性模量和密度。声速在介质中传递纵波时的速率可由式（1）求得：

图2 密度与声速关系

式中：C为流体中声波传播速度，m/s；B为体积弹性模数，Pa；ρ为介质密度，kg/m3。

港枣线全线除去全越站流程的济南分输站，有沧州清管站、德州分输站、肥城分输站、兖州分输站4站具备站前、后超声波流量计同时上传的基础条件。超声波流量计设置声速输出功能，编写PLC读取程序后，SCADA 系统画面经过相关配置即可上传显示在线管道流体声速值[12]。

以港枣线德州中间站为例，某批次混油界面进站时入口处密度计和超声波流量计监测数据（密度/时间、声速/时间）平滑去噪后，结合输量换算将混油浓度/距离分布进行分析比较。图3为德州站声速法与密度法混油检测比较。由图3可知，密度型和声速型混油界面检测结果基本一致，由于设备精度和电讯信号延时等原因存在一定偏差，不能确定哪种方式检测结果更靠近真实值。从浓度偏差来看，两种方法检测混油浓度平均绝对偏差为0.002 68，最大偏差为0.009 84，可以认为混油界面检测超声波流量计声速法与通用密度计密度法结果一致。

图3 德州站声速法与密度法混油检测比较

2.2 过站混油

现有的数值模拟结果表明过泵混油增量为0.3 m3左右，而港枣线泵站一般只启1 台调速泵，所以增压流程过泵环节作为“等效盲端”置换混油取0.3 m3。

根据盲端内前行油品是否完全进入混油段，分为盲端完全置换和未完全置换两种情况：完全置换是指混油界面通过站场后，站内盲端内前行油品完全被置换出来，不会掺入后行纯油影响油品质量造成混油量的增加，此时过站混油量增量为站内盲端体积；未完全置换是指混油界面通过站场后，站内盲端内前行油品没有被完全置换出来，后行纯油持续置换了一段时间，直至后行纯油油品质量满足一定要求，此时混油拖尾明显增大[13]。值得注意的是，个别站内盲端由于设计缺陷存在一直无法被置换完全的情况，即“死油”段，应该充分考虑其对过站混油发展的影响，而站内弯管和管内输送对混油发展的影响相对较少，可忽略不计。

根据过站混油增量和站内盲端总体积量，可以判断界面过站站内盲端局部混油发展的状态：过站混油增量等于站内盲端体积，说明原混油界面通过后站内盲端被混油段完全置换，不增加额外混油；过站混油增量大于站内盲端，说明原混油界面通过后站内盲端未被混油段完全置换，混油段增加拖尾量；过站混油增量小于站内盲端，说明原混油界面通过后站内盲端因存在“死油”而未置换完全，不增加额外混油。

3 过站混油发展规律

3.1 混油发展程度对站内混油的影响

3.1.1 站内比较

这里借助一个无量纲常数来量化混油的不对称发展程度——无量纲拖尾。何国玺[13]把混油头与混油尾之间的无量纲长度差定义为无量纲拖尾长度，其用于表示管道中混油分布油尾与油头长度的相差程度，即

式中：L油尾为油尾（前行油体积浓度在1%~10%）段长度，m；L油头为油头（前行油体积浓度在90%~99%）段长度，m；D为管直径，m；L为管长，m。

表1为不同进站混油长度下德州泵站过站混油变化。两个批次均为汽推柴，油温近似（入口油温13.628 ℃ 、 13.116 ℃ ， 出 口 油 温 15.156 ℃ 、15.148 ℃），忽略输量差异。

表1 德州泵站过站混油变化

结合大港石化—枣庄成品油管道工艺流程图和工艺安装图，对符合过站混油发展研究条件的四个中间站场站内盲端进行汇总统计，得到沧州站盲端总置换体积2.642 m3，德州站5.482 m3，肥城3.827 m3，兖州0.673 m3。两个批次混油过站增量均大于站内盲端体积总和5.482 m3，因此属于混油未完全置换情况。从结果可知，进站混油长度短（发展程度低）的批次界面通过后混油增量相对较大，混油段拖尾程度增加也更大。这是由于在通过站内盲端时，发展程度更高的混油段具有更长的置换时间，在置换速率一致的前提下可以置换出更多前行油，不同混油发展程度下德州站混油过站梯度变化见图4。

图4 不同混油发展程度下德州站混油过站梯度变化

3.1.2 站间比较

沧州清管站是港枣线第一个中间站，距首站79.5 km，站内盲端总体积2.642 m3（含复杂盲端1.529 m3）；德州分输泵站是第二个中间站，距首站205.2 km，站内盲端总体积5.482 m3（含复杂盲端2.789 m3），两中间站站内管道尺寸基本一致。

试验批次为汽推柴批次，沧州过站输量略高于德州站，同一批次两站过站混油变化见表2、图5。该批次混油段通过两站混油增量大于其站内盲端体积，均属于未完全置换情况。假设站内盲端内前行油品全部被冲刷完毕，没有“死油”存在，则沧州站过站额外增加混油量4.850 m3高于德州站的4.037 m3，其拖尾程度增加量也稍高于德州站。

图5 某批次混油段沿程过站梯度变化

表2 港枣线混油过站变化

沧州清管站的盲端体积远小于德州泵站，并且过站输量相对较大，而沧州站出站后混油界面经过125.7 km的沿程发展混油长度大幅增加，混油浓度梯度变化也相对变缓。如此，通过比较同一批次混油界面在两个不同中间站的过站混油变化，验证了中间站进站混油发展程度越高产生混油越少的规律。

3.2 管内流速对站内混油的影响

德州站距首站205.2 km，管内径335 mm；肥城站距首站395.7 km，进站管内径255.7 mm，出站管内径204.9 mm，为了纵向比较混油过站变化，将肥城站混油段通过等管容换算成内径335 mm 下的混油分布，不同流速条件下德州站、肥城站混油过站梯度变化见图6、图7。

图6 不同流速条件下德州站混油过站梯度变化

图7 不同流速条件下肥城站混油过站梯度变化

由表3 可知，汽推柴批次1 在德州站站内平均流速要大于批次2，进站长度略短，结果混油增量比批次2 小1.851 m3，且拖尾增加量远远小于批次2。在进站混油发展程度越高产生混油越少的理论基础上，认为是管内流速差异导致了混油差异，即管内流速越大盲端内前行油置换越快。这是由于站内主管道输量越大，后行纯油品经过盲端处向盲端的分速度越大，置换速率也更大，影响的后行纯油品体积量越小。

表3 德州站混油过站变化

同理，在肥城站柴推汽批次3、4 中也表明：在一定流速范围内，管内流速越大，站内混油产生越少，拖尾程度增加越小，无关输送顺序，肥城站混油过站变化表4。

表4 肥城站混油过站变化

3.3 输送顺序对站内混油的影响

多批次混油数据分析可知，汽推柴批次经首站切换和沿程发展，始终要长于柴推汽批次，且差距越来越大，所以很难在一个站做输送顺序的单一变量分析。取第一个中间站（沧州站）输量和发展程度相近的试验批次相比较，探究输送顺序的影响。

由表5可知，在忽略流速差异下，汽推柴批次进站混油段长度要高于柴推汽批次，而其过站混油增量均大于柴推汽批次。假设站内盲端没有“死油”存在，在进站混油发展程度越高产生混油越少的理论基础上，认为是输送顺序影响导致了上述结果，即汽推柴界面在混油发展程度更高的情况下反而产生了更多的过站混油。未置换完全情况下，后行纯油段持续置换出沧州站复杂盲端内前行油，造成了混油增量远大于站内盲端体积量。由于汽油黏度远比柴油低，盲端内壁壁面黏附作用弱，冲刷过程中置换速率较大，其被完全置换出所影响的纯油品量也相对较少。同时，通过批次1、2 与3、4 相比较，也验证了输量越大中间站过站产生混油越少的规律。

表5 沧州站混油过站变化

3.4 过站混油发展变化趋势

恒管容统一为φ335 mm 管径后，得到某汽推柴批次在港枣线沿线各站发展的混油浓度梯度曲线变化（图8）。

图8 港枣线沿线各站混油浓度梯度曲线

基于港枣线特点和沿线混油梯度变化，基本可以得到如下结论：

1）中间站产生的过站混油属于局部混油，总量相比于沿程混油的增量体量较小，随着混油发展程度的增大其对混油的影响越来越小。

2）中间站过站时混油段发展是不对称的，对油尾增长是更明显的。

3）以沧州清管站为例，相比于站内盲端尺寸、输量和输送顺序等因素，混油发展程度的影响更为显著。

众所周知，管道站场普遍在用的撬装密度计作为混油段批次跟踪的重要性检测装置，其循环泵常年连续运行，除用电成本外还有设备维护成本等。GE panametrics 密度计额定功率20 W，港枣线撬装密度计（含泵）额定功率1.5 kW，考虑到成品油管道不定期停输，设备替代后经电表核算：单站年节约电量12800kWh，整条管道年节约电量64000kWh。

4 总结与建议

通过已有设备的基础数据上传，实现了成品油管道混油界面辅助监测的功能。在此基础上，经过港枣线多批次界面的数据分析，验证了如下规律：

1）同等条件下，中间站进站混油发展程度越高，过站产生混油越少。

2）同等条件下，流速越大，中间站过站产生混油越少。

3）在混油段未完全置换的同等条件下，柴推汽批次（G92#-D0#）要比汽推柴批次（D0#- G92#）在中间站过站产生混油要少。由于港枣线输送油品品类单一，研究结果不具有指导意义，但方法为多油源、多种油品、多用户的西部成、兰成渝等管道提供了依据，以优化批次油品的输送次序[14]。

4）局部混油影响因素中，混油发展程度相比于站内盲端尺寸、输量和输送顺序，影响更显著，建议在管道前期设计阶段综合考虑布站和工艺[15]。