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原油顺序输送管道安全停输时间研究

文档作者：周诗岽吴志敏吴明王树立赵会军文档来源： 1．江苏工业学院油气储运技术省重点实验室 2．辽宁石油化工大学储运与建筑工程学院		点击数：	更新时间： 2021年07月16日
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2010年第38卷第5期
石 油机械
CHINA PETR0LEUM MACHINERY
专题研究
原油顺序输送管道安全停输时间研究
周诗岽 吴志敏 吴
(1．江苏工业学院油气储运技术省重点实验室
明 王树立 赵会军
2．辽宁石油化工大学储运与建筑工程学院)
摘要 针对原油差温顺序输送工艺，建立了原油顺序输送管道安全停输时间计算模型，利用
有限差分法对停输模型和再启动模型进行离散化，采用迭代法计算最小安全停输时间。以原油管
道顺序输送大庆油和俄罗斯油为例，分别探讨混油界面位置、油品输量、油品输送温度和油品输
送顺序对安全停输时间的影响。研究结果表明，大庆油顶俄油的停输时间长于俄油顶大庆油的停
输时间；混油界面离出站点越远，停输时间越短；油品输送温度越高，停输时间越长；油品输量
越大，停输时间越长。
关键词 原油 顺序输送停输时间 数学模型
0 引 言
目前，我国进口原油量逐年增多，由于进口原
油油品物性较好，可实现常温输送，而国产原油凝
固点较高，需要加热输送，国产原油与进口原油的
顺序输送是一个冷原油差温顺序输送过程¨ 。在
原油差温顺序输送过程中，受出站温度交替变化的
影响，管道沿线的油流温度、土壤温度场及其蓄热
量始终处于交变状态，原油进站温度具有一定幅度
的周期性波动。因此，原油差温顺序输送管道的安
全停输时间与停输初始时刻管道温度场尤其是土壤
蓄热量有关，即使在同一工况下，停输时机不同也
可能导致管道的安全停输时间不同。合理确定冷热
原油交替输送过程的安全停输时间，对制定再启动
方案和停输检修计划具有重要的指导意义。对于输
送单一油品的管道来说，安全停输时间是保证管道
停输后终点处油温不低于油品凝固点 。对于顺
序输送不同种类油品的管道，已不能采用停输后终
点处油温不低于油品凝固点这一原则来计算其安全
停输时间。
对于顺序输送不同种类油品的管道，管道安全
停输时问是指在该停输时间下，管道能够安全再启
动，且无论管道内油品处于停输温降阶段还是再启
动阶段，管道内任意断面处油品的温度均不低于油
品最低安全温度，再启动后，油品的进站温度均不
低于该油品的最低安全输送温度。考虑到原油顺序
输送过程为一非稳态过程，笔者提出的管道安全停
输时间计算模型由管道停输计算模型和再启动计算
模型构成。
1 建立数学模型
在建立模型的过程中，假设前后输送的2种油
品界面为一平面，2种油品之间无质量交换。管道
被无限大的土壤包围，紧靠管壁的土壤受管道加热
升温，距管壁越远，温度越低，在热影响半径外，
土壤温度等于管道埋深处地温。
1．1 管道停输计算模型
原油液相传导方程：
d = P ￡ C (＼ 0 厂 +。 一1 0OTrt)+’
AL 1 a ， 、
P C￡r O0
式中A — — 油品导热系数，W／(m·K)；
JD￡—— 油品密度，kg／m ；
C — — 油品比热容，J／ (kg·K)；
— — 油品温度，℃ 。
$基金项目：江苏省油气储运重点实验室资助项目“管道输送与泄漏检测技术研究”(CyO805)；辽宁省教育厅基金项目“东北管网中
国大庆．俄罗斯混输原油安全优化运行技术” (2007T104)。
一l2一 石 油机械 2010年第38卷第5期
原油固相传导方程：
Ot =
P s Cs(＼ ar + 。 r Or)／ +
P C 孥O0 s s r
2 2 ＼一／
式中ps—— 蜡密度，kg／m ；
C —— 蜡比热容，J／(kg·K)；
A —— 蜡导热系数，W／ (m·K)；
— — 结蜡层处温度，℃ 。
土壤热影响区域方程：
一
OTc
Ot ： f + 1+ PGCG＼ar 。r Or／
P惫G C c r2 a ㈩
式中A — — 土壤导热系数，w／ (m·K)；
P —— 土壤密度，kg／m ；
C —— 土壤比热容，J／(kg·K)；
— — 热影响区土壤温度，℃ 。
油流和结蜡层的边界条件：
A 乱 j ㈩
式中 — — 自然对流区半径，m。
结蜡层和土壤热影响区的边界条件：
As裂 A 乳 ㈩
式中 — — 管道半径，m。
土壤与大气的边界条件：
A f ： ( 一 ) (6)
式中 —— 大气温度，oC；
— — 土壤与大气的传热系数，w／(m ·
K)。
土壤热影响区和外界土壤的边界条件：
f =T (7)
式中 —— 外界土壤温度，℃ ；
R ——土壤热影响半径，m。
1．2 管道再启动计算模型
管道再启动后，管道内油流热平衡方程如下：
O + + = 0 (8
t Oz p C R
+—_I — =— ～ ()
， ，
式中 —— 管壁处温度，℃ ；
，— — 油流至管壁的传热系数，W／(m ·
K)；
— — 油品流动速度，m／s。
其他方程同管道停输时的式(2) ～式(7 )。
2 数学模型求解
对于管道停输和再启动方程，使用有限差分
法，把热传导偏微分方程转化为差分方程。对于管
道安全停输的计算，采用迭代法计算最小停输时
间。计算步骤如下：
(1)计算管道出口处油品流到下一站进口需
要的时间t。 一⋯ =L／v(再启动模拟计算的最长时
间)，令管道停输时间t 。：0，保存管道停输前的
各个截面的温度场。
(2)停输时间t =t +t lo】⋯ 。
(3)调用管道停输温降计算程序，停输时间
为t p。
(4)t 。=0。
(5)t =t。 +t 一 帅。
(6)调用再启动计算程序，再启动计算时间为
t 。。在再启动计算过程中，判断大庆油在各个截面
的温度是否高于其凝固点，如果所有大庆油温度均
高于其凝固点，转步骤(7)，否则转步骤(9)。
(7)如果t。 >t 转步骤(8)，否则转
步骤(5)。
(8)将保存的管道停输前的各个截面的温度
场赋给管道各个截面，转步骤(2)。
(9)管道安全停输时间为t 。⋯ =t 一
t ，计算结束。
其中， 是管道长度，m；t ⋯ 是管道安全
停输时间，s；t 是停输时间迭代步长，S；t
是停输计算时间，S；t ， 是再启动计算时间，S；
t。 ⋯ 。是再启动时问迭代步长，S；tout-max是管道出
口处油品流到下一站进口需要的时问，S。
3 管道安全停输时间计算分析
以庆铁老线 林源站一垂杨站段顺序输送大庆
油与俄罗斯油(以下简称俄油)为例进行管道安
全停输时间计算，该段管道长50．1 km，管径720
mm。在计算过程中分别探讨俄油在前大庆油在后
和大庆油在前俄油在后2种工况的管道安全停输时
间。管道停输后，管道内油品向土壤传热，管道停
输时间越长，管道内油品的温度越趋向于地温，当
停输时间无限长，管道内油品的温度与地温相同。
根据庆铁老线的地温实际情况，在最冷时，管道埋
深处的地温约一2℃ ，而俄油凝点在一14℃ 以下，
2010年 第38卷 第5期 周诗岽等：原油顺序输送管道安全停输时间研究
也就是说，无论管道停输时间多长，管道内俄油温
度均不会低于其凝固点，也就不会在管道内凝固。
计算过程中规定大庆油的最低进站温度为33℃ 。
3．1 混油界面对停输时间的影响
庆铁老线顺序输送大庆油与俄油，大庆油的出
站温度为46℃ ，俄油的出站温度为35℃ ，2种油
品的输量均为2 000 m ／h，分别计算俄油在前大庆
油在后(俄油输送120 h后开始输送大庆油，工况
1)和大庆油在前俄油在后(大庆油输送120 h后
开始输送俄油，工况2)2种工况下的混油界面在
管道不同位置时的安全停输时间。图1为混油界面
位置与安全停输时间的关系曲线。
图1 混油界面位置与安全停输时间的关系曲线
从图1可以看出，2种工况下混油界面在管线
不同位置对停输时间有影响，且混油界面离出站点
越远，停输时间越短。
大庆油顶俄油过程中，大庆油油头在输送过程
中除了向土壤传热外，还向俄油油尾传热，停输前
混油界面离出站点越远，大庆油油头的温降越大，
而此时大庆油油头温度是决定管道安全停输时问的
主要因素，因此混油界面离出站点越远，停输时间
越短。
俄油顶大庆油过程中，俄油油头与大庆油油尾
接触时间越长，大庆油油尾温降越大，而大庆油油
尾温度是决定管道安全停输时间的主要因素，因此
混油界面离出站点越远，停输时间越短。
3．2 油品输送温度对停输时间的影响
庆铁老线顺序输送大庆油与俄油，2种油品的
输量均为2 000 m ／h，改变大庆油的输送温度和俄
油的输送温度，分别计算俄油在前大庆油在后
(俄油输送120 h后输送大庆油5 h)和大庆油在前
俄油在后(大庆油输送120 h后输送俄油5 h)的
安全停输时间。大庆油输送温度对停输时间的影响
结果见图2，俄油输送温度对停输时间的影响结果
见图3。
从图2和图3可以看出，改变俄油输送温度和
大庆油的输送温度均会影响停输时间，且输送温度
越高，停输时问越长。输送温度越高，油品在停输
阶段的初始温度越高，故停输时问越长。
图2 大庆油输送温度对停输时间的影响
图3 俄油输送温度对停输时间的影响
3．3 油品输量对停输时间的影响
庆铁老线大庆油的出站温度为46℃ ，俄油的
出站温度为35℃ ，分别改变大庆油的输量和俄油
的输量，计算俄油在前大庆油在后(俄油输送120
h后输送大庆油5 h，工况3)和大庆油在前俄油
在后(大庆油输送120 h后输送俄油5 h，工况4)
的安全停输时间。大庆油输量对停输时间的影响结
果见图4，俄油输量对停输时间的影响结果见图5。
人庆油输最／(m ·h )
图4 大庆油输量对停输时间的影响
俄油输量／(m -h )
00
图5 俄油输量对停输时间的影响
从图4和图5可以看出，改变俄油输量和大庆
油的输量均会对停输时间有影响，且输量越大，停
． ． — — 14．—— 石 油机械 2010年第38卷第5期
输时间越长。输量越大，单位质量油品的温降越
慢，故停输时间随输量增加而增加。
3．4 输送顺序对停输时间的影响
从图1～图5可以看出，当大庆油和俄油输送
温度不同时，油品的输送顺序对安全停输时问有一
定的影响，俄油顶大庆油的停输时问要比大庆油顶
俄油的停输时间短。管道再启动后，油品除向土壤
传热外，大庆油顶俄油时，后行的大庆油会加热大
庆油头的温度；俄油顶大庆油时，后行的俄油会冷
却大庆油尾，故停输时大庆油的油头可以降得比大
庆油油尾温度低一些。大庆油顶俄油时，安全停输
时问主要取决于大庆油的油头，俄油顶大庆油时，
安全停输时间主要取决于大庆油油尾温度，故俄油
顶大庆油的停输时间要比大庆油顶俄油的停输时
间短
4 结 论
(1)混油界面位置对停输时间有影响，混油
界面离出站点越远，停输时间越短。
(2)油品输送温度对停输时间有影响，输送
温度越高，停输时问越长。
(3)油品输量对停输时间有影响，输量越大，
停输时间越长。
(4)大庆油和俄油输送温度不同时，输送顺
序对停输时间有影响，大庆油顶俄油的停输时间长
于俄油顶大庆油的停输时间。
[1]
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[7]
参考文献
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分析[J]．油气储运，2005，24(10)：46—49．
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第一作者简介：周诗岽，讲师，生于1978年，2004年
毕业于辽宁石油化工大学油气储运工程专业，获硕士学位，
现从事油气管道输送技术等方面的研究工作。地址：
(213016)江苏省常卅I市。电话：(0519)83290280。E—mail：
zsd2001@ 163．com。
收稿日期：2009—11—24
(本文编辑刘锋)
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