含蜡原油管道出站温度和压力的优化设计毕业论文.doc

西安石油大学本科毕业设计 论文 I 含蜡原油管道出站温度和压含蜡原油管道出站温度和压 力的优化设计毕业论文力的优化设计毕业论文 目目 录录 1 绪论 1 1 1 问题的提出 1 1 1 1 含蜡原油 1 1 1 2 含蜡原油加热输送 2 1 1 3 热油管道优化运行 2 1 2 国内外研究现状 3 1 2 1 国外研究现状 3 1 2 2 国内研究现状 5 1 3 论文研究的目的及意义 7 1 4 论文的主要研究内容 7 2 庆咸管线基本参数的确定 9 2 1 庆咸管线基本数据 9 2 1 1 庆咸管线概况 9 2 1 2 管线高程 9 2 1 3 环境地温 10 2 1 4 原油的平均温度 10 2 2 原油的物性参数 10 2 2 1 油样的制备 10 2 2 2 原油的基本物性参数 11 2 2 3 油样凝点的测定 13 2 2 4 油样的粘度 温度曲线的测定 13 2 2 5 油样温降曲线的测定 16 2 3 庆咸管线的总传热系数 18 2 3 1 管壁的导热 18 2 3 2 管外壁至土壤的放热系数 19 2 2 3 3 埋地热油管道总传热系数 K 的确定 20 3 热油管线运行参数优化理论 23 西安石油大学本科毕业设计 论文 II 3 1 热油管道优化数学模型的建立 23 3 2 热油管线参数优化数学模型的求解 25 3 2 1 热油管道沿程温降计算 25 3 2 3 热油管道单位能耗计算 30 3 2 4 合理运行参数的确定 30 4 庆咸管线出站温度和压力的优化设计 31 4 1 庆咸管线优化设计的思路 31 4 2 程序的编制 31 4 3 程序运行结果 33 4 4 程序运行结果分析及优化参数确定 37 5 含蜡原油管线蜡堵位置的确定 41 5 1 原油管道蜡沉积概述 41 5 1 1 原油管道的蜡沉积 41 5 1 2 管道蜡沉积物的组成及结构 41 5 1 3 原油中石蜡的析出过程 41 5 1 4 管内壁 结蜡 机理 42 5 1 5 影响管壁结蜡强度的因素 42 5 1 6 蜡沉积对原油管道运行的影响 44 5 2 含蜡原油管线蜡堵位置的确定 44 5 2 1 温降曲线 44 5 2 2 管线沿程温度分布 45 5 2 3 管线蜡堵位置确定方法 45 5 3 庆咸线蜡堵位置的确定 45 5 3 1 蜡堵位置程序的编制 45 5 3 2 计算结果分析 46 6 论文的基本结论及建议 47 6 1 论文的基本结论 47 6 2 建议 47 参考文献 48 致谢 48 附录 51 附录 A 51 西安石油大学本科毕业设计 论文 III 附录 B 52 附录 C 54 1 绪论绪论 1 1 问题的提出问题的提出 1 1 1 含蜡原油含蜡原油 我国原油含蜡量一般比较高 尤其在油田开发后期更是如此 含蜡原油的显著 特点就是凝点高 粘度大 流动性能差 随着温度的升高 原油的粘度迅速降低 流动性能显著提高 含蜡原油通常不能直接进行输送 而需要采用一些特殊的输送工艺进行输送 当前已经实施的含蜡原油输送工艺主要有 1 1 加热输送 这是世界上实施最早 应用最广泛的一种输送工艺 2 热处理输送 采用一种热处理工艺 实现原油在特定温度下的常温输送 3 添加降凝剂 减阻剂输送 这是一种化学处理工艺 通过在原油中加入一 定比例的化学药剂 来改善原油的流动特性 提高输送效率 但这些化学药剂价格 较高 常年的注入结果带来了原油输送成本的提高 4 稀释输送 作为稀释剂有轻质原油 石油产品和天然气凝析油等 5 低粘液环输送 用水环法输送 水在输液量中占的比重比较大 目前这种 输送工艺正在研究中 6 乳化输送 在水中加入表面活性剂 形成稳定的水包油乳化液 7 伴热保温输送 在国内外输油生产实践中 输油管道往往同时伴热和保温 8 剪切处理输送 利用含蜡易凝原油的低温触变性对原油施加高速剪切后 使其破坏低温时原油的网络结构 从而改善原油的流动性能 除上述的主要输送工艺外 国内外已经研究和正在酝酿研究及部分实施的输送 工艺还有 压力处理输送 水悬浮输送 天然气饱和输送 浆料输送 热裂解输送 脱蜡输送 加氢降粘输送 磁处理输送 器具 使用滑箱 膜袋等 输送 核辐照 输送和界面处理输送等 但这些工艺普遍存在技术研发难度大 操作复杂 安全性 差等不足的缺点 为了解决含蜡原油的管输问题 国内外越来越多地采用组合输送工艺技术 例 如 澳大利亚的杰克逊 布里斯班管道 在输送杰克逊原油时 除添加降凝剂外 同时掺入 5 10 的轻质原油作为稀释剂 再如 美国的阿拉斯加管道 采用高流 西安石油大学本科毕业设计 论文 1 速输送 3 1m s 利用磨擦生热来加热原油 并用泡沫塑料对管道进行保温 我国 的马岭 惠安堡 中宁输油管道 在采用热处理输送工艺的基础上 为了实现全年 常温输送 在冬季还要添加降凝剂 加热输送是目前最常用的含蜡原油的输送方式 随着加热输送理论和实践研究 的深入 其输送工艺也较为成熟 且容易实现 是应用最广泛 最成熟的含蜡原油 输送工艺 1 1 2 含蜡原油含蜡原油加热输送加热输送 输油管道内壁结蜡现象是导致管道输送能力降低的主要因素 加热可以有效地 改善含蜡原油的流变性 随着温度的升高 原油的粘度迅速降低 能够显著地提高 流体的流动性能 从而减少管路摩阻损失 采用加热输送来输送含蜡原油仍存在着诸多的弊端 一是热力条件制约了管线 的低输量运行 二是在意外停输时 有凝管的危险 三是管线的散热损失大 输送 能耗高 要消耗大量燃料或能源加热原油来补充原油沿管道流失的热量 四是对于 含蜡量高的典型稠油 仅加热还往往达不到管输要求 加热温度太高 对保温层的 要求也较为苛刻 五是占用的设备 人力多 但是 随着相关技术的进步 一系列旨在节能降耗 提高安全水平及自动化控 制水平 节约人力和物力资源的改造措施的实施 以及一些物理 化学方法的综合 使用 含蜡原油的加热输送工艺将逐步完善 原油加热输送与等温输送不同 不仅存在着由于沿程摩擦阻力产生的压力能损 失 而且沿程原油与周围环境存在着热交换造成大量热能损失 同时这两种形式的 能量损失之间相互影响 一方面 当原油的温度变化时 会引起原油的粘度发生变 化 从而导致原油沿程摩阻损失发生变化 由此沿程压力也要发生变化 另一方面 当管道沿程压降发生变化 导致泵的流量发生变化 这样在单位时间内 单位长度 管道中流过的热量就会发生变化 沿程温度跟着发生变化 如此反复变化直到达到 一个新的平衡 在管道运行过程中 热油管道的运行能耗主要是电能消耗和燃料油消耗 燃料油 消耗增加 则相应的电能消耗减小 燃料油消耗减小 则相应的电能消耗增加 对一 条加热输送管线 输送过程中所消耗的能量约占所输送原油的 l 3 因此 对 热油管道的热力和水力计算进行深入地研究 掌握管线运行能耗的变化规律 以对 管线运行参数进行优化 降低管道沿程能量损耗 保持管道安全 经济地运行有着 广泛的实用价值和深远的现实意义 1 1 3热油管道优化运行热油管道优化运行 输油管道的运行管理是涉及到国家政治 经济 社会 技术 安全及生态环境 等多方面的大型系统工程 目前 我国长距离输送原油的主管道总长已超过了 1 万 km 原油输送过程中所消耗的能量约占所输送原油的 l 3 输油管道的优化运行 西安石油大学本科毕业设计 论文 2 是降低输油能耗的有效措施 2 长输管道的流量大 运输距离长 全年连续运行 耗电 耗油量很大 运行方 案是否合理 对输油成本影响很大 例如管径 720mm 的铁岭至大连管道 长 435km 年输量 2 t 如 6 个热泵站每站都将出站油温提高 1 全年将多烧原 7 10 油 8500t 如每个泵站节流压力 1 Pa 则全年将损失 380 万度电 若输油成本降 5 10 低 0 1 分 t km 一年可节约 870 万元 输油管道运行管理的一个重要指标是 在确保完成输油任务的前提下 降低输 油能耗 寻求最优 最经济的输送条件 建立管输能耗的数学模型 研究影响管输 能耗的各种因素 找出各种因素之间的变化规律 为管线的运行管理和技术改造提 供科学依据 最终实现管输能耗费用和成本的降低 提高在役管线的经济效益 我国早在二十多年前就开始关注并着手研究热油管道优化运行问题 经多年努 力 通过采用加剂降凝降粘 热处理 中外油混输 泵调速及设备改造等措施 输 油成本己有较大下降 2 6 对热油管线的优化运行方案的研究 就是降低输油能耗 以动力能耗和热力能 耗作为衡量指标 以总能耗最低作为输油管道优化运行的最优准则 通过优化运行 参数 使整个系统最经济最可靠 为了降低管道运行能耗 除了对管道系统的设备 流程 输送工艺等进行技术改造外 另一条途径就是在现有的系统上实现优化运行 在设计任务输量下 线路条件 如地温 管道总传热系数 站间管道长度等 已定 时 随着加热温度提高 输油管道散热损失增加 热耗增大 管道摩阻减小 电耗 降低 反之 随着输油温度的降低 散热损失减小 热耗减少 管道摩阻增加 电 耗增大 可见 存在一个最优的输油温度和输油压力的组合 使得输油管道总运行 费用最低 即通过优化运行参数 确定最优的出站温度和出站压力 使系统能耗最 低 2 1 2 国内外研究现状国内外研究现状 1 2 1 国外研究国外研究现状现状 早在上世纪 50 年代 苏联学者切尔尼金就提出了热油管道 最优加热温度 这一概念 他针对当时采用的往复泵形式流程 流型为牛顿流的热油管线 用微分 法导出了确定最优出站各参数的关系式 60 年代初 Gefferson 对热油管道的运行优化问题进行了探讨 文中假定输量 一定 根据各泵站所提供的压力不同 应用动态规划法求解总压力在各泵站的合理 分配 这种方法所求出的能耗最低是等温管线假定条件下的最优值 哥派尔 美 1980 年提出了一个对管道泵站运行进行最优化的方法 目标是 根据每个动力机的燃料消耗率 决定开动哪些泵机组 在保证所需流量的前提下是 总燃料费用最小 用整数规划法来选择每座泵站的最优泵组合 只需要对很少几种 西安石油大学本科毕业设计 论文 3 组合进行计算 并应用动态规划法对出站压力进行最优化 Singh 美 1981 年对 该问题提出了一些更简便的解法 前苏联在这方面也进行了研究 主要集中在如何 选择油管的最佳工况上 提出了在一定周期内求解最小能耗费用的模型 文中假定 已知一个数量离散序列及相应的能耗费用 5 7 1981 年 利用 SCICLOPS 软件在英国 Main Line 管线上实行了优化运行 Main Line 管线从英国威尔士的米尔福德至伯明翰 中途分为两条支线 一条至曼彻斯特 另一条至诺丁汉 在管道动力费用优化问题中 考虑到正常工作日和白天的电费比 周末和夜间的电费高 使泵机组尽量在周末及夜间满负荷运行 既保证油品输送到 目的地 又使动力费用最省 节省管线动力费用 3 5 继 SCICLOPS 软件在英国 Main Line 管线上使用成功后 1983 年 与 SCICLOPS 软件相似的软件在 Fawley London 管线上投入使用 1987 年 HAVERLY 管线系统有限公司完成了输油管道系统优化可行性研究 8 优化研究包括电量优化 kwh optimization 和电费优化 cost optimization 电量优 化 图 1 1 考虑各站的动力费用 即电费 相等 该优化过程是一个纯水力的优化 计算 电费优化利用实际的各站电费合同来确定最小的运行费用 一个月的运行优 化结果表明 所用电量明显减少 减少了 15 启停泵的数量也减少 泵组合变化 的次数减少了约 40 连续稳定的运行过程使管线操作者更容易控制 运行费用减 少了 12 4 图 1 2 图图 1 1 电量优化电量优化 西安石油大学本科毕业设计 论文 4 图图 1 2 运行费用比较运行费用比较 可见 国外输油管道优化运行的研究主要侧重于等温输油管道 由于国外油品 性质与国内存在较大差别 其研究把输油动力消耗作为目标 只适应于等温输送的 输油管道 不适应我国输油管道的情况 1 2 2 国内研究国内研究现状现状 我国输油管道运行优化方面的研究起始于 80 年代初 与国外相比 我国的输油 管道优化运行研究侧重于采用加热输送方式的原油管道 符合我过输油管道的实际 情况 原油管输最优化运行方案的研究 最早见于 1985 年严大凡 吴长春的研究论文 早期的研究主要针对原油输送管道的加热输送工艺 以输油成本为目标函数 以数 量和加热炉 输油泵的不同组合为变量 对运行参数进行优化 随着含蜡原油加降 凝剂输送工艺在我国的出现 近年来也有一些学者和专家对原油管道加降凝剂输送 开展了最优化运行研究 增加了加剂量等变量 由于热油管道的绝大部分管段敷设于地下 管道周围土壤的非稳态传热过程非 常复杂 因此热力非稳态工况的物理过程比稳态工况复杂得多 目前为止 还没有 找到一种既简便实用 又能满足工程精度要求的方法来计算热油管道的热力非稳态 工况 因此 国内对热油管道优化运行的研究一直只限于热力稳态工况 而周期性 非稳态大气环境及时间延迟对优化运行的影响未见相关报道 从我国现有热油管道的实际情况看 大多数管道可以在某一时段内维持准稳态 工况 但由于输油流量的变化比较频繁 因此许多时间内管道都处于从一种准稳态 工况过渡到另一种准稳态工况的热力非稳态工况 对于这种热油管道 目前的稳态 优化运行研究只能给出其在准稳态条件下的优化运行方案 而不能给出热力过渡过 程中非稳态工况的运行方案 尽管如此 稳态优化运行研究对热油管道的运行管理仍然具有重要的指导意义 在各个准稳态工况时段内可以采用相应的稳态优化运行方案 在热力过渡期内的运 西安石油大学本科毕业设计 论文 5 行方案可以根据其前后两个准稳态期内的优化运行方案 热力过渡过程的基本物理 特点以及运行调度人员的实际经验而确定 对输油管道优化运行的研究是输油工作者研究的重点 国内的研究考虑了输油 管道温度因素 使研究内容和运用范围更为广泛 但由于输送油品性质差异较大 管道设计状况不同 各区域输油管道的优化问题也不相同 多年来 我国在含蜡原 油流变性及输油新工艺研究方面做了大量工作 在简易热处理输送 加剂综合处理 输送等方面取得了重大成果 达到了国际先进水平 并针对我国国情系统地开展了 热油管道优化运行研究 在优化理论 模型 算法 软件等方面取得了具有实用意 义的成果 1 优化的数学模型 5 9 12 把一个复杂的工程系统抽象成数学模型时 设计者常常面临多种可供选择的数 学模型 恰当的选择数学模型是一个至关重要的问题 较理想的数学模型应尽可能 准确地反映工程实际问题 同时又便于处理 已投产运行的输油管道 其设备 管径 管长 站间距等己确定 我们只能对 运行参数进行优化 如温度 泵组合等 这样影响输油能耗的只有热 动力费用 一般都以两者费用之和最小来建立模型 最初建立的是线性稳态模型 后来 石油大学的严大凡 吴长春等考虑了油品 的温度沿管线真实分布及热机和泵效率的影响 建立了包含全线泵组合与管路的最 优匹配和输油温度的最优化两级子问题的动态规划数学模型 该模型适合于我国大 多数输油管道 1998 年 张增强等建立了秦京输油管道优化运行的动态规划数学模 型 把全线总压头和全线总热负荷在各站间进行了最优分配 提出了一种二维动态 规划求解方法 在求解时用逐次逼近法降维 这种方法既充分考虑了输油管道的特 点又兼顾了数学上的严密性 2 优化方法 9 13 15 用于优化的方法很多 主要有 线性规划问题 单纯形法可以用来解决所有线性规划问题 线性离散优化问题可以使用割平面 法 分枝定界法及 0 1 规划的布尔运算法等 非线性规划问题 计算方法有解析法 搜索法 数值法 线性规划或二次规划逐步逼近非线性规 划的方法等 解析法亦称间接法 包括古典微分法 古典变分法 极值原理和库恩 一塔克定理 搜索法亦称直接法 包括消去法 格点法 黄金分割法 Fibonacci 法 爬山法 变量轮换法 复合形法 随机试验法等 数值法包括牛顿法 变尺度法 可行方向法 鞍点迭代法 梯度法 梯度投影法 简约梯度法 制约函数法等 线 性规划或二次规划逐步逼近非线性规划的方法有序列线性规划法 SLP 和 移动 西安石油大学本科毕业设计 论文 6 限制 近似规划法 MAP 等 动态规划问题 动态规划法是一种能很好的解决所谓多阶段决策过程最优化问题的方法 输油 管道优化运行研究所要解决的是如何确定各站最佳的进出站油温 各种加热 加压 设备的最优组合 可以十分有效的利用这种方法来解决 尽管优化的方法很多 而应用到输油管道优化运行上的方法还不是很多 在我 国输油管道优化运行方面使用过的方法有 1991 年 严大凡 吴长春使用了动态规 划法 1992 年 吴长春又提出了所谓的 DFS 深度优先搜索法 提高了搜索过程 效率 1994 年 吴长春又提出了先以随机搜索产生 Powell 法的初始点 采用改进的 0 618 法进行一维搜索的方法 1996 年 抚顺石油学院的吴明使用了二分法 相继 牛顿 拉普森法也得到了应用 1997 年 张其敏使用了 MDOD 混合离散变量直接 搜索法 该方法优化效果好 速度快 1991 年 吴立峰考虑到数学模型中既有连 续变量 温度 又有离散变量 泵组合 将 MDCP 法 混合离散变量组合型法 应用到了输油管道的优化运行上 该方法优化速度快 优化结果显著 后来有人采 用几种功能不同的算法进行寻优 以期获得最佳运行方案 1 3 论文研究的目的及意义论文研究的目的及意义 能源的开发和合理利用是社会发展的源泉和战略依据 并标志和决定着一个国 家的竞争实力和综合实力 优化能耗结构 节约能源是国家能源政策的重要内容 因 此 如何才能实现管道的安全运行 低耗 节能 提高系统的经济效益 这是科研 攻关和运行管理的大目标 输油管道的优化运行是降低输油能耗的有效措施 在确保完成输油任务的前提 下通过对运行参数的优化 尽可能降低输油能耗 降低输送成本 寻求最经济的输 送条件 我国一些地区的输油管道的运行经验表明 对运行参数的优化完全可以使 管道系统的能耗费用降低 对一条输油管道进行参数优化 主要是考虑动力和热力两方面的能量损失 对 应某一个流量 一条热油管道必然存在一个能耗最低的输油温度和输油压力 论文 研究的目的就是确定最低能耗下合理的出站温度和出站压力 除此之外 对于热含蜡输送管线 不可避免地要出现石蜡的沉积 一放面 蜡 沉积层增大了油流至管壁的热阻 使总传热系数增大 起到保温的作用 另一方面 蜡沉积使管道流通面积减小 摩阻增大 严重时甚至形成 蜡堵 发生蜡堵以后 压力急剧上升 并可能造成管线停输事故 管线中的蜡沉积层达到一定厚度时 就需要进行清管 增大了管线的运行费用 然而 通过对蜡沉积规律以及管线沿程温降规律进行研究 将两者结合起来进行分 析 就能得出管线出现集中析蜡的位置 这样 提高输送温度或加设加热站就能预 西安石油大学本科毕业设计 论文 7 防和解决 蜡堵 的问题 针对庆咸管线的管输实际 提出这样一系列问题 目前管道实施的运行方案是 否为最优方案 现有的运行参数是否合理 运行参数的改善能否一定会导致管道的 能耗费用降低 在现有泵配置条件下 能否通过优化运行参数改善该管道的运行状 况 对于庆咸输油管线 管线各个输油站是否有必要在现有的基础上降低输油温度 从经济角度考虑 庆咸输油管线的最优出站温度 出站压力是多少 由于沿程温降 的影响 管线是否会发生蜡堵 如果有可能发生蜡堵 蜡堵的位置如何确定 要准 确回答这问些题 就必须对庆咸输油管线进行比较系统的运行参数优化研究 1 4 论文的主要研究内容论文的主要研究内容 为了对庆咸管线的出站温度和压力进行优化 并确定出可能发生蜡堵的位置 本文的设计研究做了以下的工作 收集庆咸管线管输的相关资料 含蜡原油管道输送的设计理论与方法的参考资 料以及加热站 泵站在各种工况下的运行参数等基础资料 结合目前国内外研究各 项成果 参考相关文献资料 利用油品物性等基础参数和管线资料对整个输油管线 系统进行全面地分析 在保证管道安全运行前提下 以管道系统单位能耗费用最小为目标 考虑热力 损失和动力损失两方面的能量消耗 结合热力学和流体力学的相关理论 对输油管 线系统的运行参数进行优化分析 根据实际情况确定优化的数学模型 再编制程序 将庆咸管线的管输实际参数带入程序 计算出不同温度 压力下管线运行的单位能 耗 根据计算结果给出低单位能耗下经济合理的出站温度和压力等运行参数 其次 考虑到由于沿程温降而出现集中析蜡段有可能发生蜡堵的情况 根据温 降规律和蜡结晶规律 分析可能的蜡堵位置 并编制相应的程序 计算出集中析蜡 段在管道沿线所处的位置 最后 根据程序运行所计算出的数据提出合理的运行参数 给出相应的建议 为 管线的现场运行提供相应的参考意见 西安石油大学本科毕业设计 论文 8 第第 2 章章 庆咸管线基本参数的确定庆咸管线基本参数的确定 2 1 庆咸管线基本数据庆咸管线基本数据 2 1 1 庆咸管线概况庆咸管线概况 庆咸管线全长 248km 起点高程 1416m 终点高程 380m 全程高差 1036m 全线主要经过了黄土塬 黄土残塬 黄土梁塬沟壑 黄土台塬 渭河平原 河谷台 阶等 6 大地貌单元 沿线地形地势较为平缓 全线敷设于陕西甘肃两省 沿途经庆 城县 庆阳市西峰区 宁县 正宁县 彬县 旬邑 淳化 泾阳县 咸阳化工区等 2 区 7 县 管道外防腐采用环氧粉末涂层 不考虑内衬 管道保温采用聚氨酯泡沫塑料 黄夹克 保温厚度 30mm 距西二联 104km 处设中间清管站一座 全线共设截断阀室 12 座 全线采用加剂加热处理降凝密闭输送工艺 管径采用 L360 377 5 5 规格 综合设计压力为 10MPa 大泵输油一泵到底 中间不设加温加压站 最高出站设计 温度为 60 加剂最低进站温度为 12 管道中心埋设地温为 3 2005 年底西一联至西二联起输量为 3231t d 2006 年年输量为 122 2 104t a 2005 年底西二联至咸阳末站起输量为 5115t d 2006 年年输量为 202 2 104t a 原油含水 0 5 原油密度 850kg m3 平均比热 2000J kg 2 1 2 管线高程管线高程 庆咸管线纵剖面资料均按设计的管线里程 高程数据收集 由长庆油田第二输 油处提供 具体数据如表 2 1 所示 庆咸管线高程图如图 2 1 所示 表表 2 1 庆咸管线里程庆咸管线里程 高程数据高程数据 里程 km 014408592102120132 西安石油大学本科毕业设计 论文 9 高程 m 14161367136011401150119311671153 备注西一联西二联 里程 km 149161182193212232 6234260 高程 m 114810831120968815502488380 备注中间清管站 图图 2 1 庆咸管线高程图庆咸管线高程图 2 1 3 环境地温环境地温 庆咸管线无系统的地温观测资料 第二输油处只提供了 最冷时管道中心埋设 地温为 3 为此 本研究计算过程中只对最冷时期的工况进行计算分析 2 1 4 原油的平均温度原油的平均温度 原油的平均温度按下式计算 2 1 PRZ 12 T T T 33 原油进站油温 R T 原油出站油温 Z T 西安石油大学本科毕业设计 论文 10 2 2 原油的物性参数原油的物性参数 油品在流动过程中 其温度不断变化 粘度 密度 热容均为温度的函数 尤 其是当进出站温差较大时 油品物性的变化幅度也大 所以需要确定物性参数和温 度之间的关系 以保证水力计算和热力计算结果的准确性 2 2 1 油样的制备油样的制备 1 原始混合油样的配制 庆咸管线所输送的原油 前期为白马 董志 1 1 的混合油 后期为西一联 吴旗 靖二联 16 4 1 的混合油 实验前 用现场提供的白马 董志 西一联 吴旗 靖二联的油样按照混合比进行混合油样的配制 用电子秤 精度 0 01 克 按比例称取油样 将该混合油用 HJ 5 强力电动搅拌器进行间歇搅拌 3 小时 混合油样的预处理 为取得组成和构成状态相同的基础油样 保证室内实验 数据的重现性和可比性 需要对油样进行预处理以消除原油对以前的 记忆 效应 将混合原油恒温存放 24 小时 2 降凝剂的配制 现场提供的降凝剂为廊坊石油管道局生产的油溶性颗粒型降凝剂 需将降凝剂 投放到原油中 加热到 80 以上 溶解 12 小时 配成药剂使用 现场降凝剂的使 用浓度为 5115t d 的输量 输送 210 天 共用降凝剂 20 吨 计算为 18 6ppm 实验中 降凝剂的配制使用按照现场的使用条件进行 按比例称取原油和颗粒状固体降凝剂 倒入锥形烧瓶中 放在电热电磁搅拌器上 温度控制在 80 连续搅拌 24 小时 直至颗粒状固体降凝剂完全均匀地溶解 按比例称取混合油及降凝剂溶液 配成 18 6ppm 的油样 然后放在电热电磁 搅拌器上搅拌 温度保持在 80 上约 3 分钟 然后 连续搅拌并缓慢至 15 制样 完成 2 2 2 原油的基本物性参数原油的基本物性参数 1 原油的密度 任意温度下油品的密度按式 2 2 换算 t 20 2 2 t 20 式中 温度为 t 及 20 时油品密度 kg t 20 3 m 温度系数 kg 3 m 1 825 0 001315 20 本论文中的密度均以长庆油田提供的数据进行计算 3 850mkg 西安石油大学本科毕业设计 论文 11 2 原油的运动粘度 油品的粘温特性一般呈指数关系 但不同油品的粘温特性差别很大 有关文献 中所给出的粘 温公式的通用性是有限的 为了与管线的实际情况相匹配 在实际计算使用时 我们采用利用实测数据由 Orign50 软件拟合出的粘 温关系式 3 原油的比热容 原油的比热容是一个随温度变化而变化的量 其变化规律取决于油品的化学成 分 通过对我国几个主要油田生产的原油的热容特性分析 可将热容随温度变化的 特性分为三个区 对于含蜡原油 当油温低于析蜡温度时 由于蜡晶析出放出结晶潜热 将析蜡潜 热的影响记入在比热容中 比热容随温度的共同变化趋势如图 2 2 图图 2 2 含蜡原油比热容随温度的变化含蜡原油比热容随温度的变化 根据含蜡原油比热容随温度变化的趋势 可以按析蜡点温度 Tsl 最大比热容温 度 Tcmax 将 c T 曲线分为三个区域 当温度高于析蜡温度时为 I 区 此时热容可由下式求得 C 1 687 3 39T 2 3 3 10 3 10 15 4 式中 C 温度为 T 时油品的热容 kJ kg C 温度为 15 时油品的相对密度 15 4 C 当温度低于析蜡温度 高于达到热容最大值的温度时为 II 区 热容可由下式 求得 C I A 2 4 nT e 当温度低于达到热容最大值温度时为 III 区 热容可由下式求得 西安石油大学本科毕业设计 论文 12 C I B 2 5 mT e 式 2 4 2 5 中 I 常数 取 4 186kJ kg K A B 取决于油品化学组成的常数 kJ kg K m n 取决于油品组成的常数 1 K 此外 油品热容可通过实测数据采用多项式回归求解 2 i n i iT Ac 1 6 在原油输送的热力和水力计算过程中 需知道的参数有原油和管壁钢材的比热 容 本论文中的比热容均以长庆油田提供的数据计算 现场提供的常用值取 原油的比热容 c 2000 J kg 钢材的比热容 cg 300J kg 2 2 3 油样凝点的测定油样凝点的测定 依据 GB510 83 凝点测试方法 对现场提供的油样以及配制的混合油油样的凝 点进行了测试 1 所用仪器 材料 SYP1008 III 石油产品凝点试验仪 凝点测试管 凝点测试温度计 符合 GB514 83 技术条件 恒温水浴 无水乙醇 化学纯 2 测试结果 对每个油样测两次 然后取平均值作为油样的凝点 测试结果如表 2 2 所示 表表 2 2 原油凝点测试结果表原油凝点测试结果表 油样T1 T2 T 西一联 未加剂 141615 刘坪 未加剂 666 南梁 未加剂 171516 白豹 未加剂 171516 靖二联 未加剂 141414 董志 未加剂 222222 西一联一区 未加剂 181818 西刘靖混合油 未加剂 161616 董白混合油 未加剂 101819 西安石油大学本科毕业设计 论文 13 董白混合油 加剂 999 西刘靖混合油 加剂 101010 从加剂前后油样的流变参数的变化可以看出 降凝剂具有较好的降凝性 加入 降凝剂后 油样的凝点降低了 6 10 2 2 4 油样的粘度油样的粘度 温度曲线的测定温度曲线的测定 在输油管道模拟分析计算中 原油密度和粘度是两个重要的参数 原油粘度是 与温度紧密相关的 在本论文研究中 我们根据实测数据 绘制了庆咸管线所输送 原油的粘温曲线 为了准确模拟原油在管线中的剪切情况 根据所设计的管径及输量 首先进行 了速度分布及剪切速率的计算 2 s m A Q uu665 0 2 1 max 7 2 s R u dy du 1 27 7 max 8 考虑到热油管道的流态多为水力光滑区 并且在较高的温度下原油为牛顿流体 在较低的温度下为层流状态 故实验过程中取进行测量 s 1 20 所用测试设备为德国产 Rv 30 型 HAAKE 粘度计 采用 NV 转子 西一联 刘坪 靖二联混合油 董志 白马混合油加剂后的油样实验结果如表 2 3 2 4 并将数据处理之后绘出相应的粘温曲线如图 2 3 2 4 所示 表表 2 3 西一联 刘坪 靖二联混合油加原油基降凝剂油样粘度 温度数据表西一联 刘坪 靖二联混合油加原油基降凝剂油样粘度 温度数据表 粘度 mPas 温度 粘度 mPas 温度 粘度 mPas 温度 064 7046 38 99627 8 0 93864045 49 14126 9 0 2763 1044 512 4825 9 062 22 44943 511 2625 0 6261 22 68742 515 2824 1 0 01960 30 50841 719 1923 1 059 22 20540 819 6422 2 058 43 85139 821 5521 4 057 40 6638 928 0320 4 056 63 71637 927 1819 5 055 65 013728 9118 5 西安石油大学本科毕业设计 论文 14 054 71 96136 146 4617 6 053 74 16935 140 916 7 052 96 82534 244 1215 7 051 83 78533 456 614 8 0515 52732 459 8413 8 0508 05331 463 9613 0 228496 12130 672 1212 048 26 4129 678 911 047 39 6228 786 7810 1 图图 2 3 西一联 刘坪 靖二联混合油加原油基降凝剂油样粘 温曲线图西一联 刘坪 靖二联混合油加原油基降凝剂油样粘 温曲线图 表表 2 4 董志董志 白马混合油加原油基降凝剂油样粘度 温度数据表白马混合油加原油基降凝剂油样粘度 温度数据表 粘度 mPas 温度 粘度 mPas 温度 粘度 mPas 温度 4 86859 14 59340 311 7327 3 1358 35 1339 213 1626 2 79757 36 68338 312 6825 2 4 69156 35 55137 412 6924 3 2 53955 54 86859 114 9723 3 2 46254 43 1358 313 9422 3 2 89453 52 79757 315 0621 3 2 75852 54 69156 317 7120 4 西安石油大学本科毕业设计 论文 15 1 59451 62 53955 517 2519 5 3 66450 72 46254 418 9518 6 3 59149 85 81236 530 6217 6 2 55548 87 13335 625 7216 6 3 51747 97 13334 525 8315 7 4 2346 86 7733 641 9414 7 2 95845 98 72932 840 213 7 3 70744 97 87331 836 4813 4 999447 07530 949 6511 9 3 59143 111 2329 953 511 1 3 6242 211 628 953 6510 1 5 01441 210 122862 939 图图 2 4 董志董志 白马混合油加原油基降凝剂油样粘 温曲线图白马混合油加原油基降凝剂油样粘 温曲线图 2 2 5 油样温降曲线的测定油样温降曲线的测定 原油温降曲线采用固定温差下冷却原油的方法 也可以近似采用空气浴自然冷 却的方法进行测定 将油样加热到 60 然后装入原油温降测试管中 记录不同时间下的油温 西 一联 刘坪 靖二联混合油 董志 白马混合油加剂后的油样的测试结果如表 2 5 2 6 所示 其温降曲线如图 2 5 2 6 所示 表表 2 5 西一联 刘坪 靖二联混合油加原油基降凝剂油样温降数据表西一联 刘坪 靖二联混合油加原油基降凝剂油样温降数据表 温度 时间 S 时间间隔 S 温度 时间 S 时间间隔 S 西安石油大学本科毕业设计 论文 16 6004120 341 88 581 491 484022 42 07 563 11 623924 952 55 544 891 783827 52 55 526 691 803730 352 85 508 651 973633 292 93 499 60 953537 874 58 4810 721 123443 545 67 47121 283356 212 67 4612 970 973265 29 00 4514 121 153171 356 15 4415 371 253079 358 00 4316 871 502994 3715 02 4218 451 58 图图 2 5 西一联 刘坪 靖二联混合油加原油基降凝剂油样温降曲线西一联 刘坪 靖二联混合油加原油基降凝剂油样温降曲线 表表 2 6 董志 白马混合油加原油基降凝剂油样温降数据表董志 白马混合油加原油基降凝剂油样温降数据表 温度 时间 S 时间间隔 S 温度 时间 S 时间间隔 S 5504017 331 95 540 670 673919 902 57 西安石油大学本科毕业设计 论文 17 531 330 673822 522 62 522 050 723725 733 22 512 830 783629 223 48 503 650 823533 234 02 494 430 783439 276 03 485 471 033346 106 83 476 330 873254 087 98 467 551 223180 2326 15 458 731 183084 834 60 4410 221 482989 184 35 4311 701 482893 724 53 4213 351 6527100 586 87 4115 382 03 图图 2 6 董志 白马混合油加原油基降凝剂油样温降曲线董志 白马混合油加原油基降凝剂油样温降曲线 从上述图表可以看出 西一联 刘坪 靖二联混合油在 34 33 为一个明显 的集中析蜡温度段 董志 白马混合油在 32 31 为一个明显的集中析蜡温度段 原油在管输过程中随着输送距离的增加 温度逐渐降低 当温度降到集中析蜡温度 段时 蜡晶颗粒集中析出 吸附在管壁上 从而造成蜡堵 西安石油大学本科毕业设计 论文 18 2 3 庆咸管线的总传热系数庆咸管线的总传热系数 管道总传热系数 K 是指油流与周围介质温差为 1 时 单位时间内通过管道单 位传热表面所传递的热量 它表示油流至周围介质散热的强弱 在计算热油管沿程 温降时 K 值是最关键的参数 埋地热管道散热的传递过程是由三部分组成 即油流至管内壁的放热 钢管壁 保温层的热传导和管外壁至周围土壤的传热 包括土壤的导热和土壤对大气及地下 水的放热 2 2 3 1 管壁的导热管壁的导热 钢管壁 沥青层和保温层的热阻是一个定值 它不随其它因素而变化 而油流 与管内壁之间的热阻取决于油品的物性及流态 即 f T 管外壁与周围介质之间 1 的热阻取决于管道的敷设方式 管壁的导热包括钢管 或非金属管 沥青绝缘层 保温层等的导热 核算热油管道运行工况时 应计入管壁结蜡层等的影响 钢管壁导热热阻很小 可以忽略 非金属管材的导热系数小 加以管壁较厚 热阻相当大 据国外资料介绍 6 9mm 厚的沥青绝缘层 其热阻约占埋地管道总 热阻的 10 15 保温管道上 保温层的热阻是起决定影响的 特别是架空或水下敷设的管道 保温层热阻是最主要的 管内壁上的凝油和结蜡层的厚度随管道的运行条件 温度 流速等 而有显著 不同 计算时难以确定 由于凝油和石蜡的导热系数都很小 前者约为 0 11 0 14 W m 之间 随着凝油层厚度的增加 其热阻的影响可能相当大 如426 管 道曾因管壁上凝油层厚度的增加 而使 K 值由 1 9 W m 降至 1 25 W m 设计时当然不考虑凝油层热阻对 K 值的影响 但核算运行管道的 K 值时要计入壁上凝油层的影响 2 3 2 管外壁至土壤的放热系数管外壁至土壤的放热系数 2 埋地管道的管外壁至土壤的传热是管道散热的主要环节 当管道埋深较浅时 土壤表面对大气的放热也有较大的影响 管外壁的放热系数是管道散热强度的主 2 要指标 对于不保温的埋地管道 当管内油流为紊流状态时 总传热系数 K 近似等 于 2 传热学中将埋地热管道的稳定传热过程简化为半无限大均匀介质中连续作用的 线热源的热传导问题 并假设起始为均匀分布的土壤温度 且后来任一时刻土壤的 表面温度都是 并假设土壤至空气的放热系数 在上述假设的基础上 0 T ta 由源汇法得出 管壁至土壤的放热系数为 西安石油大学本科毕业设计 论文 19 2 2 1 2 2 ln 2 2 w t w t w t D h D h D 9 式中 土壤导热系数 W m t 管中心埋深 m t h 与土壤接触的管外径 m w D 式 2 9 推导中未考虑土壤自然温度场及土壤表面与大气热交换对管道散热的 影响 计算大口径浅埋的热油管道时误差较大 当 2 时 上式可近似为 t h w D 2 2 w t w t D h D 4 ln 2 10 考虑土壤 空气的热阻影响 取 2 2 1 t DtwH D 2 2 2Bi D t w 11 式 2 11 中右端第二项即为土壤 空气界面热阻 经整理后可得 2 2 1 2 2 2 BiHD Bi Dtw t 12 式中 B 2 i t tay 0 0 y 22 2 wt Dh ln Dt H w t D h2 1 2 2 w t D h ta 土壤至地表面空气的放热系数 W m ta tac taR 土壤表面至空气的对流放热系数 可按下式计算 tac tac 11 6 7 0 a V 西安石油大学本科毕业设计 论文 20 地表风速 m s a V 土壤表面至大气的辐射放热系数 由于两者温差不大 计算时可近似 taR 取定值 约 2 5 W m 当地面向空气的放热系数很大时 相当于土壤 空气界面间的热阻趋于零 ta 即 B 式 2 11 的第二项为零 此时式 2 9 与式 2 11 相同 2 i 2 3 3 埋地热油管道总传热系数埋地热油管道总传热系数 K 的确定的确定 在稳定传热的情况下 即热油管道经过长期运行 已在管内外建立起稳定的温 度场 在同一时间内各部分所传递的热量相等 其热平衡关系为 2 i y0liyb1bib i 1 2wb i 1 0 i 1 i 2 K D TT D TT TT D TT D ln D 13 式中 管道最外围的直径 m w D 钢管 沥青绝热层及保温层的内径和外径 m i D i 1 D 与上述各层相应的导热系数 W m i 油温 y T 埋深处的自然地温 0 T 钢管内壁的温度 b1 T 钢管 沥青绝热层及保温层内外壁的温度 bi T b i 1 T 油流至管内壁的放热系数 W m2 l 管外壁至土壤的放热系数 W m2 2 D 计算直径 对于无保温层管道 取钢管外径 对保温管道 可取保温层 内外径的平均值 在热油管道的设计阶段 上式中的总传热系数 K 可根据油流至管壁的放热系数 管壁的导热 包括钢管 沥青等材料的热绝热层 保护层的导热 和管外壁至土壤 的放热系数由下式计算确定 2 21 11 1 i i K 14 式中 为保温层的第 i 层的厚度 m i 其余符号同前 在本研究中 管道的管径 保温措施 环境温度均已确定 可以通过相关资料 西安石油大学本科毕业设计 论文 21 计算确定实际管道的总传热系数 K 也可以在设计时依据经验取定 由于总传热系数 K 值的大小对计算结果有较大的影响 根据管线的实际保温结 构 通过查资料 进行了实际计算 其中 m03 0 i 通过查资料 取保温层导热系数0 04W m i 输油管道中心埋深 1 5 m t h t h 黄土的导热系数 0 94 W m t t 输油管道与土壤接触的管外径 377 30 30 437mm 0 437m w D w D 油流至管内壁的放热系数 1在紊流状态下都大于 100 W m2 对总传热系数 K 的影响很小 可以忽略 本研究所设计的实际工况 都处于水力光滑管紊流区 故忽略 1 2 1 2 2 ln 2 2 w t w t w t D h D h D 1 437 0 5 12 437 0 5 12 ln 437 0 88 1 2 791764712 68649885 6ln 437 0 88 1 1 645628991 所以 K 2 1 1 i i 64562899 1 1 04 0 03 0 1 0 74W m2 现场提供的 K 值为 不保温条件下为 1 74 W m2 保温条件下为 0 78 W m2 比较理论计算数据与提供的数据 二者的值很相近 故本论文在后续 的分析中均采用现场提供总传热系数 0 78 W m2 进行计算 西安石油大学本科毕业设计 论文 22 3 热油管线运行参数优化理论热油管线运行参数优化理论 3 1 热油管道优化数学模型的建立热油管道优化数学模型的建立 原油加热输送过程中 每年都要消耗大量的费用 其中能量消耗费用相对比较 稳定 热油管道的运行能耗包括加热原油所需的燃料能耗和电力能耗两种 且它们 是构成运行费用的主要部分 鉴于降低运行能耗的最终目的是降低运行成本 寻求 最优运行参数 将能耗费用降到最小 无疑具有重要的现实意义 因此 在进行热 油管道优化运行研究和实践中一般都采用总能耗费用最低作为评价标准 2 总能耗费用 S SP SR 3 1 其中电力费用 SP SP 3 3 2 2 373 e d P R e H l 燃料费用 SR SR 3 3 yRZy RRH c TTe l 其中 西安石油大学本科毕业设计 论文 23 SP 单位电