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        大落差管道改性輸送工藝研究

        2021-10-28 08:47:10王成林李鳳緒尚增輝李憲昭
        化工機(jī)械 2021年5期

        王成林 梁 明 李鳳緒 尚增輝 李憲昭

        (中國石油工程建設(shè)有限公司華北分公司)

        三塘湖油田原油外輸管道位于新疆哈密地區(qū), 起于牛圈湖聯(lián)合站, 止于鄯-蘭干線四堡泵站,管道全長193.5 km,管道規(guī)格為D273.1 mm×6.4 mm (7.1 mm)/D219.1 mm×5.2 mm, 管道材料L390,設(shè)計(jì)壓力8.5~12.0 MPa,管道埋深1.5 ~2.5 m,全線采用埋地保溫敷設(shè)方式。 管道設(shè)計(jì)輸量1 Mt/a,最小啟輸量為390 kt/a,最大輸量為1 150 kt/a。 全線設(shè)有首站、1#泵站、2#熱泵站、3#熱站、4#減壓站和末站6 座工藝站場。

        三塘湖原油外輸管道翻越南、北天山,管道沿線呈馬鞍形:1#RTU(遠(yuǎn)程終端單元)位于北天山管道里程57.2 km 處,高程2 764 m;中間為盆地,盆地最低點(diǎn)管道里程68.4 km,高程1 998 m;2#RTU 在翻越南天山118.1 km 處,高程2 767 m;下坡段設(shè)置4#減壓站和末站, 低點(diǎn)高程706 m。該管線落差(2 061 m)大,且沿線地溫低(2#熱泵站與4#減壓站之間冬季最低地溫-4.5 ℃)。 2018年三塘湖采油廠原油產(chǎn)量為545 kt/a (超過管道最小啟輸量),達(dá)到管道投運(yùn)條件,為確保三塘湖原油外輸管道的安全投產(chǎn)與運(yùn)行,對三塘湖原油管道改性輸送的工藝條件進(jìn)行研究分析。

        1 三塘湖原油物性現(xiàn)狀及輸送條件

        三塘湖油田原油的基本物性數(shù)據(jù)與原設(shè)計(jì)時期(2008 年)對應(yīng)的數(shù)據(jù)見表1。 由表1 可以看出,三塘湖油田原油的物性與原設(shè)計(jì)時期油田原油的物性相比發(fā)生了較大的變化。 其中,密度、黏度、凝點(diǎn)和蠟含量均增加,而瀝青+膠質(zhì)含量和析蠟點(diǎn)均降低。

        三塘湖原油黏溫曲線如圖1 所示。 由圖1 可見,三塘湖原油黏度與原設(shè)計(jì)時期的相比,相同溫度下增大近一倍;溫度低于25 ℃時油品為非牛頓流體、高于25 ℃時為牛頓流體。 根據(jù)三塘湖管道輸油泵廠家建議, 泵在油品黏度100 mPa·s 以上的小范圍內(nèi)仍有較高的運(yùn)行效率,故輸送三塘湖原油時,泵入口溫度應(yīng)高于30 ℃。因此,1#泵站進(jìn)站溫度不低于30 ℃,其余各站進(jìn)站溫度高于凝點(diǎn)3 ℃以上(凝點(diǎn)為12 ℃);鑒于三塘湖原油初餾點(diǎn)為72 ℃,各站出站最高溫度不應(yīng)超過67 ℃。

        圖1 三塘湖原油黏溫曲線

        三塘湖原油外輸管道的輸送工藝計(jì)算采用DNV-GL 公司的SPS (Synergi Pipeline Simulator)軟件來完成。 該軟件能夠完成長輸管線的離線實(shí)時模擬計(jì)算, 是全世界公認(rèn)的用于長距離輸油(氣)管道設(shè)計(jì)、計(jì)算和全線自動化控制模擬的高精度軟件[1,2]。 按最小啟輸量(390 kt/a)輸送油品時管道的工藝計(jì)算結(jié)果見表2。由表2 可知:在最小啟輸量390 kt/a 下,各站加熱系統(tǒng)均需工作,2#熱泵站出站溫度達(dá)到最高出站溫度(67 ℃)時,3#熱站進(jìn)站溫度為15.4 ℃(高于凝點(diǎn)3.4 ℃);此工況下各站出站溫度均較高,能耗較大。 經(jīng)模擬計(jì)算, 安全停輸時間最短處為3#熱站進(jìn)站管道,其安全停輸時間為14.3 h(原設(shè)計(jì)安全停輸時間為28.7 h)。

        表2 最小啟輸量時工藝計(jì)算結(jié)果(冬季輸送)

        考慮到三塘湖管道沿線具有地溫較低、高落差等特點(diǎn),若不采取措施,則無法保障管道的安全運(yùn)行。 為確保三塘湖原油外輸管道安全投產(chǎn)和運(yùn)行,有必要進(jìn)行改性輸送工藝的試驗(yàn)研究。

        2 降凝試驗(yàn)

        降凝劑是一種化學(xué)合成的聚合物或縮聚物,其分子中一般含有極性基因(或芳香核)和與石蠟基相類似的烷基鏈。 通常在含蠟原油中添加少許降凝劑就可以大幅降低原油的凝點(diǎn)(SP)、表觀黏度和屈服值,以達(dá)到改善原油在較低溫度下流動性的目的,又被稱為低溫流動改進(jìn)劑[3]。降凝劑的降凝機(jī)理涉及理論眾多[4~8],影響降凝作用的因素繁雜[9~13]。 目前,向原油中添加降凝劑工藝比較成熟,已應(yīng)用于長呼原油管道、魏荊輸油管道等[14,15]。 基于三塘湖原油的基礎(chǔ)物性和流變性質(zhì)測試結(jié)果, 其凝點(diǎn)較高且20 ℃以下的黏度較大,需添加降凝劑進(jìn)行改性處理。

        2.1 試驗(yàn)方法與條件

        降凝劑改性效果的評價試驗(yàn)參照SY/T 5767—2016《原油管道添加降凝劑輸送技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行。鑒于三塘湖原油初餾點(diǎn)為72 ℃,根據(jù)加藥溫度不能高于原油初餾點(diǎn)的原則,對降凝劑進(jìn)行篩選試驗(yàn)。

        試驗(yàn)條件如下:

        待選藥劑 CE、EVA、EP-B1、EP-B3、GY-2、

        BEM-3、BEM-5P、BEM-6N、BEM-Q、

        DPD-1、DPD-2、DPD-3、DPD8861

        加藥溫度 55、60 ℃

        加藥量 50、100 mg/kg

        攪拌轉(zhuǎn)速 180 r/min

        測試溫度 5 ℃

        2.2 試驗(yàn)結(jié)果

        降凝劑篩選試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。由表3 可知,加入降凝劑后, 在終冷溫度下三塘湖原油的黏度、凝點(diǎn)和屈服值均有所降低,凝點(diǎn)最大下降6 ℃,達(dá)不到SY/T 5767—2016 《原油管道添加降凝劑輸送技術(shù)規(guī)范》的要求——經(jīng)降凝劑改性處理后凝點(diǎn)至少要有8 ℃的降幅。

        表3 降凝劑篩選試驗(yàn)數(shù)據(jù)

        經(jīng)篩選試驗(yàn),13 種降凝劑中BEM-Q 的降凝效果最好,因此選取BEM-Q 進(jìn)行流變性質(zhì)測定。降凝前后三塘湖原油黏溫曲線如圖2 所示。 由圖2 可見,加入50 mg/kg BEM-Q 后,三塘湖原油在不同溫度下降黏率相差并不大,低溫時降黏率略高,高溫時降黏率略低,總體降黏效果有限。

        圖2 降凝前后三塘湖原油黏溫曲線

        3 摻混試驗(yàn)

        摻混輸送主要用于含蠟高凝原油或稠油的輸送[16,17],且摻混輸送比化學(xué)降黏、稠油改質(zhì)降黏等方式更具經(jīng)濟(jì)性和可行性[18],已在國內(nèi)得到應(yīng)用,如日東原油管道、中洛線及烏鄯原油管道等[19~21]。

        對高凝、高黏且降凝劑作用不明顯的三塘湖原油進(jìn)行摻混試驗(yàn),摻混所需的稀油選取吐哈油田內(nèi)部的紅臺原油和塔里木原油。

        3.1 三塘湖原油-紅臺原油的混合

        三塘湖原油和紅臺原油在不同摻混比例下的物性測試結(jié)果見表4。由表4 可知,隨著紅臺原油摻入比例的增加,混合油的密度下降趨勢較為明顯,而凝點(diǎn)降幅有限。

        表4 不同比例的三塘湖-紅臺混合油物性測試結(jié)果

        該混合油品黏溫曲線如圖3 所示。 由圖3 可見,摻混紅臺原油后,可顯著降低25 ℃以下的混合油黏度, 與三塘湖原油的黏度相比,20 ℃的混合油黏度降低了58.6%,但25 ℃以上的混合油黏度降幅較小。

        圖3 三塘湖∶紅臺=10∶1 摻混后油品黏溫曲線

        3.2 三塘湖原油-塔里木原油的混合

        三塘湖原油和塔里木原油在不同摻混比例條件下的物性測試結(jié)果見表5。由表5 可知:要使混合油的密度降至870 kg/m3以下, 需摻入近30%的塔里木原油; 要使混合油的凝點(diǎn)降至0 ℃以下,則塔里木原油的摻入比例不能低于50%。

        表5 不同比例的三塘湖-塔里木混合油的物性測試結(jié)果

        3.3 三塘湖原油-紅臺原油-塔里木原油的混合

        由前兩節(jié)測試結(jié)果可知,紅臺原油的降密效果較好,而塔里木原油的降凝效果較好。 綜合考慮降密和降凝的需求,將三塘湖原油、紅臺原油和塔里木原油進(jìn)行混合,鑒于三塘湖原油和紅臺原油的產(chǎn)量比為10∶1,故固定其比例為10∶1。

        三塘湖原油、紅臺原油和塔里木原油在不同摻混比例條件下的物性測試結(jié)果見表6。 由表6可知:當(dāng)塔里木原油的摻入量達(dá)到15%時,混合油的密度可降至870 kg/m3以下; 當(dāng)塔里木油的摻入量超過20%時,可使混合油的凝點(diǎn)降至4 ℃以下,凝點(diǎn)降幅可達(dá)8 ℃。

        表6 不同比例的三塘湖-紅臺-塔里木混合油的物性測試結(jié)果

        摻混稀油前后三塘湖原油黏溫曲線如圖4所示。由圖4 可見,隨著向三塘湖∶紅臺=10∶1 的混合油品中添加的塔里木油量增加,混油的黏度逐漸降低。

        圖4 摻混稀油前后三塘湖原油黏溫曲線

        對(三塘湖∶紅臺=10∶1)∶塔里木=8∶2 的混合油品進(jìn)行流變性質(zhì)的測定,結(jié)果如圖5 所示。由圖5可見,當(dāng)油品按(三塘湖∶紅臺=10∶1)∶塔里木=8∶2混合時,溫度高于14 ℃呈牛頓流體,此時黏度為123.5 mPa·s, 與三塘湖原油黏度相比降低了88.2%,降黏效果顯著。

        圖5 (三塘湖∶紅臺=10∶1)∶塔里木=8∶2混合油品的黏溫曲線

        3.4 摻混輸送工藝計(jì)算

        從摻混塔里木原油拉運(yùn)輸送的經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā),并綜合考慮降凝和降黏因素,選?。ㄈ梁眉t臺=10∶1)∶塔里木=8∶2 的混合油,再結(jié)合輸油泵效率這一因素,設(shè)定1#泵站進(jìn)站溫度不低于14 ℃,其余各站進(jìn)站溫度不低于7 ℃(凝點(diǎn)4 ℃)。輸送該油品時,管道最小啟輸量可降至290 kt/a,其工藝計(jì)算結(jié)果見表7。由表7 可知,牛圈湖首站和4#減壓站可實(shí)現(xiàn)熱力越站, 僅有2#熱泵站和3#熱站的加熱系統(tǒng)工作,能耗較低。 經(jīng)模擬計(jì)算,安全停輸時間最短處仍為3#熱站進(jìn)站管道,但其安全停輸時間延長至43.7 h。

        表7 最小啟輸量時工藝計(jì)算結(jié)果(冬季輸送)

        4 結(jié)論

        4.1 從2008 年到2018 年,三塘湖原油物性變化較大,黏度、凝點(diǎn)和含蠟量均增大,經(jīng)工藝核算,宜采取降凝降黏輸送工藝。

        4.2 三塘湖原油對降凝劑的感受性不強(qiáng),降凝劑的加入對降低三塘湖原油的凝點(diǎn)和黏度均有限。

        4.3 紅臺原油對降低三塘湖原油密度效果明顯,且能顯著降低25 ℃以下的三塘湖原油黏度,但降低其凝點(diǎn)有限。

        4.4 塔里木原油對降低三塘湖原油凝點(diǎn)和黏度效果明顯,但降低其密度有限。

        4.5 當(dāng)輸送(三塘湖∶紅臺=10∶1)∶塔里木=8∶2 的混合油時,管道的最小啟輸量可降至290 kt/a,此工況下,管道的安全停輸時間可延長至43.7 h。

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