油田站间输油管道热力优化计算

王霁（大庆油田有限责任公司储运销售分公司）

温度是热油管道输送过程中最重要的参数之一，温度高低直接影响油品的黏度、比热、密度等物性。出站温度过高会导致输送过程中的散热量增加，能量损失变大；而出站温度过低，会导致安全停输时间减少，增加安全隐患。因此选择合理的出站温度对于热油管道安全经济输送具有重要意义。在热油管道生产运行参数优化过程中，管道温降计算的精度对于方案的合理性影响巨大。

1 现状

为提高输油管道温降计算的精度，许多学者进行了大量研究，徐睿妤为解决现有热力模型上存在的不足，根据热阻原理编制了具备常见模型模块和自定义模块的OHTC计算软件，提高了管道运输上热力计算的精准度[1]；庞海涛采用PIPESIM流体计算软件进行对K值影响因素的模拟，分析得出了各因素对其影响程度[2]；魏立新，周刚等提出一种更适用于现场实际工况的基于相关向量机算法（RVM）的埋地热油管道温降预测的新方法[3]；杨新明、蒋洪等在利用探针法测量土壤导热系数的基础上，结合管道设计数据，通过理论公式计算求解管道的总传热系数[4-5]；杨加栋，张晓灵等以聚氨酯弹性体保温管道作为研究对象，设计可模拟深水环境下压力和温度的管道散热测试装置，有助于分析测验材料保温性能，为工程现场提供了有力参考[6]。

针对某油田站间原油输送管道，采用最优化拟合方法建立了管道热力计算模型，并对不同输量不同月份管道的合理出站温度进行了计算。

2 热力计算模型

某油田站间管道全长30km，采用加热输送方式。该管道环境温度-8~15℃，油品比热容1.94~2.69J/(kg·℃)，黏度23.5~43.8mPa·s，密度0.87kg/m3，进站温度39~49℃。

热油管道温降通常采用苏霍夫公式：

式中：G为油品的质量流量，kg/s；c为输油温度下油品的比热容，J/(kg·℃)；K为管道总传热系数，W/(m2∙℃)；D为管道外径，m；L为管道长度，m；TR为管道起点温度，℃；TZ为管道终点温度，℃；T0为管道周围土壤温度，℃；a为参数。

采用苏霍夫公式计算温降，总传热系数是最关键的参数之一。总传热系数选择不合理，会导致温降计算结果与实际偏差较大。采用理论公式计算总传热系数，计算过程复杂、参数获取难度大、计算结果与实际运行结果偏差大。为提高精度，可以采用反算法[7]计算，但其计算精度取决于所采用的实际运行数据的准确性。在实际输送过程中，输量、环境温度、进出站温度等参数一般会随时间不同而有一定程度的变化，这样就会导致采用不同生产数据反算出的总传热系数结果的不同，进而影响到温降的计算误差。为减少采用单一生产数据导致的误差较大的问题，采用最优化拟合方法，以输油温降残差平方和最小为目标，综合考虑一段时间内的所有生产数据，建立了总传热系数最优化拟合模型：

式中：ΔTi为由管道第i组实际运行数据得到的实际温降，℃；n为某一生产时期内管道生产数据的样本总数；F(K)为管道传热系数计算的拟合度；K为某一时间段的管道传热系数，W/m2∙℃。

该最优化拟合模型属于无约束规划问题，可采用DFP法进行求解。

3 计算结果与误差分析

采用站间输油管道2019年运行数据，对全年的总传热系数和管道温降误差进行了计算，总传热系数随时间变化见图1，管道温降误差统计见表1。

图1 总传热系数随时间变化

表1 管道温降误差统计

可见管道传热系数随季节变化明显，在3—5月较低，之后逐渐上升，这是由于埋地管道周围土壤温度场的变化滞后性导致的[8]。另外，总传热系数对土壤热阻变化的敏感性较强，湿土会导致管道总传热系数成倍增加[9-10]，因此降水较多的6—9月总传热系数开始逐渐升高。

由表1的相对误差结果可以发现，应用最优化拟合模型计算出的温降与实际温降相比，最大平均相对误差5.14%，最小平均相对误差0.4%，全年平均相对误差2.56%，精度较高，能够较为准确地对站间输油管道沿线的温降进行计算。

4 不同输量下合理出站温度计算

该管道原油凝点35℃，以高于凝固点4℃为末站温度计算输量为11000t/d、13000t/d、15000t/d、17000t/d和19000t/d五种情况下的出站温度。

不同输量下出站温度变化见图2，该原油输送管道输量为11000t/d时，出站温度为45.4～48.1℃，输量为19000t/d时，出站温度为42.7～44.2℃，最低输量下的出站温度比最高输量平均降低7.55%。相同条件下，日输量和出站温度成线性关系，日输量每增加1000t，出站温度大约下降0.4℃。

不同月份出站温度变化见图3，可见同一输量下不同月份的出站温度变化幅度为2~3℃，3月份比8月份的出站温度平均高出4.65%。故应该根据管道输量和环境温度的不同，在保障油品安全输送的前提下制定合理的输油方案。

图2 不同输量下出站温度变化

图3 不同月份出站温度变化

表2 优化前后数据对比

5 实例计算

采用前面计算模型，选取3月、6月、9月、12月15日管道实际输量，优化了管道的输油温度，优化前后数据对比见表2。4个日期管道终点温度均远远高于凝固点，实际输油温度也远高于优化后的输油温度。按照优化后的输油温度运行，4个日期的输油温度分别降低11.4、11.8、8.3、4.9℃，热能损耗分别减少18.2%、37.6%、30.3%、22.4%，节能效果显著。

6 结论

1）针对实际运行工况各参数不确定性变化导致的总传热系数计算误差较大的问题，通过分析管道内部流体因素及管道外部环境与热输管道总传热系数之间的关系，建立传热系数最优化拟合模型。

2）应用优化模型对现场全年数据进行计算处理，得出每月最优总传热系数，计算出的温降与实际温降相比，最大相对误差5.14%，最小相对误差0.4%，全年平均相对误差2.56%，该模型能够在一定程度上提高热力计算精度。

3）依据现场实际运行状况，计算全年各月份进站温度为39℃时不同输量下对应的出站温度，当日输量从11000t增加到19000t时，各月出站温度降低了3~5℃；同一输量下，3月份出站温度最高，8月份最低，两者相差2~3℃。

4）选择典型季节某一天的实际输量，优化了输油温度，并与实际运行参数相比，输油温度降低5~12℃，热能损失降低18.2%~37.6%。