输油管道设计与管理(级第9次课)3学时.ppt

输油管道设计与管理,第一部分,上次课总结复习热油管道热力计算的特点热油管道水力计算的基本方法加热站与泵站的布置 热油管路的特性曲线 热油管道的日常运行管理,3.8 液化气的管道输送(P110)3.8.1 分类 LPG 和LNG3.8.2 输送工艺(1)特点 天然气的管道输送，常以气态的形式进行，对于天然气的液化输送，目前多用于远洋贸易中，以油轮输送为主。LNG的管道输送多见于城市调峰装置和油轮装卸设施上，目前尚无采用低温管线长距离输送LNG的实例。理论研究表明，随着低温材料和设备技术的发展，建设长距离LNG输送管道在技术上是可行的，在经济上也是合理的。,第三章 热油输送管道的工艺计算,第三章 热油输送管道的工艺计算,由于LNG的密度是天然气的600倍，与输气管道比较，输送相同体积的天然气，LNG输送管的直径要小得多，LNG泵站的费用要低于压缩机站的费用，LNG泵站的能耗要比压气站的能耗低若干倍。LNG输送管道的不足之处是：必须采用价格较贵的镍钢，需要采用性能良好的低温隔热材料，远距离时，需增建中间致冷站。因此，LNG输送管道的初期投资费用较高。随着世界能源结构的调整，天然气占世界总能源的比例越来越大。天然气地区性贸易量也正逐年放大。LNG长距离管道输送问题也越来越受到人们的重视，很显然，输量的增加将有助于降低低温管道的投资费用和单位输量的运行管理费用，从而使LNG的长距离管道输送成为可能。,第三章 热油输送管道的工艺计算,(2)管输工艺技术 LNG的远距离输送与原油的加热输送工艺类似，管道沿线需建设LNG加压泵站，此外，由于当进入管道的是饱和液体时受热后就要部分气化，成为两相流动。出现两相流动将使管道的流量减小，阻力增大，甚至还会产生“气塞”现象。因此对于低温液体输送管道，特别是长距离管道，要防止液体气化，即应实现液体单相流动。防止液体气化的方法就是采用高压输送，即始终保持液体的压力在其临界压力以上，液体的温度在其临界温度之下。因此，对于远距离输送管道除去加压站之外每隔一定距离还需设冷却站，以降低升高了的液体温度。加压站和冷却站应建在一起称为冷泵站。以便于施工和管理。,第三章 热油输送管道的工艺计算,(3)LNG输送管道 一般说来，低温液体的输送管道可分为三类：非绝热管（裸管）、普通绝热管以及真空绝热管。非绝热管虽造价低，但在使用时跑冷损失大。通常用于间断性的短距离输送。真空绝热管由内管、外管及支撑件构成，造价和施工管理费用高。对于大批量的LNG长距离输送，常采用普通绝热管。这种管道是在管外敷设普通绝热结构，其缺点是热容量大，绝热性能较真空绝热管差。但其投资和施工管理费用比真空绝热管小，这对于长距离输送的情况显得尤为重要。LNG输送管道材质的选取要考虑到其冷脆问题，因此一般选用9%或3.5%的镍钢。管道的焊接一般采用惰性气体保护焊。全部的焊缝需进行质量检测，以保证不泄漏。,第三章 热油输送管道的工艺计算,输油管道设计与管理,第四章易凝高粘原油的输送工艺,第一部分,概述 我国原油按其流动性质可以分为三类。一类为轻质低粘原油。第二类为含蜡较多的易凝原油，常称“含蜡原油”；第三类是胶质、沥青质含量大的高粘度原油，通常称为稠油。后两类原油又统称为易凝高粘原油，其流动性较差，对其管道输送，需采取措施改善其流动性。以前大多采用加热输送，虽然行之有效，但存在着燃料消耗大、占用的设备及人力多、事故停输后有凝结危险等缺点。近年来我国各油田在探索易凝、高粘原油的不加热输送及降低输送温度方面，均已有显著进展。易凝、高粘原油的不加热输送也称为常温输送，包括：稀释、热处理、与表面活性物质水溶液混输、加降凝剂、减阻剂、热分解等方法。,第四章 易凝高粘原油的输送工艺,4.1 含蜡原油的流变特性流变特性：在温度一定且没有湍动的情况下，对流体施加的剪切应力和其产生的垂直于剪切面的剪切应变（剪切速率、速度梯度）之间的关系，也就是流体的变形和阻力之间的相互关系，根据流体的流变特性可将流体进行分类。,第四章 易凝高粘原油的输送工艺,牛顿流体,假塑性流体,胀流性流体,屈服假塑性流体,宾汉姆流体,第四章 易凝高粘原油的输送工艺,牛顿内摩擦定律：,4.1.1 含蜡原油的相态变化（P128）在不同的温度下，原油中所含的蜡处于不同的形态，使原油表现出不同的流变特性。随着温度的降低，蜡晶不断析出，含蜡原油的相变过程大致可分为三个阶段。高温阶段：单一相或两相（液烃是连续相），牛顿流体。粘度只随温度变化；温度降低：两相（液烃是连续相），粘度是温度、剪切速率的函数，表现出非牛顿性质，具有剪切稀释性；温度进一步降低：两相（蜡晶是连续相），具有较强的触变性。,第四章 易凝高粘原油的输送工艺,4.1.2 含蜡原油的流变特性 含蜡原油不同温度区间的流变特性变化,析蜡点,反常点,第四章 易凝高粘原油的输送工艺,4.1.3 评价含蜡原油流变性的主要指标（P142）粘度（表观粘度）剪切应力与剪切速率之比。直接影响油流摩阻的大小。凝点（倾点）规定的条件下测得的油样“不流动”的最高温度或“能流动”的最低温度，达到凝点时蜡晶在系统中成为连续相。静屈服值（屈服应力）含蜡原油在静态时的屈服强度。与管道停输后再启动压力直接相关。,第四章 易凝高粘原油的输送工艺,4.1.4 含蜡原油管道内流态、流型变化及摩阻计算（P159）根据输送温度的变化和原油的流变特性，含蜡原油在管道内的流动过程中可能有流型的改变，也可能有流态的改变。根据临界雷诺数确定临界粘度和临界温度Tft，通过判断临界温度与反常点Ta的关系来判断流型和流态的变化。Tft Ta Tft Ta,第四章 易凝高粘原油的输送工艺,4.2 含蜡原油的加降凝剂输送（P159）降凝剂又称蜡晶改良（抑制）剂或流动改进剂，它可以降低含蜡原油凝点同时改善其低温流动性。它是一种高分子有机化合物或聚合物。4.2.1 作用机理(P160)一般认为，降凝剂改变了蜡晶形态，推迟了原油胶凝过程。降凝剂分子粘附在析出的蜡晶边缘，减少了蜡晶之间的亲合力，抑制了蜡晶相互交联。作用机理大致三种：晶核作用吸附作用共晶作用,第四章 易凝高粘原油的输送工艺,共晶与吸附理论是目前较公认的机理，因降凝剂一般具有长烷烃主链和极性侧链。若长链烃与原油中蜡分布最集中的链长相近，具有相同的结晶温度范围时，原油冷却时降凝剂与蜡同时共晶析出，或吸附在蜡晶表面。新生成的蜡晶不断被降凝剂包围，形成树枝状结晶，不易形成空间网络结构，从而降低了原油凝点，改善了低温流动性。,第四章 易凝高粘原油的输送工艺,4.2.2 影响降凝剂效果的主要因素（P163）（1）原油与降凝剂的配伍规律 由于原油的蜡分布、胶质-沥青质含量、分子结构等各不相同，降凝剂也有不同种类，它们之间有很强的选择性。需要对不同原油分别筛选其适宜的降凝剂。当降凝剂的溶化或结晶温度范围及分子结构与原油中蜡晶析出温度范围相近时，效果较明显。原油中不同种类的胶质对降凝剂作用的影响不同。胶质的组成、结构及胶质极性基团的性质对降凝剂作用有很大的影响。胶质的影响与其浓度有关。,第四章 易凝高粘原油的输送工艺,（2）加剂浓度的影响(P164)最佳的加剂浓度与原油组成及降凝剂种类有关。（3）加剂处理温度及冷却速度的影响 适当的加剂处理温度可使降凝剂充分分散在原油中，同时充分发挥胶质、沥青质在石蜡结晶过程中改善低温流动性的作用，达到最佳处理效果。原油加热温度过低，加剂效果会明显恶化。不同原油的组成、蜡分布各异，最佳的加剂处理温度也不同。试验表明它一般低于最佳热处理温度。析蜡点温度以上，冷却速率对加剂效果没有影响。析蜡点以下，过快或过慢的冷却会降低加剂效果。,第四章 易凝高粘原油的输送工艺,（4）剪切作用的影响不同温度范围的剪切 在析蜡温度以上，剪切对降凝剂效果无明显影响。在析蜡温度范围，甚至在析蜡高峰区，管流低速剪切或实验室内低速搅拌等对处理效果影响较小。对新疆三大盆地混合原油（凝点1015，降温至2025进入析蜡高峰区）的试验中，由40降温至2，冷却过程中剪切速率在0121.58s-1范围内，加剂原油的流变性变化不大。当剪速更大时，原油表观粘度较明显上升。经过离心泵剪切或粘度计内高速剪切后，凝点和表现粘度都大幅度上升。,第四章 易凝高粘原油的输送工艺,高速剪切的影响 油温低于析蜡点，高速剪切会恶化降凝剂效果。特别是析蜡高峰区，油温越低、高速剪切的剪速越高、时间越长，降凝剂效果越差。剪切作用影响大小与原油组成及降凝剂种类有关，也与剪切强度、剪切时间、剪切温度等有关。当原油含蜡量高、蜡胶比高，有明显的析蜡高峰区时，剪切的影响就大。存在一个剪切敏感区域，对应于开始进入析蜡高峰区至析蜡最高峰的温度区间，否则剪切的影响就较小。如新疆吐哈原油含蜡量较高，析蜡过程集中，有明显的析蜡高峰，加剂后耐剪切性较差。,第四章 易凝高粘原油的输送工艺,4.3 热处理输送工艺（P176）定义：含蜡原油的热处理，是将原油加热到一定温度，使原油中的石蜡、胶质沥青质溶解，分散在原油中。再以一定的温降速率和方式（动冷或静冷）冷却，以改变析出的蜡晶形态和强度，改善原油的低温流动性。利用原油热处理实现含蜡原油的常温输送或延长输送距离，称为热处理输送。,第四章 易凝高粘原油的输送工艺,4.3.1 含蜡原油的热处理效果,第四章 易凝高粘原油的输送工艺,（1）含蜡原油的热处理效果每种原油都有一个最优的热处理温度和一个最差的热处理温度。各种原油最优与最差热处理对比中，蜡胶比大的原油，其凝点下降幅度较小。不同热处理温度对静屈服值的影响最大，最优处理时静屈服值多下降90以上。最优热处理时反常点下降，使原油在较低温度范围仍为牛顿流型，原油显现触变性的温度也降低了。热处理只改善低温流动性，在析蜡点以上温度范围内，对粘温特性影响不大。,第四章 易凝高粘原油的输送工艺,第四章 易凝高粘原油的输送工艺,（2）热处理效果的复现性和恢复性 热处理效果的复现性和恢复性是热处理输送方法能否用于输油生产的重要依据，从我国各主要油田原油的热处理试验看来，在最优热处理温度下，不同时期多次试验的结果相近，试验的复现性是好的。但大多数原油呈现出较强的恢复性，原油在经最优热处理温度加热后冷却，恒温静置一段时间后各流变参数恢复至未处理情况。原油热处理效果的稳定性对管输应用十分重要。若某种原油热处理后虽然低温流动性大幅度改善，但很快即变差或失效，就难以实际应用。,第四章 易凝高粘原油的输送工艺,4.3.2 影响热处理效果的因素（1）原油的组成 不同的含蜡原油，其热处理效果不同，根本原因是原油的组成各异。国内外试验研究表明，在一定蜡胶比范围内可获得较好的热处理效果。在原油温降析蜡过程中，适量的胶质沥青质被吸附在蜡晶表面，可以阻碍蜡晶的聚集，推迟网络结构的形成或形成强度较低的树枝状结构。若胶质沥青质过少，不足以完成上述的吸附分隔作用；若其含量过多，而可能改变形态的蜡晶量相对较少，均使热处理效果较差。有的资料提出较适宜的蜡胶比为0.51.70。我国东部地区含蜡原油的蜡胶比大多在此范围内。石蜡结晶形态变化是热处理作用的关键。,第四章 易凝高粘原油的输送工艺,（2）热处理温度 各种外界条件的作用是相互联系的，但其中起主要作用的是加热温度。从表中可以看出，多数原油的最差热处理温度均在50左右，对这一现象的解释是：当加热至50左右时，溶解了部分蜡晶，其所游离出来的胶质沥青质被吸附在未溶解的蜡晶表面，在以后的冷却过程中重新析出的蜡晶，就没有胶质沥青质吸附上去了，因而形成了致密、坚固的结构。每种原油的最佳热处理温度不同。在此温度下，原油中石蜡大部分溶解，胶质沥青质全部分散在液相中，使冷却过程中石蜡重结晶能形成最弱的结构。由于各种原油的蜡分布不同、熔点不同，故最佳热处理温度也不同。,第四章 易凝高粘原油的输送工艺,（3）冷却速度 在降温析蜡重结晶过程中，原油中的蜡晶形态受新的晶核的生成速度和已有蜡晶的长大速度两方面的影响，当冷却速度很快时，新的晶核的生成速度远比已有的蜡晶的长大速度快，因而形成大量细小的结晶体系，其表面能和结构强度均较大。当冷却速度控制在某一范围，使蜡晶长大的速度大于晶核的生成速度时，就可能形成强度较小的大而松散蜡晶结构。因此，在析蜡温度区间，尤其在析蜡高峰区，应当避免过快或很慢的冷却。,第四章 易凝高粘原油的输送工艺,（4）剪切的影响 冷却过程中剪切的影响是和受剪切的蜡晶形态密切相关的，故在不同的温度范围和冷却速度下，剪切的影响不同。在析蜡高峰区，高速强烈剪切会使原油流变性恶化。输油管道上过泵剪切或流过节流阀时均属于这种剪切条件。这是因为此时液态原油中蜡大量析出，强烈剪切下生成大量细小蜡晶的缘故。但油温接近凝点时，管流的低速剪切将破坏已形成的网络结构，从而改善原油流动性。一般说来，在析蜡高峰区间以外，剪切对原油流变性的影响较小。,第四章 易凝高粘原油的输送工艺,（5）重复加热 若重复加热到原热处理温度，按同样条件冷却降温，仍能保持原来的热处理效果，若重复加热温度低，或接近原油最差热处理温度，原来的热处理效果将变差甚至消失。原油热处理输送中，特别在接近地温输送时，摩擦热可能使油流升温，产生“重复加热”的影响，需要特别注意。（6）掺入“生油”的影响 将未处理原油或已失效的热处理原油（统称“生油”）掺入到热处理原油中，会使其流变性变差甚至热处理效果消失。影响的程度与掺入量、掺入温度有关，且各种原油的敏感性不同,第四章 易凝高粘原油的输送工艺,4.3.3 热处理输送方式的应用 目前国内外含蜡原油管道上应用的热处理输送方法有两种类型，一种是我国克独、克乌、濮临和马惠宁管道为代表的简易热处理工艺，另一种是以印度那霍卡提压管道为代表的完备热处理输送工艺。（1）完备热处理输送工艺 在首站设置了热处理厂，原油加热、冷却、重结晶过程均在严格控制的条件下完成。处理后原油凝固点降至最低地温以下，进行等温输送。,第四章 易凝高粘原油的输送工艺,（2）简易热处理输送工艺 将原油在首站加热到最优热处理温度后，经过冷却油换热，热油在一定温度下（管道热应力和绝缘层允许的高限温度）输入管道，沿线自然冷却降温，在这种处理条件下可以降凝降粘，降低进站油温的下限，延长不加热输送距离。这种简易热处理输送投资不大，特别便于已建管道的技术改造。但就热处理过程来讲，它是不完备的。地温高时实现不加热输送、低输量下的输送，很难实现冬季热处理输送。,第四章 易凝高粘原油的输送工艺,4.4 其它输送方式（P180）4.4.1 稀释输送 在含蜡原油中加入石油产品、液化石油气和低粘原油等烃类稀释剂，便可改善其流变特性。4.4.2 乳化剂降粘输送 乳化降粘输送主要用于高粘稠油集输系统。将表面活性剂水溶液加入稠油中，在适当的温度和剪切作用下，使原油以很小的滴状分散在水中，形成油为分散相、水为连续相的水包油型（OW）乳状液。使输油时稠油与管内壁的摩擦，及稠油相互间的内摩擦改变为水与管壁间及水与水之间的摩擦，大大降低了管道输送时的摩阻。,第四章 易凝高粘原油的输送工艺,4.4.3 加减阻剂输送 在流体中加入极少量的高分子聚合物（长直链，分子量一般大于5104），利用聚合物分子与流体紊流的相互作用，显著降低紊流时的摩阻。减阻剂种类、浓度、流动的雷诺数的影响；油流温度升高及油品粘度较低时，减阻效果较好。高速剪切使减阻剂发生降解、导致部分或完全失效。故减阻剂均在泵出口注入，只在站间管段内起作用。目前，由于减阻剂的价格昂贵、抗剪切能力差，经过泵剪切后降解失效，需要再次加剂，一般只用于短期的、应急的增输。,第四章 易凝高粘原油的输送工艺,水悬浮输送 液环输送 原油的改质输送 气饱和输送与油气顺序输送 原油的磁处理输送,第四章 易凝高粘原油的输送工艺,第四章 易凝高粘原油的输送工艺,SY/T0049-2006 油田地面工程建设规划设计规范,输油管道设计与管理,第六章顺 序 输 送,第一部分,6.1 顺序输送的特点6.1.1概述 在一条管道内，按照一定批量和次序，连续地输送不同种类油品的输送方法称为顺序输送（或交替输送）。为什么要采取顺序输送？,顺序输送,科洛尼尔成品油管道,林登(终点),休斯敦（起点）,得克萨斯州,路易斯安那州,密西西比州,亚特兰大,佐治亚州,南卡罗来纳州,卡罗来纳州,宾西法尼亚州,格林斯巴勒,米切尔,新泽西州,巴吞鲁日,管道概况：干线全长：4649km(双线)；管径：762mm 1016mm；泵站：53座；压力：4.0MPa；输量：9300104t/a交油站：281个;九家石油公司合股投资建设,中国,西南成品油管道珠三角成品油管道,中国成品油管道分布图,西南成品油管道分两期建设。一期工程建设茂名至昆明干线、黎塘至南宁支线，二期工程建设北海至南宁段。一期工程全长1740公里，设调度控制中心1座、站场19座，途经广东、广西、贵州、云南四省区42个市县，工程总投资约35.25亿元，是目前国内距离最长、站场最多、所经地形最复杂、工艺技术最复杂的成品油长输管道。2004年6月18日动工兴建的珠三角成品油管道全长1143公里，总投资30多亿元，是中国石化“十五”重点工程项目，也是广东省重点工程。管道西起湛江，东至惠州的大亚湾，途经广东省11个地市，可以输送0号柴油、90号汽油、93号汽油和97号汽油，设计年输油量为1200万吨。2006年10月贯通。至此，西南成品油管道与珠三角成品油管道，正式连接成一条近3000公里的黄金输油大动脉。通过这条大动脉，来自中国石化炼油厂的成品油一路“东油西送”至春城昆明，一路向东则输往全国油品消耗最大的珠三角地区。,起点：兰州北滩油库油终点：重庆全长：1247km管径：508/457/323mm泵站：4座设计输量：500104t/a设计压力：10MPa,顺序输送,6.1.2 顺序输送的特点顺序输送时会产生混油混油的处理与销售批量与最优循环次数首、末站批量油品的储存顺序输送时管道的水力特性不稳定，运行调度难度大,顺序输送,6.1.3 顺序输送要解决的问题首要问题是如何减少混油损失确定混油量、混油到终点以后的切割方案，以及处理方案确定油品的输送顺序和合理的循环周期确定首站、末站和中间站必须建设的油罐容积在两种油品交替过程中，对混油的监视，控制和测量 确定各个泵站在不同工况下的工作方式。,顺序输送,6.2 混油的机理（P269）两种油品在管内交替时，产生混油的因素主要有两个：管道横截面沿径向流速分布不均匀使后行油品呈楔形进入前行的油品中；管内流体沿管道径向、轴向造成的紊流扩散作用。6.2.1 层流混油机理 层流时，出现楔形油头，混油量大,顺序输送,6.2.2 紊流混油过程 紊流扩散过程破坏了楔形油头的分布，使两种油品混合，在一定程度上使混油段油品沿管子截面趋于均匀分布。,顺序输送,归纳如下：(1)在起始接触面(0界面)上 KA=KB=0.5;(2)在同一时间内，在混油段内距0界面不同距离的各截面上，混油浓度不同，混油浓度是距离的函数K=f(x);(3)在混油段内，距0界面同一距离的某一截面上，混油浓度随时间而改变，混油浓度是时间的函数 K=f(t);(4)综合考虑 KA=f1(t，x)KB=f2(t，x)KA+KB=1 or KB=1-KA(5)注意0界面和起点截面的关系,顺序输送,顺序输送,顺序输送,