原油管道輸送基礎(chǔ)知識

原油管道輸送基礎(chǔ)知識1、原油管道輸送簡介1.1我國原油管道輸送的基本運(yùn)作程序原油是我國的戰(zhàn)略物資，是國家的經(jīng)濟(jì)命脈。我國原油物資隸屬國家所有，國家經(jīng)貿(mào)委下屬的中國石油天然氣集團(tuán)公司及中國石油化工集團(tuán)公司行使國家賦予的石油勘探、開發(fā)權(quán)利。作為中游業(yè)務(wù)的原油管道運(yùn)輸，其作用是將原油由油田的集輸廠通過管道長距離輸送至煉廠、碼頭等。目前我國絕大多數(shù)長距離原油管道由中國石油天然氣集團(tuán)公司下屬的中國石油天然氣管道局及中國石油化工集團(tuán)公司下屬的管道儲運(yùn)公司管理，國家依據(jù)國民經(jīng)濟(jì)的總體發(fā)展需要制定宏觀的年原油生產(chǎn)計劃，集團(tuán)公司根據(jù)各油田的產(chǎn)量及下游企業(yè)—煉廠及化工廠的情況制定年度、季度及月度管道輸油計劃，管道企業(yè)依據(jù)計劃與原油承接方—煉廠及化工廠等簽定供貨合同并制定輸油方案組織輸送。隨著市場經(jīng)濟(jì)的逐步深入，石油的運(yùn)作逐步向市場運(yùn)作機(jī)制靠攏，原油的產(chǎn)、供、銷等也會相應(yīng)發(fā)生變化，管道企業(yè)在完成國家任務(wù)的同時也可承擔(dān)其它原油輸送業(yè)務(wù)，以滿足國內(nèi)原油輸送市場的需要，原油管道輸送將會更加市場化。1.2管道輸油原理管道輸油是將原油（或油品）加壓、加熱通過輸油管道由某地（一般是油田）輸送至另一地（一般是煉廠、碼頭等）。加壓的目的是為原油提供動能，以克服沿線地理位差及管道沿線的壓力損失；加熱是針對“含蠟高、凝點(diǎn)高、粘度大”的“三高”原油而采取的措施，目的是使管道中原油的溫度始終保持在凝點(diǎn)以上或更高的溫度以使原油順利流動。實現(xiàn)原油的長距離輸送必須有輸油站及線路兩大部分。輸油站中包括輸油泵機(jī)組、加熱設(shè)備、計量化驗、通訊設(shè)備、儲油罐等，而線路部分包括管道本身、沿線閥室、穿（跨）越、陰極保護(hù)設(shè)施及沿線通訊線路、自控線路、簡易公路等。1.3輸油站的分類輸油站有兩種分類方法，按輸油站所處位置分，有首站、中間站及末站。首站一般在油田，作用是收集油田來油，經(jīng)計量、加壓、加熱向下游輸送。一般原油輸送管道距離較長，首站一次加壓加熱后不能到達(dá)終點(diǎn)，所以需在中間設(shè)若干個接力站—中間站，以便繼續(xù)輸送。輸油管道的終點(diǎn)稱為末站，它的任務(wù)是接收來油，經(jīng)計量后交給用油企業(yè)或轉(zhuǎn)運(yùn)；按輸油站的作用分有熱泵站、泵站及熱站。所謂熱泵站是指給原油既加壓又加熱，泵站只加壓不加熱，熱站只加熱不加壓。1.4熱泵站的組成由于我國原油主要是“三高”原油，輸送時既需加壓又需加熱，所以我國原油輸送管道的輸油站大多為熱泵站，熱泵站中主要設(shè)備有：輸油泵及配用電機(jī)、加熱爐、換熱器、儲油罐、計量設(shè)施等。泵站和熱站的輸油設(shè)備要少一些。2、輸油泵2.1泵的概念及作用泵是能輸送液體并提高液體壓力的機(jī)器，在原油輸送管道中，泵是輸油的心臟設(shè)備，它提供原油以壓力能，使原油順利輸送至終點(diǎn)。2.2泵的分類泵可分為三種類型：⑴.葉片泵—依靠工作葉輪高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的能量來輸送液體的，如離心泵。⑵.容積泵—依靠間歇地改變工作室容積大小來輸送液體的，如往復(fù)泵。⑶.其它類型泵—依靠工作的液體或氣體的高速流速產(chǎn)生的能量來輸送液體的，如噴射泵。2.3輸油用泵的要求由于長距離輸油管道流量大、流量調(diào)節(jié)頻繁、輸送距離長且連續(xù)工作，所以輸油用泵應(yīng)有以下要求：⑴.安全可靠，經(jīng)久耐用。⑵.泵的特性范圍變化要寬，以適應(yīng)生產(chǎn)條件的改變。⑶.效率高，泄漏少，便于實現(xiàn)自動化。⑷.操作方便，流量、壓力易于調(diào)節(jié)，運(yùn)行平穩(wěn)，噪音小。2.4管道常用輸油泵根據(jù)輸油用泵的要求，在輸油生產(chǎn)中廣泛選用離心泵，常用的有：⑴.ZMⅠ375—07和ZMⅡ630—06，流量2843m3/h，揚(yáng)程分別為199.8m和93.1m，用于鐵大（鐵嶺—大連）線。⑵.20×20×19HSB，流量2850m3/h,揚(yáng)程246m,用于東黃（東營—黃島）線。⑶.ZS350×480，流量1040m3/h,揚(yáng)程320m,用于秦京（秦皇島—北京）線。⑷.DKS750/550，流量750m3/h,揚(yáng)程550m，用于魯寧（臨邑—儀征）、秦京等線。以上各泵均為該系列泵中的一種，這四種系列的泵是輸油管道所用的典型的輸油泵。此外還有很多，在此不再敖述。2.5離心泵流量的調(diào)節(jié)方法輸油生產(chǎn)中常需對輸量進(jìn)行調(diào)節(jié)，以滿足生產(chǎn)需要，這就需對離心泵的輸量進(jìn)行調(diào)節(jié)，常用的調(diào)節(jié)方法有：⑴.節(jié)流法—即改變泵出口節(jié)流閥的開度。⑵.回流法--把泵的進(jìn)出口管線用一旁通管線連接起來，使一部分出口液體流回入口管線。⑶.改變泵的轉(zhuǎn)數(shù)—通過調(diào)速裝置改變泵的轉(zhuǎn)速，如液力耦合器、滑差離合器、電網(wǎng)變頻調(diào)速等。⑷.切削葉輪—把泵的葉輪外徑變小，改變泵的性能。⑸.拆級—離心泵一般為多級，拆掉其中一級或幾級，改變泵的性能。以上方法中節(jié)流法最方便，應(yīng)用最廣泛，但節(jié)流的壓力損失較大，而較經(jīng)濟(jì)的方法是調(diào)速。5.4清管器的選擇不同情況下應(yīng)采用不同的清管器。當(dāng)?shù)谝淮吻骞軙r，因管內(nèi)狀況并不清楚且時間長結(jié)蠟嚴(yán)重，最好采用聚氨脂泡沫清管器以保證不被卡住，起到安全的作用。對低輸量管線一般不要求清蠟過于干凈，以保證熱損失不致過大，這時也宜采用泡沫清管器。而對于滿輸量管線且清管較頻繁時宜采用清蠟效果較理想的機(jī)械清管器，以保證管線的輸油能力。我國東北管網(wǎng)（指輸大慶原油的東北地區(qū)管道）、秦京線等由于輸量較大，管道定期采用機(jī)械清管器清管已成為正常的運(yùn)行規(guī)程，馬惠寧（長慶的曲子—惠安堡—寧夏的中寧）線由于管道狀況比較復(fù)雜則采用泡沫清管器清管。5.5清管系統(tǒng)裝置清管系統(tǒng)裝置主要是發(fā)球筒和收球筒，發(fā)球筒和收球筒結(jié)構(gòu)相近（如圖），發(fā)球時打開快開盲板將球放入發(fā)球筒，通過切換流程將球發(fā)出，收球時通過切換流程將清管器導(dǎo)入收球筒中，再打開快開盲板將球取出。6、輸油工藝6.1常用管道輸油工藝用管道輸油即是以足夠的動能把原油輸送到目的地。其工藝有很多，按原油物性分，有冷輸和加熱輸送兩大工藝。當(dāng)原油凝點(diǎn)很低（一般在0℃以下）且粘度不大時只需對原油加壓提供動能即可，而原油凝點(diǎn)較高（高于管道埋深處地溫）或粘度很大時則還需加熱，以保證原油在管道中不凝。世界上絕大多數(shù)國家原油物性較好，基本采用冷輸工藝，而我國原油大多數(shù)為“三高”原油，所以基本上都采用加熱輸送工藝，不僅能耗高，而且不安全，這也是我國管輸原油的一大特色。除此之外，輸油工藝還有“旁接油罐“輸送、“密閉”輸送、熱處理輸送、加降凝劑輸送、加減阻劑輸送等。下面一一介紹。6.2“旁接油罐”輸送工藝所謂“旁接油罐”輸送是指中間站設(shè)有一個油罐，油罐與泵入口相通，上站來油同時進(jìn)入油泵和油罐。這種輸送工藝的特點(diǎn)是：⑴.各站間輸量可以不相等，油罐起調(diào)節(jié)作用。⑵.各站間管段單獨(dú)成為一個水利系統(tǒng)，站間相互影響小，參數(shù)易于調(diào)節(jié)。⑶.不需較高精度的自動調(diào)節(jié)和保護(hù)系統(tǒng)，操作簡單，易管理。⑷.油罐會產(chǎn)生蒸發(fā)損耗，且原油進(jìn)站余壓不能利用。6.3“密閉”輸油工藝所謂密閉是指中間站不設(shè)油罐，上站來油全部直接進(jìn)泵，原油在管線中基本被密閉起來。這種工藝也叫“泵—泵”輸送，其特點(diǎn)是：⑴.可避免油罐蒸發(fā)損耗，充分利用上站余壓。⑵.全線是一個水利系統(tǒng)，需有可靠的自動調(diào)節(jié)和保護(hù)裝置。我國原油管道原全部為“旁接油罐”輸送工藝，隨著技術(shù)的進(jìn)步，目前我國除新建管道采用“密閉”輸送工藝外，對老管道也進(jìn)行“密閉”輸送工藝改造，如慶鐵（大慶—鐵嶺）線、鐵大線、鐵秦（鐵嶺—秦皇島）線、秦京線等，還有相當(dāng)一部分老管道仍采用“旁接油罐”輸送工藝，如馬惠寧線、魯寧線、濮臨（濮陽—臨邑）線等。6.4熱處理輸送所謂熱處理輸送是將原油加熱到一定程度，使原油中的石蠟、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)溶解，分散在原油中，再以一定的溫降速率和方式冷卻，以改變析出的蠟晶形態(tài)和溫度，改善原油的低溫流動性。原油熱處理主要適用于高含蠟原油。我國原油熱處理后凝點(diǎn)一般能下降10℃左右，粘度能下降50%--90%。由于熱處理后流動性變好，可使原油常溫輸送或降低加熱溫度，延長輸送距離，降低動力和熱力消耗。這種工藝在輸量較低的不滿負(fù)荷運(yùn)行的管道上應(yīng)用有較好的經(jīng)濟(jì)效益。6.5世界及我國熱處理輸送管道1963年投產(chǎn)的印度的納霍卡蒂雅原油管道（長402Km，管徑406mm）是世界上第一條實現(xiàn)熱處理輸送的長距離原油輸送管道，其原油凝點(diǎn)由30℃降至15.6℃。我國在克獨(dú)（克拉瑪依—獨(dú)山子）線、克烏（克拉瑪依—烏魯木齊）線及濮臨線做過這種試運(yùn)，而真正付之于長期工業(yè)性實際運(yùn)行的是馬惠寧線，1985年馬惠寧線熱處理輸送通過技術(shù)鑒定，從此該線在春、秋、冬季開始正式采用熱處理輸送工藝，其凝點(diǎn)由16℃降至0℃以下，可以說該線是我國第一條真正實現(xiàn)熱處理輸送的管道。6.6加降凝劑輸送工藝降凝劑是一種高分子化學(xué)藥劑，將其加入原油中可降低含蠟原油的凝點(diǎn)同時改善其低溫流動性。加劑需同時對原油進(jìn)行加熱處理，以達(dá)到最佳處理效果，加熱溫度過高過低會使加劑效果降低；加劑量過小效果不明顯，但當(dāng)達(dá)到某一加劑量再繼續(xù)增加時加劑效果也不再有明顯改善，我國原油較佳加劑量一般在100mg/Kg以下。加降凝劑輸送同樣是對不滿輸?shù)脑凸艿烙休^好的經(jīng)濟(jì)效益。6.7我國降凝劑輸送管道我國原油加降凝劑輸送是于八十年代末開始大規(guī)模試驗的，降凝劑最初依賴進(jìn)口，從九十年代開始國產(chǎn)化。我國第一條采用加降凝劑輸送的原油管道是馬惠寧線，該線在原熱處理輸送的基礎(chǔ)上于90年正式采用冬季加降凝劑輸送，拉開了我國原油管道加降凝劑輸送的序幕，隨后在幾條低輸量管線上相繼采用這種工藝。到目前為止，共有馬惠寧線、中洛（濮陽—洛陽）線、魯寧線、濮臨線、魏荊（魏崗—荊門）線采用此工藝，都取得了降低輸量及節(jié)能的良好效果。目前各線所用降凝劑主要為管道科學(xué)研究院生產(chǎn)的GY型及昆山降凝劑廠生產(chǎn)的CE型降凝劑，效果均較理想。6.8加減阻劑輸送工藝減阻劑也是一種化學(xué)藥劑，加入此種成分可使原油的粘度大幅下降，但減阻劑的效果常受以下因素的影響：⑴.雷諾數(shù)達(dá)到一定值后（雷諾數(shù)=流速×管內(nèi)徑/原油粘度）減阻劑才發(fā)揮作用，層流流態(tài)肯定不起作用。⑵.對剪切非常敏感，剪切會使減阻效果部分或完全失效，如經(jīng)過泵、爐、彎頭、三通等，故減阻劑只在站間管段內(nèi)起作用，所以輸油管道若采用加減阻劑輸送工藝需在每站出口加劑方可保證減阻效果，成本很高，因此一般情況下減阻劑常用于管道增輸（在最大輸油能力之上）或解決某一站段管道“卡脖子”（即由于本段輸量提不上去而影響全線輸量的增加）的問題。我國鐵大線、鐵秦線的個別站段曾使用過減阻劑解決增輸?shù)膯栴}。6.9其它輸送工藝除以上工藝外，對高凝、高粘原油還有其它一些未真正大規(guī)模應(yīng)用的輸送方法，主要有：⑴.稀釋輸送—加入輕質(zhì)原油或凝析油、輕餾分油等使原油稀釋。冷湖油田的稠油輸送管道就采用加凝析油稀釋輸送。⑵.乳化降粘輸送—將表面活性劑水溶液加入稠油中，經(jīng)過適當(dāng)?shù)臏囟群图羟行纬伤托腿闋钜海乖洼斔蜁r水與管內(nèi)壁摩擦，大大降低摩阻。1987年加拿大阿爾伯達(dá)的狼湖油田外輸管道（27Km長）即采用乳化輸送。此外還有其他一些方法在此不在敖述。7、輸油站工藝流程7.1輸油工藝流程輸油工藝流程是指將各輸油設(shè)備、部件相連的輸油管路系統(tǒng)。根據(jù)不同的任務(wù)及作用，首末站的流程不盡相同，在輸油生產(chǎn)中主要有正常加熱輸送流程、熱力越站流程、壓力越站流程、站內(nèi)循環(huán)流程及反輸流程等，下面分別介紹。7.2正常加熱輸送流程這種流程主要針對我國的“三高“原油加熱輸送而言，輸油站不僅要對原油加壓提供動能，而且要用加熱爐加熱（還可用鍋爐給原油換熱）提供熱能，首站及中間站一般均采用此流程。7.3壓力越站流程及應(yīng)用范圍所謂壓力越站是指上站來油到達(dá)本站后壓力仍很高，本站不加壓原油仍可正常輸送到下站（即只加熱不加壓）。此流程常用于以下情況：⑴.輸量較小；⑵.輸油泵機(jī)組發(fā)生故障不能加壓；⑶.供電系統(tǒng)發(fā)生故障或計劃檢修。7.4熱力越站流程及應(yīng)用范圍熱力越站流程是指上站來油到達(dá)本站后溫度仍很高，本站不需加熱仍能正常輸送至下站（即只加壓不加熱）。此流程常用于以下情況：⑴.加熱爐停爐檢修或大修；地溫高，輸量大，熱損失小，可以不加熱輸送；⑶.加熱爐系統(tǒng)發(fā)生事故，但可切斷油源。7.5全越站流程及應(yīng)用范圍全越站流程是指原油在本站既不加壓也不加熱而是直接經(jīng)過越站管線出站，此種流程常用于以下情況：⑴.上站來油溫度、壓力均很高，本站不需加壓、加熱；⑵.非全越站不能進(jìn)行的站內(nèi)管道、設(shè)備施工檢修或事故處理。7.6站內(nèi)循環(huán)流程及應(yīng)用范圍所謂站內(nèi)循環(huán)是指原油不向下游輸送，而是利用本站油泵從罐中抽取原油再泵回至油罐中，此流程常用于以下情況：⑴.管道投產(chǎn)時的站內(nèi)聯(lián)合試運(yùn)。⑵.輸油干線發(fā)生故障不能繼續(xù)輸油，防止站內(nèi)系統(tǒng)的管道或設(shè)備凝油。⑶.加熱爐烘爐。7.7反輸流程及應(yīng)用范圍反輸流程是指原油由末站向首站輸送，此流程常用于以下情況：⑴管道輸油量小于管道允許最低安全輸量，采用正反輸可提高管道的輸量保證管道安全運(yùn)行。⑵.末站因故不能接收來油且時間超過管道允許的安全停輸時間，采用正反輸活動管中原油，防止原油凝于管道中。⑶.投產(chǎn)前正反輸熱水預(yù)熱管道。7.8工藝流程操作的總原則工藝流程的操作有很多具體要求，但為了科學(xué)管理，無論何種操作均需遵循以下原則：⑴.集中調(diào)度，統(tǒng)一指揮。非特殊緊急情況，任何人未經(jīng)調(diào)度同意，不得擅自改變操作。⑵.“先開后關(guān)”，即確認(rèn)新流程已經(jīng)導(dǎo)通并過油后方可切斷原流程。⑶.具有高低壓銜接部位的流程，操作時應(yīng)先導(dǎo)通低壓部位，后導(dǎo)通高壓部位。反之，先切斷高壓，后切斷低壓。⑷.開關(guān)閥門時應(yīng)緩開緩關(guān)，以防發(fā)生“水擊”現(xiàn)象損壞管道或設(shè)備。8、輸油參數(shù)的確定8.1原油出站溫度的選擇熱油管道出站溫度的確定主要考慮以下因素：⑴.原油中一般含水，故其加熱溫度一般不超過100℃；⑵.若原油為加熱后進(jìn)泵，其加熱溫度不應(yīng)高于原油初餾點(diǎn)，以免影響泵的吸入；⑶.管道防腐層及保溫層的耐熱能力；⑷.原油的性質(zhì)。綜合考慮，一般原油出站溫度不宜超過70℃。8.2加熱站進(jìn)站溫度的選擇原油進(jìn)站溫度的選擇主要考慮經(jīng)濟(jì)性和安全性兩大因素。進(jìn)站溫度越高，則加熱耗油越多，但相應(yīng)油的粘度下降，耗電量下降；但溫度越低，相應(yīng)管道安全的停輸時間會縮短。我國原油管道加熱站進(jìn)站溫度一般高于凝點(diǎn)3--5℃，而對于物性很好的原油（如塔里木原油，凝點(diǎn)-20℃左右）由于其凝點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于管道埋深處地溫，所以無需對進(jìn)站溫度進(jìn)行人為控制，而是采用冷輸?shù)霓k法。8.3管道停輸時間的概念管道停輸后，原油靜置于管道中，對加熱輸送的管道，管中原油溫度隨著時間的延長會越來越低，粘度增大，管內(nèi)壁結(jié)蠟層增厚，甚至在整個管路截面上形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，啟輸時阻力增加，所以管線安全停輸時間的確定應(yīng)以管道在不超壓的情況下順利啟動為原則，對于不同的原油、不同的管道及不同的季節(jié)其安全停輸時間均不同，需進(jìn)行理論計算并經(jīng)試驗方能確定。在運(yùn)行管理中，安全停輸時間非常重要，停輸時必須保留一定的安全余量且準(zhǔn)備好備用設(shè)備和措施，以防事故發(fā)生。8.4管道最小反輸總量的確定熱油管道由正輸變反輸時，原進(jìn)站端變出站端（如圖），原進(jìn)站端的低溫油段未被加熱又返回向上站流動，此段油須被推到上站經(jīng)加熱后出站才能變?yōu)闊嵊投味ＷC安全，所以管道反輸?shù)牧坎荒茈S意確定，其總量應(yīng)不小于最大加熱站間管容積1.5倍，以保證運(yùn)行安全。TlTRTRR9TlTRTRRT09.1T0熱油在埋地管道中流動其熱量會散向土壤而產(chǎn)生熱損失，同時原油溫度下降，熱油在出站后某一點(diǎn)的溫度用蘇霍夫公式計算：Tl=T0+(TR-T0)e-KЛDl/GC式中：Tl—距離l處油溫T0—管道埋深處地溫TR—原油出站油溫K—總傳熱系數(shù)l—距離D—管外徑G—管輸量C—原油比熱容某熱站間溫降規(guī)律如圖所示，其規(guī)律是隨著距離的延長溫降越來越慢，即使出站溫度提高很多，在進(jìn)站端的溫度升高并不明顯，所以采用提高溫度的方法來提高輸量是很不經(jīng)濟(jì)的，在運(yùn)行管理中必須切記這一點(diǎn)。9.2熱油管道最低輸量的概念當(dāng)K、D及站間距L一定時，確定最高出站溫度TRmax和最低進(jìn)站溫度TZmin,由蘇霍夫公式推倒得出：Gmin即為管道允許最低輸量，低于此輸量，進(jìn)站溫度將低于TZmin,原油可能凝于管道中發(fā)生事故。9.3常用熱油管道的摩阻計算方法原油在管中流動時會產(chǎn)生沿程摩阻hl,它由列賓宗公式計算：式中：β、m—與流態(tài)有關(guān)的系數(shù)ν-----原油粘度d------管內(nèi)徑l------距離由上式可看出，流量越大、粘度越大、管徑越小則摩阻越大，所以大口徑管道比小口徑管道效益更高。9.4管道輸油中的壓力損失管道輸油中除了產(chǎn)生上述的沿程摩阻外，在站內(nèi)經(jīng)過泵、爐、計量等還會產(chǎn)生站內(nèi)壓力損失，若泵的能力較高而輸量要求較小，則需通過關(guān)小出口閥門來控制輸量而產(chǎn)生節(jié)流損失，管道輸油中的壓力損失主要是以上三項。在實際生產(chǎn)中可根據(jù)不同的情況采取不同的措施盡可能少壓力損失。10、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行10.1熱油管道的輸油能耗熱油管道在運(yùn)行中主要存在兩方面的能耗，一是泵給原油提供壓能而產(chǎn)生的電耗，二是用爐給原油加熱而產(chǎn)生的油耗。對一條輸油管線其生產(chǎn)成本主要是這兩項，一般能占生產(chǎn)成本的40%，所以對輸油管線降低能耗就顯得非常重要。10.2熱油管道經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方案由于熱油管道主要生產(chǎn)成本為油和電，所以制定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方案主要考慮這兩項因素。由于輸送溫度降低后油耗下降而電耗上升，兩種因素相互制約，所以應(yīng)將油電消耗分別折合成金額，以總金額最少的運(yùn)行工況為經(jīng)濟(jì)運(yùn)行工況，當(dāng)油電價格發(fā)生變動尤其是變化較大時，總成本的構(gòu)成會發(fā)生變化，原來的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方案不一定再經(jīng)濟(jì)