低输量原油管道的安全性分析

　　摘要：根据热油管道的工作特性，分析管道输量降低时对原油管道运行参数的影响，找到低输量原油管道运行中的各项不稳定因素，并且提出安全防护的措施，以保证低输量原油管道的安全运行。
　　
　　关键词：原油管道；低输量；安全分析
　　
　　
　　低输量是指管道输量低于加热正输允许的最低输量，而低输量问题是指管道在这样的输量下能否平稳运行。低输量导致原油进站温度下降，而我国盛产“三高”(高含蜡、高粘度、高凝点)原油，其流动性能受温度影响很大，所以我国原油管道在低输量运行出现的问题十分突出。因此，有必要分析原油管道工作特性，找出低输量对原油管道运行安全的影响，提出安全措施及建议，以加强管理、保证管道的安全运行。
　　1.低输量对原油管道工作特性的影响
　　原油管道能够正常运行的基本要求是，提供的压力能要大于克服位差和摩阻损失产生的压力消耗。对一条已建成的管道，其高程差是不变的，而管道摩阻损失的变化较大。因此，以下主要分析低输量对管道摩阻的影响。每米管路摩阻计算公式为：
　　(1)
　　1．1管道沿线温度下降
　　加热输送原油温度与管外环境温度相差大，在径向温差的作用下原油不断向外散热，沿线温度逐渐降低。当输量减少时，油流速度减慢，这样单位油流在管内散热时间加长，使管道沿线温度下降更快。
　　1．2原油粘度上升
　　输量降低使油温下降，而含蜡原油的流变性受温度影响很大。当油温较高时，含蜡原油呈牛顿流体的特性。当油温高于凝固点10℃左右时，高含蜡原油已具有非牛顿流体的特性，而非牛顿流体的流变参数随温度的变化要比牛顿流体激烈得多。以高含蜡的大庆原油为例，其凝固点在30℃左右，而其反常点一般在40℃左右。实验测得大庆原油的流变曲线如图l所示。可以看出，随着温度的降低，原油的表观粘度增大。而剪切速率越低，粘度增大速度就越快。
　　
　　剪切速率/s-1
　　图l大庆原油流变曲线
　　热油管道输量降低，使管内油温下降。同时，输量越低，管道内速度就越慢，剪切速率也越低。所以，随着原油输量的降低，其表观粘度上升幅度将不断加大，原油的流动性能也就越来越差。
　　1．3管道当量直径减小
　　热油管道内壁的结蜡情况主要受到油温、油壁温差、流速、杂质和管道运行时间的影响。输量降低使得原油的流速和温度都下降，温度下降使得管壁的凝油层加厚，而流速降低会减少对凝油层的冲刷，使结蜡强度增强。同时，流速降低使管内层流管段加长，而层流状态下含蜡原油的结蜡情况要比紊流严重。因此，输量越低，原油的结蜡速度越快，管道的当量直径也就越小。
　　由以上分析可知，热油输量下降将使热油管流的层流段加长和热油的温度下降，随之引起热油粘度升高，管内结蜡加快、通流面积减少，这些都将使管道摩阻增加。在低输量下，单位热油所产生的摩阻增大了，而且随着输量的降低摩阻会增大得更快，但是，输油泵可以提供给每单位油品的压力只能在一定范围内变化，因此，低输量运行的热油管道能量平衡的稳定性下降了。
　　2.原油管道低输量运行中的不稳定性
　　2．1管道运行工况的不稳定
　　管道输送系统的工况点，是建立于泵和管道系统能量供求关系平衡的基础上的，如图2所示，泵站特性曲线Q一H和管路损失特性曲线Q一∑h和的交点M就是泵和管路的工作点。如果外部条件变化，使压力的[供给]>[需要]，管道内就有富裕能量，这部分能量将以动能的形式消耗，使油流速度加快、输量加大，工况点将自动M点为止。如果[供给]<[需要]，管道中水流能量不足，管道减缓，工况点将向流量小的一侧移动，直到退至M点达到平衡为止。
　　
　　在正常输量下，管内原油温度较高，管道工作特性曲线曲度较缓。如果外部条件发生一些变化，系统可以自动调整、重新达到平衡。即使达不到平衡，管道的运行参数变化也较慢，有较长时间来采取补救措施。
　　在低输量下，管道内原油温度偏低，管道工作特性曲线曲度较大陡，摩阻随流量变化较大。这使管道的自我调整能力下降，发生不稳定运行的可能性增加。
　　例如，如果由于油泵故障或者管道泄漏等原因使管道压力下降，或是由于加热器供热量降低引起管道摩阻迅速增加，这时压力[供给]<[需要]，管道中油流能量不足，速度减慢，工况点向流量小的一侧移动，直到[供给]=[需要]。而输量降低则进一步导致油流的温度、粘度和管道通流面积更快速地下降，使得管道摩阻上升更快。这样就进入恶性循环，必须立即采用措施，否则有凝管停输的危险。因此，在低输量下管道系统的稳定性下降了。
　　2．2管道压力负荷增大
　　输量降低使输送油品的能耗增加，如果为降低输油成本使用压力越站的运行方式，就必须要提高输油压力。在地形起伏较大地段提高启泵站出站压力，有可能造成管路中某一管段动水压力超过管路允许的最高压力值，危及输油管的正常工作。
　　另外，管道低输量运行可能会增加翻越点，原来没有翻越点的管段上也可能出现翻越点。翻越点指的是在到达终点之前，水力坡降线就与管路纵断面线相交了，一般出现在接近终点的某个高峰。当液流经过翻越点后，由于有剩余能量，在高峰之后的管段内将发生不满流，即通过局部流速的增加来消耗剩余压力。不满流现象的存在，不仅浪费了能量，还使管道内压力波动增大，容易产生水击现象。
　　因此，低输量使管道的压力负荷加大，对于那些腐蚀严重的管段，就有泄露的危险，这使得管道的安全性降低。
　　2．3加热系统负荷增大
　　热油管道输送安全要求热油的进站温度TZ要高于凝点2～3℃，输量降低使热油管道沿线温降增大、进站温度降低，因此必须要提高原油的出站温度。以一段直径为729mm的原油管线为例，取TZ=33℃，To=0.9℃，K=1.6，C=2.3，L=70.1km，输量Q从2300~570t/h变化，根据苏霍夫温降公式绘制出站温度与输量之间的关系曲线如图3所示。可以看出随着输量的下降，需要的热油出站温度不断提高，而且输量越低，需要的出站温度上升幅度越大。因此，输量越低，管道的加热系统负荷越大，加热系统长期超负荷运行，也是影响低输量管道安全运行的问题之一。[!--empirenews.page--]
　　
　　2．4设备可靠性下降
　　管道长期低输量运行对输油设备会有一定损害。离心泵低输量状态下运行时，很容易产生低输量汽蚀。许多泵站采取节流的方式来实现高压头低输量，而节流不但浪费能源，而且会使泵内径向力增大，增加轴的偏移，使轴承、密封的磨损加快。另外，管道低输量运行使得原油在换热器内流速减慢，加快了原油换热器的结垢速度，从而降低热力系统的热效率。所以，如果管道处于长期低输量运行状态，其动力设备和加热设备运行的可靠性都会下降。
　　3安全措施及建议
　　(1)要加强管理，对管道运行情况实行严格监控，做好记录，定时分析运行数据。同时，管道运行时泵压要有一定的富余量，这样当管道进入不稳定工况时，可以马上提高泵压，增加输量，以脱离不稳定运行区域，避免事故发生。
　　(2)定期进行管道腐蚀状况检测，确定管道的实际安全压力，保证管道运行不超压。
　　(3)定期评估加热系统实际效率，季节变换和输量变化时，需要重新计算管道的热力条件，保证管道热能平衡。
　　(4)定期进行泵机组检修，保证泵在稳定区内工作。定期进行加热系统检修，保证实际换热效率大于设计值。
　　受到油田开采能力下降、上游分流和国际原油市场等原因的影响，原油长输管道出现低输量运行情况不可避免，只有在管道的日常管理中加强力度，采取有效安全措施，才能保证低输量管道能够长周期地安全、平稳运行。
　　
　　参考文献
　　1严大凡．输油管道设计与管理[M]．北京：石油工业出版社
　　2姜乃昌．水泵及水泵站[M]．北京：中国建筑工业出版社

《低输量原油管道的安全性分析》

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