張瑩

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結(jié)蠟厚度對(duì)含蠟原油管道蠟沉積速率預(yù)測(cè)的影響

張瑩

（中國(guó)石油大學(xué)（北京）油氣管道輸送安全國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室， 北京 102249）

以鐵嶺-秦皇島管道冬季輸送大慶原油為算例，對(duì)考慮和不考慮已有沉積物對(duì)后續(xù)沉積速率影響這兩種算法通過(guò)MATLAB軟件編程進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，兩種算法蠟沉積速率的差異與相對(duì)結(jié)蠟厚度成線性關(guān)系，相對(duì)結(jié)蠟厚度越大，差異越大。通過(guò)進(jìn)一步計(jì)算分析，明確了造成兩種算法差異的主要原因是動(dòng)力參數(shù)的變化。

含蠟原油；結(jié)蠟厚度；蠟沉積速率；

我國(guó)原油多為含蠟原油，在管道輸送過(guò)程中，溶解于油中的蠟分子會(huì)隨著油流溫度的降低而逐漸析出并沉積在管壁上，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，結(jié)蠟厚度越來(lái)越大，會(huì)造成管道內(nèi)有效管徑減小，造成輸量降低、壓力增大、輸送成本增大等問(wèn)題，故當(dāng)結(jié)蠟厚度達(dá)到一定程度時(shí)就必須對(duì)管道進(jìn)行清管。因此需要準(zhǔn)確地判斷結(jié)蠟速率，才能準(zhǔn)確地對(duì)結(jié)蠟厚度做出預(yù)測(cè)，這對(duì)于輸油管道安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行至關(guān)重要[1]。根據(jù)查閱的已有文獻(xiàn)中，發(fā)現(xiàn)在對(duì)結(jié)蠟速率計(jì)算時(shí)有的文獻(xiàn)考慮了已有的結(jié)蠟厚度對(duì)后續(xù)蠟沉積速率的影響，而有的文獻(xiàn)并未提及上述影響，故本文希望通過(guò)就考慮和不考慮結(jié)蠟厚度對(duì)蠟沉積速率的影響做比較。

1 結(jié)蠟?zāi)Ｐ透攀?/h2>

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在研究結(jié)蠟規(guī)律時(shí)，一般先從蠟沉積機(jī)理分析入手，然后通過(guò)室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)，在獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，建立半理論半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，再通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)模型檢驗(yàn)，從而判定模型的適用性及準(zhǔn)確性。結(jié)蠟?zāi)Ｐ椭饕謨深悾阂活愂窍炍龀瞿Ｐ蚚2-4]，另一類是蠟沉積模型[5-7]。

本論文根據(jù)蠟沉積方面的已有成果，并以中國(guó)石油大學(xué)（北京）黃啟玉[7]等人的普適性結(jié)蠟?zāi)Ｐ蜑楹诵幕A(chǔ)，就考慮和不考慮結(jié)蠟厚度采用MATLAB軟件編程對(duì)蠟沉積速率的影響這兩種算法對(duì)蠟沉積結(jié)果進(jìn)行計(jì)算。

2 計(jì)算介紹

2.1 結(jié)蠟?zāi)Ｐ?/h3>

與前人的結(jié)蠟?zāi)Ｐ拖啾?，普適性模型明確地考慮了管壁處剪切應(yīng)力的影響，將一些確定及不確定因素歸于值中。該模型的優(yōu)點(diǎn)在于當(dāng)其被用于現(xiàn)場(chǎng)結(jié)蠟預(yù)測(cè)時(shí)不需要通過(guò)大量的模擬實(shí)驗(yàn)并且經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，準(zhǔn)確度較高。具體計(jì)算式為：

2.2 主要參數(shù)

（1）沿線油溫

利用蘇霍夫公式計(jì)算，本文中按1 km為一個(gè)步長(zhǎng)單位，不足1 km的按1 km計(jì)算。

（2）管壁處徑向溫度梯度d/d

（3）管壁處剪切應(yīng)力

表1 管壁處剪切應(yīng)力

（4）管壁處蠟分子溶解度系數(shù)

運(yùn)用DSC方法可以確定原油的含蠟量以及某一溫度區(qū)內(nèi)原油的析蠟量，根據(jù)原油的析蠟特性曲線（不同溫度的累積析蠟量），得到平均油溫下管壁處蠟分子溶解度系數(shù)。

（5）黏度、密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)

黏度：根據(jù)原油的黏溫曲線得到對(duì)應(yīng)溫度下的黏度。

比熱容：比熱容是溫度的函數(shù)，原油和成品油的比熱容一般在1.6~2.5 kJ/(kg·℃)，本文粗略計(jì)算時(shí)取2 150 J/(kg·℃)。

導(dǎo)熱系數(shù)：本文粗略計(jì)算原油導(dǎo)熱系數(shù)取0.14 W/(m·℃)。石蠟導(dǎo)熱系數(shù)取2.5 W/(m·℃)。

（6）總傳熱系數(shù)

3 計(jì)算程序框圖

計(jì)算程序見圖1。

4 程序算例

以鐵秦線鐵嶺—新民站間管段冬季輸送大慶原油時(shí)為算例。

原油物性：大慶原油凝點(diǎn)33.5 ℃，析蠟點(diǎn)44.2 ℃，含蠟量28.44%，20 ℃時(shí)的密度為860 kg/m3。

選取距出站1 km（起點(diǎn)）、8 km（結(jié)蠟最嚴(yán)重的點(diǎn)）和92 km（終點(diǎn)）處的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，實(shí)線代表不考慮結(jié)蠟厚度對(duì)蠟沉積速率的影響，虛線代表考慮結(jié)蠟厚度對(duì)蠟沉積速率的影響。

圖1 考慮結(jié)蠟厚度對(duì)蠟沉積速率影響的程序框圖

圖2 不同節(jié)點(diǎn)處兩種算法的蠟沉積速率

（1）不同節(jié)點(diǎn)處，考慮和不考慮結(jié)蠟厚度影響時(shí)，蠟沉積速率規(guī)律一致。即不考慮結(jié)蠟厚度影響時(shí)，蠟沉積速率不變；考慮結(jié)蠟厚度影響時(shí)，結(jié)蠟厚度越大，蠟沉積速率越小。

（2）同一節(jié)點(diǎn)處，在考慮結(jié)蠟厚度對(duì)傳熱影響時(shí)，結(jié)蠟厚度越大，蠟沉積速率減小得越快。因?yàn)榭紤]結(jié)蠟厚度時(shí)對(duì)傳熱影響時(shí)，結(jié)蠟厚度越大，總傳熱系數(shù)減小得越來(lái)越快，相當(dāng)于形成的保溫蠟層的保溫效果越來(lái)越好，油流與外界換熱受阻，同一節(jié)點(diǎn)處蠟層表面的溫度升高得越來(lái)越快，徑向溫度梯度減小得越來(lái)越快，蠟分子擴(kuò)散速率減慢，因此結(jié)蠟速率也因此隨結(jié)蠟厚度增加而減小得越來(lái)越快。

為更加清楚地描述兩種算法蠟沉積速率的差異，故定義了如下變量：

以=8 km處的節(jié)點(diǎn)為例，計(jì)算了該處兩種算法蠟沉積速率差異、傳熱系數(shù)的差異、管壁處剪切力差異和溫度梯度差異隨結(jié)蠟厚度的變化情況，見圖3(a)、圖3(b)、圖3(c)和圖3(d)。

圖3(a)~(d) 各參數(shù)的差異與結(jié)蠟厚度的關(guān)系

這是由于隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，同一節(jié)點(diǎn)處的蠟層厚度不斷增大，在考慮結(jié)蠟厚度對(duì)傳熱的影響時(shí)，該節(jié)點(diǎn)處的總傳熱系數(shù)和管內(nèi)徑也會(huì)不斷減小，進(jìn)而引起了蠟沉積速率計(jì)算公式中的徑向溫度梯度、管壁處剪切力等參數(shù)的變化。

5 結(jié) 論

［1］王平, 江國(guó)業(yè), 田藝兵，等. 結(jié)蠟厚度對(duì)輸油成本的影響[J]. 石油化工高等學(xué)校學(xué)報(bào), 2002, 01: 47-50.

［2］Won K W. Thermo dynamics Calculation of Cloud Point Temperature and Wax Phase Composition of Refined Hydrocarbon Mixtures[J]. Fluid Phase Equil, 1989 (53).

［3］Hansen J H, Pedersen K S. Thermo dynamic Model for Predicting Wax Formation in Crude Oils[J]. AIChE: 1988 (34).

［4］Svendsen J A. Mathematical Modeling of Wax Deposition in Oil Pipeline Systems[J]. AIChE, 1993 (39).

［5］Burger E D., Perkins T K., Striegler J H. Studies of Wax Deposition in the Trans–Alaska Pipeline[J]. Journal of Petroleum Technology, 1981(4): 1075-1086.

［6］Hamouda A A, Ravn y J M. Prediction of Wax Deposition in Pipelines and Field Experience on the Influence of Wax on Drag-Reducer Performance, OTC 7060, the 24th Annual OTC, Houston, Texas, 1992, 669-679.

［7］黃啟玉,李瑜仙,張勁軍.普適性結(jié)蠟?zāi)Ｐ脱芯縖J].石油學(xué)報(bào), 2008, 03: 459-462.

Effect of Wax Deposit Thickness on Prediction of Wax Deposition Rate in Waxy Crude Oil Pipelines

（National Engineering Laboratory of Oil and Gas Pipeline Transportation Safety, China University of Petroleum, Beijing 102249，China）

Taking Tieling-Qinhuangdao pipeline for transporting Daqing crude oil in winter for an example, based on the mechanism of waxy crude wax deposition and wax deposition rate model, two kinds of algorithms: considering and without considering the impact of wax deposits on subsequent wax deposition rate, were developed; a comparison was carried out for calculating the wax deposition rate by using Matlab language. The results show that, in the pipeline transportation of waxy crude oil, the difference between wax deposition rates calculated by using two algorithms has a linear relationship with wax deposit thickness, the greater the relative wax deposit thickness, the greater the difference is. Furthermore, the computing results show that, the main factor to cause the difference of these two algorithms is the variation of the dynamic parameter.

waxy crude oil; wax deposition rate; pipeline transportation

TE 832

A

1004-0935（2017）04-0377-04

2017-03-06

張瑩（1993-），女，中國(guó)石油大學(xué)（北京）研究生在讀，湖北省荊州市人，2015 年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（北京）油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)， 研究方向：從事多相管流及油氣田集輸。