張國軍

特石超稠油摻柴油降黏輸送最優(yōu)化研究

張國軍

（中國石油天然氣管道工程有限公司， 遼寧 沈陽 110000）

以遼河油田以特石管線運(yùn)行工況為基礎(chǔ)，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)研究超稠油流變特性及黏溫特性，通過在超稠油中摻入柴油來降低超稠油黏度，驗(yàn)證混合黏度公式在特石超稠油中應(yīng)用的準(zhǔn)確性。建立超稠油長輸管道優(yōu)化運(yùn)行數(shù)學(xué)模型，以柴油摻入量和輸送溫度為決策變量，利用混合離散變量組合法確定三種工況下最佳出站溫度和摻稀比；通過摻柴油降黏的方式進(jìn)行特石超稠油集輸，在保證安全的前提下，降低管輸運(yùn)行成本，對實(shí)際管線運(yùn)行優(yōu)化具有很好的理論指導(dǎo)意義。

超稠油；摻柴油輸送；混合黏度；最優(yōu)化

遼河油田曙光特油2號站至石化分公司特石超稠油輸油管線設(shè)計輸量100×104t·a-1[1]。特石超稠油黏度大，輸送困難，目前特石超稠油的輸送方式主要采用加熱降黏輸送，稠油出站溫度為80 ℃以上，管道的主要運(yùn)行費(fèi)用集中在電能損耗和熱能損耗上，且電能消耗和熱能損耗互相制約，如何提高稠油的集輸效率問題便集中到了稠油降黏上，稠油的輸送過程中首先要進(jìn)行降黏[2-6]，稠油降黏方法主要有加熱降黏、乳化降黏及摻稀油降黏，對于單純依靠加熱降黏輸送有一定的局限性，具有較大的優(yōu)化空間，本文針對特石超稠油在不同溫度下在摻入不同比例柴油進(jìn)行降黏輸送，尋求特石超稠油輸送的最優(yōu)化結(jié)果。

1 特石超稠油摻柴油降黏

本文采用在特石超稠油中摻入柴油降黏的方式進(jìn)行管輸，同時結(jié)合加熱，來達(dá)到超稠油管輸?shù)淖顑?yōu)化運(yùn)行。

表1 特石超稠油一般物性

1.1 特石超稠油物性實(shí)驗(yàn)

1.1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

本文采用RS300流變儀測量油品黏溫特性[7-8]。實(shí)驗(yàn)儀器主要有：RS300流變儀，托盤天平，恒溫水箱，燒杯，電加熱箱，攪拌器，磨口瓶。

圖1 RS300流變儀

1.1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

利用R300旋轉(zhuǎn)流變儀，通過恒溫水域調(diào)節(jié)油品溫度，記錄原油在不同溫度及不同剪切速率下的黏度，在升溫過程中要恒溫保持足夠長的時間，使得原油溫度分布均勻，性質(zhì)各向一致，剪切過程也要保持足夠時間，然后記錄儀器數(shù)據(jù)。最低測試點(diǎn)溫度為40 ℃，每隔2 ℃作為一個測試點(diǎn)，最高溫度90 ℃，以0.5～1 ℃·min-1的溫度變化速度調(diào)節(jié)溫度，記錄測量數(shù)據(jù)，繪制黏溫特性曲線及流變特性曲線。

根據(jù)特石超稠油混合油品黏度特征，黏溫關(guān)系式選用兩參數(shù)關(guān)系式：

應(yīng)用matlab軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的非線性回歸，得到待定參數(shù)a=2.610 5，b=450.634 6。

1.2 混合油品黏度的確定

特石超稠油摻柴油后形成混合油品，混合油品黏度需要根據(jù)黏度比選取核實(shí)的計算公式[9]，本文中稠油與稀油的黏度比約為7 000，雷德爾方程建立在高黏度比的基礎(chǔ)上，在稠油摻稀油混合黏度的計算中效果更加理想，不適合低黏度比的系統(tǒng)，應(yīng)用雷德爾具有很好的適應(yīng)性。所以本文選用雷德爾公式計算混合油品黏度。

雷德爾給出了混合黏度計算公式如下：

式中：—混合油品黏度，mPa·s；

μ—稠油黏度，mPa·s；

μ—稀油黏度，mPa·s；

V—稠油體積分?jǐn)?shù)；%；

V—稀油體積分?jǐn)?shù)，%。

常數(shù)的確定，由于是一個與體積分?jǐn)?shù)無關(guān)的量，可通過上述公式找到與各參數(shù)的關(guān)系，假定在稠油中摻入無限多輕質(zhì)油，有臨界條件V→0，則可由公式（2）得到極限X→V，同時對雷德爾方程進(jìn)行推導(dǎo)，可得到：

公式表明，在確定的溫度下混合油品黏度與稀油黏度的比值是一次函數(shù)，直線的斜率為aln(μ/μ)。

1.3 摩阻計算

流體通常分為層流和紊流兩種，不同的流態(tài)對應(yīng)著不同的雷諾數(shù)，對于流體發(fā)生突變的雷諾數(shù)值通常因各種具體因素的不同而有所不同，流體突變的雷諾數(shù)值通常在2 000～3 000之間，當(dāng)≤2 000時為層流，2 000≤≤3 000處理為紊流光滑區(qū)，當(dāng)3 000≤則為紊流。

由雷諾數(shù)計算公式：

式中：—雷諾數(shù)；

—油品在管路中的體積流量，m3·s-1；

—管道半徑，m；

—油品運(yùn)動黏度，m2·s-1。

對于沿程摩阻的計算，利用到油品的黏溫關(guān)系式，管內(nèi)流態(tài)為層流、管道起終點(diǎn)油溫溫差較大，使油流黏度變化大且對摩阻影響較大時，通常對管道的摩阻進(jìn)行分段來計算。即：

式中：—水力損失，m。

2 特石超稠油摻柴油管輸工藝優(yōu)化優(yōu)化

對于超稠油管道摻稀油降黏優(yōu)化運(yùn)行方案[11-15]：需要確定三個參數(shù)：（1）確定管道沿線加熱站進(jìn)出站溫度。（2）確定超稠油摻稀油比例。（3）根據(jù)混合油品的黏度，確定沿線各泵站進(jìn)出站壓力。

以熱力費(fèi)用、動力費(fèi)用及柴油費(fèi)用之和最小為目標(biāo)函數(shù)，建立特石超稠油管線優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。確定最合理的出站溫度、壓力、摻稀比。

2.1 目標(biāo)函數(shù)的建立

以稀油的摻入量以及輸送溫度最為決策變量，建立稠油摻柴油輸送的最優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，目標(biāo)函數(shù)可表示為：

2.1.1 熱力損耗費(fèi)用的計算

對于特石超稠油管道，存在著一個能耗最小的最優(yōu)輸送條件，進(jìn)站溫度保證高于超稠油凝點(diǎn)3 ℃，根據(jù)溫降公式，出站溫度保證在溫降的前提下，滿足進(jìn)站要求，即進(jìn)站溫度大于等于最低進(jìn)站溫度。

式中：—熱站號，無因次；

—熱站數(shù)，無因次；

G—日輸原油重量，kg·d-1；

—原油熱容，J·(kg·℃)-1；

T—第站出站溫度，℃；

T—第站進(jìn)站溫度，℃；

E—燃料油價格，元·kg-1；

—加熱爐效率，無因次；

B—燃料油熱值，J·kg-1。

2.1.2 熱力損耗費(fèi)用的計算

式中：—泵站序號，無因次；

—管道摩阻損失，m；

2.1.3 柴油有關(guān)費(fèi)用的計算

式中：L—柴油煉制費(fèi)用，元·t-1；

G—柴油日輸送質(zhì)量流量，t·d-1；

F—柴油返輸費(fèi)用，元·（t·km）-1；

—管線長度，km。

2.2 約束條件

2）由于加熱爐熱負(fù)荷要求，加熱站溫度要低于加熱爐的最高加熱溫度。同時，出站溫度要低于超稠油的初餾點(diǎn)；

7）滿足各站的泵站特性約束，即在給定輸量下該站能夠提供的最高揚(yáng)程。

2.3 特石超稠油管道最優(yōu)化方案

2.3.1 管道工藝及運(yùn)行參數(shù)

特石管線設(shè)計輸量為100×104t·a-1，管道外徑為406.4 mm，管線總長度為25.64 km，輸油首站與末站間設(shè)置中間熱泵站，管子絕對當(dāng)量粗糙度0.000 1 m，首站到中間站長度13 320.00 m，中間站到末站管線長度12 320.00 m，首站進(jìn)口溫度65.00 ℃，土壤最冷月平均地溫：-6.4 ℃，最熱月平均氣溫：22.5 ℃。

對于特石管線，本文提出三種優(yōu)化方案：

1）熱力越站優(yōu)化。

2）動力越站優(yōu)化。

3）全越站優(yōu)化。

首站至中間站管線的總傳熱系數(shù)為0.751 4 W·(m2·℃)-1[16]，中間站至末站管線總傳熱系數(shù)0.741 3 W·(m2·℃)-1。埋深處的自然地溫10.00 ℃，稠油體積流量0.034 3 m3·s-1，質(zhì)量流量33.07 kg·s，總熱效率0.355 1，泵效率0.667 5，燃料熱值16 800.00 kJ·kg-1，燃料單價550.00元·t-1，電價0.55元·kWh-1。

以管線總運(yùn)行費(fèi)用作為目標(biāo)函數(shù)，以摻稀比、首站和中間站的出站溫度作為決策變量，其余作為常量輸入，本文采用混合離散變量組合法對特石管線進(jìn)行優(yōu)化計算，計算過程的主要思路是通過離散搜索。

1）熱力越站優(yōu)化計算結(jié)果。

圖3 熱力越站平均輸油成本與首站出站溫度及摻稀比的關(guān)系

2）動力越站優(yōu)化計算結(jié)果

圖4 動力越站平均輸油成本與首站出站溫度及摻稀比的關(guān)系

3）全越站優(yōu)化計算結(jié)果

圖5 全越站平均輸油成本與首站出站溫度及摻稀比的關(guān)系

2.3.2 最優(yōu)方案的選擇

通過對三種運(yùn)行工況（1）的優(yōu)化計算，由計算數(shù)據(jù)及圖像可以看出，全越站（4），熱力越站（2）以及動力越站（3）下的最經(jīng)濟(jì)運(yùn)行工況如表2。

表2 三種運(yùn)行方案運(yùn)行參數(shù)以及運(yùn)行費(fèi)用

3 結(jié)論

超稠油摻柴油管道輸送研究具有非常重要的理論意義及很高的實(shí)際應(yīng)用價值。

1）通過在特石超稠油中摻柴油降黏輸送，同時結(jié)合加熱降黏技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)越站運(yùn)行；

2）摻柴油輸送三種優(yōu)化運(yùn)行工況費(fèi)用均小于現(xiàn)運(yùn)行工況，首站出站壓力、出站溫度均低于現(xiàn)工況，更加利于管道安全運(yùn)行。

3）全越站運(yùn)行工況摻稀比為5%，首站出站溫度為72，出站壓力為2.79 MPa，運(yùn)行費(fèi)用最低，日運(yùn)行費(fèi)用為25 676.1元。

[1] 吳玉國，王博，王紅. 遼河油田特石超稠油管線優(yōu)化運(yùn)行研究[J].節(jié)能技術(shù)，2010，28 (161)：253-256.

[2]于勐．淺析稠油降黏技術(shù)及其發(fā)展方向[J] . 石化技術(shù)，2018, 25 (12) ：139.

[3]馬妮莎．塔河稠油化學(xué)降黏劑優(yōu)選及降黏效果評價[D] . 北京：中國石油大學(xué)(北京)，2019.

[4]李曉亮，江安，蘇延輝．稠油自乳化降黏劑評價[J] . 石化技術(shù)，2020, 27 (11) 128-129.

[5]王培．稠油降黏劑降黏技術(shù)研究[J] . 遼寧化工，2018，47 (09)：960-962.

[6]賀亞維．稠油乳化降黏輸送優(yōu)化運(yùn)行研究[J]. 化學(xué)工程師. 2020, 34 (02)：40-45.

[7]汪周杰，李松巖，韓瑞．超稠油改質(zhì)降黏體系實(shí)驗(yàn)研究[C] .2020油氣田勘探與開發(fā)國際會議論文集，2020：1775-1782.

[8] 裴海華，張貴才，葛際江，等. 塔河油田超稠油混合摻稀降黏實(shí)驗(yàn)研究[J]. 特種油氣藏，2011，18（4）：111-113.

[9] 王婷，陽緒斌，張衡，等. 稠油摻稀后混油黏度計算方法的研究[J].管道技術(shù)與設(shè)備，2012（1）：18-19.

[10] 楊惠達(dá)，吳明，王平. 埋地?zé)嵊凸艿劳］斴S向溫降規(guī)律研究[J]. 石油化工高等學(xué)校學(xué)報，2001，14（3）：51-55.

[11] 吳明，王梅，崔華. 用最優(yōu)化方法計算熱油輸送經(jīng)濟(jì)溫度[J]. 天然氣與石油，1998，16（4）：5-7.

[12]劉宇思. 海上稠油油田的降黏開采及集輸技術(shù)[J]. 化工管理，2018 (24) ：125.

[13]劉彥哲．重質(zhì)稠油管道輸送工藝關(guān)鍵技術(shù)調(diào)研[J] . 遼寧化工，2019，48 (04)：353-355.

[14]姚春雪．稠油集輸系統(tǒng)能耗和油品損耗評價技術(shù)研究[D] . 黑龍江：東北石油大學(xué)，2020.

[15]朝魯門，史繼偉，張江，等．淺析塔河油田稠油井摻稀降黏工藝技術(shù)[J] . 化工管理，2018 (17) ：51-52.

[16] 王凱，李清平，宮敬，等. 淺埋管道總傳熱系數(shù)的計算[J]. 油氣田地面工程，2011，30（12）：16-18.

Study on Teshi Super Heavy Oil Viscosity Reducing Transport Process Optimization by Mixing Diesel Fuel

（China Petroleum Pipeline Engineering Corporation, Shenyang Liaoning 110000, China）

Based on the operating conditions of Teshi pipeline of Liaohe oilfield, super heavy oil rheological properties and viscosity-temperature characteristics were studied. By mixing diesel fuel in super heavy oil to reduce viscosity, the accuracy of the mixed viscosity formula in the Teshi super heavy oil was verified. The mathematical model for optimizing super heavy oil long-distance pipeline operation was established. Diesel blending amount and transport temperature were used as decision variables, the best outbound temperature and blending ratiounder the three conditions were calculated and determinedby mixed discrete variable combination method.The gathering and transportation of the Teshi super heavy oil was carried out by blending diesel fuel to reduce the viscosity. Under the premise of ensuring safety, the pipeline running costscould be reduced. The paper has good theoretical significance for actual pipeline operation optimization.

Super heavy oil; Blending diesel fuel transport; Mixed viscosity; Optimization

2021-06-28

張國軍（1986-），遼寧省沈陽市人，中級職稱，碩士學(xué)位，2013年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)油氣儲運(yùn)工程專業(yè)，研究方向：石油天然氣儲運(yùn)設(shè)計。

TQ022.12+5

A

1004-0935（2022）03-0339-05