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[摘要]如何保证含蜡原油管道在冬季的正常安全运行一直是现场操作人员关心的热点问题，管输原油的凝点、蜡沉积及清管作业在管道低输量运行时显得十分重要，所以有必要对含蜡原油管道沿线进行准确的结蜡量预测，以达到安全、高效、经济的运行。本文将SPS软件中结蜡计算模块与通用结蜡公式计算模型相互嵌套结合，创新性的对某一现场运行管道进行结蜡厚度的预测，并对其运行中可能存在的问题进行分析。将预测结果与现场实验数据进行对比，两者吻合度较高，说明此模拟计算方法可用于预测含蜡原油管道沿线的蜡沉积。
[关键词]原油管道 结蜡厚度 PS软件 模拟计算
[中图分类号] TE973 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2015）-4-211-2
0引言
如何保证含蜡原油管道在冬季的正常安全运行一直是热点研究内容 [1]。因为含蜡原油管道存在两个主要问题：（1）含蜡原油管道的清管作业问题：在保证能满足管输量要求的前提下，蜡晶在管内壁的沉积层可实现管道的保温（结蜡层厚度增加，热阻增大，热量散失减小），由此可以减少燃料能耗，且高频的清管作业将增大运行费用。但是如果蜡层过厚，在清管作业时很可能发生清管球堵塞。两者的相互博弈决定着对含蜡原油管道结蜡量进行准确预测的必要性；（2）含蜡原油管道的凝点问题：对于原油中所加入的降凝剂，其主要作用是降低蜡晶形成的温度，并一定程度上减弱析出蜡晶的结构强度，进而降低油品的凝点，但降凝剂受到诸多因素的影响（如：降凝剂的适配性、添加量、改性处理温度、剪切作用）[2-4]。本文将SPS软件中结蜡计算模块与通用结蜡公式计算模型相互嵌套结合，创新性的对某一现场运行管道进行结蜡厚度的预测。SPS软件在管道的水力和传热方面计算较为精确，利用该软件和DSC曲线计算结蜡通用模型中各因素的值，得出管壁结蜡速率，再代入SPS 软件的结蜡模块中，最后预测管道的结蜡趋势。
1原油蜡沉积研究概述
1.1蜡沉积机理
现今关于蜡沉积的机理主要有四种解释：分子扩散、剪切分散、布朗扩散及重力沉降[5]。
（1）分子扩散：由于层流及层流底层的存在，管道内壁壁面温度将小于输送介质的温度，由此产生一个径向温差梯度，进而形成蜡的浓度梯度（蜡在油品中的溶解度随着温度的下降而降低）。此梯度的存在驱使溶解在油品中的蜡分子向壁面运动，最终在固液界面处析出沉积；
（2）剪切分散：当管道沿线油品温度下降至析蜡点以下时，蜡分子将以蜡晶形式析出，且无论在紊流还是层流中，在径向均存在或大或小的速度梯度（管中心流速大，靠近管壁处流速小）。析出的蜡晶在此梯度的作用下，会从管段油品内部向管壁处漂移，此过程其速率将逐步降低，并在固液界面处析出沉积；
（3）布朗扩散：由于油温降低引起的蜡晶析出，其在油品内部将受到周围油分子持续地碰撞，从而形成蜡晶的布朗运动。当存在一定浓度差时，蜡晶在布朗运动的带动下发生漂移，最终沉积下来。
（4）重力沉降：经过一段时间的析出后，当蜡晶比管输油品重时，其会在重力场的作用下沉降并于管道底部沉积。
在四种沉积机理中，其中分子扩散及剪切分散为主导作用，布朗扩散及重力沉降的作用与分子扩散及剪切分散相比影响很小，为次要因素 。
1.2 STONER PIPELINE SIMULATOR软件结蜡计算模型
采用SPS 9.5（Stoner Pipeline Simulator）软件（来自Stoner Associates， Inc.）对某研究管段进行水力模拟计算分析。在长输油（气）管道的应用中，SPS软件可实现高精度的实时模拟计算仿真（特别是在液体管道的瞬态计算方面），该软件已在国内外管道工程设计研究中得到广泛的应用与普及。
2某原油管道结蜡量预测模拟计算
2.1 管道系统及基础参数描述
该原油管道全长960km，设计压力6.4MPa，管道规格 mm，全线设有两个泵站，一期工程设计输量为1000万吨/年，二期管线输油能力达到2000万吨/年；首站设有加热炉，出站平均温度为35℃，管道埋深2.0m，冬季地温为0.5℃；0～150km平均总传热系数2.8W/m2·℃，150～960km平均总传热系数1.65W/m2·℃；管输原油的粘温特性见表1，原油的析蜡点为21.15℃，析蜡高峰点为9.45℃。
该管道实际流量分为三个等级：10000吨/天、15000吨/天、20000吨/天。对应首站出站压力分别为3.1MPa、4.3MPa、5.5 MPa，该管道在冬季运行时，根据清管球在管道内运行时间（大约23天）、投球频率（管道内平均3个清管球/天），故管段沿线的出站压力会在一定程度上受到清管球运行作业的影响。
在利用SPS软件进行模拟计算时，本文采用如计算式（10）所示的等体积当量结蜡计算式（即将结蜡量在整条管道沿线管壁上平均分配）。由此实现对管道现场实际结蜡量的预测 。考虑到沿线的阀室设置，模拟计算中将管道分为50段，最长管段为30km，最短管长为0.5km，利用SPS软件稳态计算结果确定结蜡模型各基础参数值。
2.2管道结蜡预测
将本文模拟管道结蜡时间分别按照5天、10天、15天、20天及25天计算。结蜡通用公式计算各管段（50段管段网格）结蜡速率平均值，由于选取管段长度的不同，管道内部的结蜡厚度与实际存在偏差。例如，416km 处该管段长度为4km，计算的结蜡平均厚度0.72mm/天，明显大于其它各段平均结蜡厚度。排除异常值后，利用该公式在流量为10000吨/天、15000 吨/天、20000 吨/天计算的最大结蜡速率分别为0.32mm/d、0.1mm/d、0.08mm/d，且不同的管输流量，沿线蜡沉积速率变化趋势相同。SPS是一款瞬态（准稳态）计算软件，故在进行某管段的结蜡量预测时，考虑了时间的变化因素，但其还需要结合相关的结蜡计算模型求得管道的结蜡沉积速率，再人为的将其输入嵌套进软件。对于不同的管输流量，沿线的蜡沉积分布变化规律基本一致；某管道结蜡量随着输量的增大而减小，这是因为输量越大，介质保温效果越好、温度越高，且沿线管输介质温降变化越平缓，因而形成油流和管壁处蜡的浓度梯度越小，蜡分子越不易从原油中析出；随着管道运行时间的延续，管道的结蜡趋势（结蜡速度）有所减缓，这是因为先前形成的蜡沉积层起到了一定的保温效果，故随着运行时间的增长，油流温降梯度将变小，进而促使油流和管壁处蜡的浓度梯度减小，削弱了蜡分子沉积。通过此种软件嵌套公式的模拟计算手段可以有效地预测管道内的结蜡量及其沿线蜡沉积速率分布。 2.3模拟管道结蜡与实际生产数据对比
为了验证本管道结蜡预测模拟计算的可靠性，选取现场某一管段的实际清管作业所清扫出的析蜡量与模拟预测值对比，实际清出物质量为2.8t，模拟预测值为3.6t，两者的数值基本吻合，因为试验管段结蜡本身就不严重，由于清管频次多，所以每次清出的杂质的质量不多，且部分清出杂质溶解到原油中进入到大罐，故会产生一定的误差，但误差基本控制在可接受的范围内。
为进一步验证模拟计算的准确性，选取现场某一时期的实际运行工况（2013.05.11及2013.04.13）进行数据对比分析。由图1（a）可得：全线运行工况参数与模拟结果变化趋势基本一致，其中在250km-680km之间，实际水力坡降倾向比模拟水力坡降大，这是由于在5月11日运行当天，处于226km处的1#清管球发生堵塞，导致该段的压头小于模拟值，进而造成了较大的误差偏离；由图1（b）可得：除260km-380km管段外，全线管段实际压头与模拟值的吻合度高，在260km-380km管段间实际水力坡降倾向比模拟水力坡降大，在380km之后恢复正常，这是因为4月13日运行当天，位于管线384.9km处的站场正好接收2#清管球，从而导致局部摩阻增大，当完成收球后，全线恢复正常。由此可知关于管道结蜡模拟计算是可行的。
3结论
（1）通过对含蜡原油管道内原油析蜡和管壁结蜡过程的描述及分析，将SPS软件中结蜡计算模块与通用结蜡公式计算模型相互嵌套结合，创新性的对某一现场运行管道进行结蜡厚度的预测。
（2）分别模拟了管道冬季在10000吨/天、15000吨/天、20000吨/天输量下的结蜡厚度。结果表明：随着输量的增加，结蜡厚度有较大幅度的减小（三个输量下的最大结蜡速率分别为0.32mm/d、0.1mm/d、0.08mm/d）；随着运行时间的推移，油流和管壁处蜡的浓度梯度逐渐减小，结蜡速度逐渐变缓。
（3）模拟计算值与管道实际运行数据对比，除局部现场作业因素导致的误差外，两者变化趋势基本一致，吻合度较高，说明此模拟计算方法具备一定的可靠性。
（4）下一步可结合真正的管道结蜡模拟实验，对模拟计算中存在的偏差及计算异常问题进行研究分析，并进一步优化模拟计算模型。
参考文献
[1]杨筱蘅.输油管道设计与管理[M].北京：中国石油大学出版社，2006.
[2]黄启玉.一种新的蜡沉积模型[J].油气储运，2003，22（11） 22～25.
[3]蔡均猛.利用模型环道研究原油管道蜡沉积[D].山东东营：中国石油大学（华东），2003.
[4]苗青.加剂大庆原油结蜡规律研究[J].油气储运，2004，23（7）：53～58.
[5]万新强.铁大输油管道低输量问题分析[J].油气储运，2002，21（8）：46～48.
[关键词]原油管道 结蜡厚度 PS软件 模拟计算
[中图分类号] TE973 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2015）-4-211-2
0引言
如何保证含蜡原油管道在冬季的正常安全运行一直是热点研究内容 [1]。因为含蜡原油管道存在两个主要问题：（1）含蜡原油管道的清管作业问题：在保证能满足管输量要求的前提下，蜡晶在管内壁的沉积层可实现管道的保温（结蜡层厚度增加，热阻增大，热量散失减小），由此可以减少燃料能耗，且高频的清管作业将增大运行费用。但是如果蜡层过厚，在清管作业时很可能发生清管球堵塞。两者的相互博弈决定着对含蜡原油管道结蜡量进行准确预测的必要性；（2）含蜡原油管道的凝点问题：对于原油中所加入的降凝剂，其主要作用是降低蜡晶形成的温度，并一定程度上减弱析出蜡晶的结构强度，进而降低油品的凝点，但降凝剂受到诸多因素的影响（如：降凝剂的适配性、添加量、改性处理温度、剪切作用）[2-4]。本文将SPS软件中结蜡计算模块与通用结蜡公式计算模型相互嵌套结合，创新性的对某一现场运行管道进行结蜡厚度的预测。SPS软件在管道的水力和传热方面计算较为精确，利用该软件和DSC曲线计算结蜡通用模型中各因素的值，得出管壁结蜡速率，再代入SPS 软件的结蜡模块中，最后预测管道的结蜡趋势。
1原油蜡沉积研究概述
1.1蜡沉积机理
现今关于蜡沉积的机理主要有四种解释：分子扩散、剪切分散、布朗扩散及重力沉降[5]。
（1）分子扩散：由于层流及层流底层的存在，管道内壁壁面温度将小于输送介质的温度，由此产生一个径向温差梯度，进而形成蜡的浓度梯度（蜡在油品中的溶解度随着温度的下降而降低）。此梯度的存在驱使溶解在油品中的蜡分子向壁面运动，最终在固液界面处析出沉积；
（2）剪切分散：当管道沿线油品温度下降至析蜡点以下时，蜡分子将以蜡晶形式析出，且无论在紊流还是层流中，在径向均存在或大或小的速度梯度（管中心流速大，靠近管壁处流速小）。析出的蜡晶在此梯度的作用下，会从管段油品内部向管壁处漂移，此过程其速率将逐步降低，并在固液界面处析出沉积；
（3）布朗扩散：由于油温降低引起的蜡晶析出，其在油品内部将受到周围油分子持续地碰撞，从而形成蜡晶的布朗运动。当存在一定浓度差时，蜡晶在布朗运动的带动下发生漂移，最终沉积下来。
（4）重力沉降：经过一段时间的析出后，当蜡晶比管输油品重时，其会在重力场的作用下沉降并于管道底部沉积。
在四种沉积机理中，其中分子扩散及剪切分散为主导作用，布朗扩散及重力沉降的作用与分子扩散及剪切分散相比影响很小，为次要因素 。
1.2 STONER PIPELINE SIMULATOR软件结蜡计算模型
采用SPS 9.5（Stoner Pipeline Simulator）软件（来自Stoner Associates， Inc.）对某研究管段进行水力模拟计算分析。在长输油（气）管道的应用中，SPS软件可实现高精度的实时模拟计算仿真（特别是在液体管道的瞬态计算方面），该软件已在国内外管道工程设计研究中得到广泛的应用与普及。
2某原油管道结蜡量预测模拟计算
2.1 管道系统及基础参数描述
该原油管道全长960km，设计压力6.4MPa，管道规格 mm，全线设有两个泵站，一期工程设计输量为1000万吨/年，二期管线输油能力达到2000万吨/年；首站设有加热炉，出站平均温度为35℃，管道埋深2.0m，冬季地温为0.5℃；0～150km平均总传热系数2.8W/m2·℃，150～960km平均总传热系数1.65W/m2·℃；管输原油的粘温特性见表1，原油的析蜡点为21.15℃，析蜡高峰点为9.45℃。
该管道实际流量分为三个等级：10000吨/天、15000吨/天、20000吨/天。对应首站出站压力分别为3.1MPa、4.3MPa、5.5 MPa，该管道在冬季运行时，根据清管球在管道内运行时间（大约23天）、投球频率（管道内平均3个清管球/天），故管段沿线的出站压力会在一定程度上受到清管球运行作业的影响。
在利用SPS软件进行模拟计算时，本文采用如计算式（10）所示的等体积当量结蜡计算式（即将结蜡量在整条管道沿线管壁上平均分配）。由此实现对管道现场实际结蜡量的预测 。考虑到沿线的阀室设置，模拟计算中将管道分为50段，最长管段为30km，最短管长为0.5km，利用SPS软件稳态计算结果确定结蜡模型各基础参数值。
2.2管道结蜡预测
将本文模拟管道结蜡时间分别按照5天、10天、15天、20天及25天计算。结蜡通用公式计算各管段（50段管段网格）结蜡速率平均值，由于选取管段长度的不同，管道内部的结蜡厚度与实际存在偏差。例如，416km 处该管段长度为4km，计算的结蜡平均厚度0.72mm/天，明显大于其它各段平均结蜡厚度。排除异常值后，利用该公式在流量为10000吨/天、15000 吨/天、20000 吨/天计算的最大结蜡速率分别为0.32mm/d、0.1mm/d、0.08mm/d，且不同的管输流量，沿线蜡沉积速率变化趋势相同。SPS是一款瞬态（准稳态）计算软件，故在进行某管段的结蜡量预测时，考虑了时间的变化因素，但其还需要结合相关的结蜡计算模型求得管道的结蜡沉积速率，再人为的将其输入嵌套进软件。对于不同的管输流量，沿线的蜡沉积分布变化规律基本一致；某管道结蜡量随着输量的增大而减小，这是因为输量越大，介质保温效果越好、温度越高，且沿线管输介质温降变化越平缓，因而形成油流和管壁处蜡的浓度梯度越小，蜡分子越不易从原油中析出；随着管道运行时间的延续，管道的结蜡趋势（结蜡速度）有所减缓，这是因为先前形成的蜡沉积层起到了一定的保温效果，故随着运行时间的增长，油流温降梯度将变小，进而促使油流和管壁处蜡的浓度梯度减小，削弱了蜡分子沉积。通过此种软件嵌套公式的模拟计算手段可以有效地预测管道内的结蜡量及其沿线蜡沉积速率分布。 2.3模拟管道结蜡与实际生产数据对比
为了验证本管道结蜡预测模拟计算的可靠性，选取现场某一管段的实际清管作业所清扫出的析蜡量与模拟预测值对比，实际清出物质量为2.8t，模拟预测值为3.6t，两者的数值基本吻合，因为试验管段结蜡本身就不严重，由于清管频次多，所以每次清出的杂质的质量不多，且部分清出杂质溶解到原油中进入到大罐，故会产生一定的误差，但误差基本控制在可接受的范围内。
为进一步验证模拟计算的准确性，选取现场某一时期的实际运行工况（2013.05.11及2013.04.13）进行数据对比分析。由图1（a）可得：全线运行工况参数与模拟结果变化趋势基本一致，其中在250km-680km之间，实际水力坡降倾向比模拟水力坡降大，这是由于在5月11日运行当天，处于226km处的1#清管球发生堵塞，导致该段的压头小于模拟值，进而造成了较大的误差偏离；由图1（b）可得：除260km-380km管段外，全线管段实际压头与模拟值的吻合度高，在260km-380km管段间实际水力坡降倾向比模拟水力坡降大，在380km之后恢复正常，这是因为4月13日运行当天，位于管线384.9km处的站场正好接收2#清管球，从而导致局部摩阻增大，当完成收球后，全线恢复正常。由此可知关于管道结蜡模拟计算是可行的。
3结论
（1）通过对含蜡原油管道内原油析蜡和管壁结蜡过程的描述及分析，将SPS软件中结蜡计算模块与通用结蜡公式计算模型相互嵌套结合，创新性的对某一现场运行管道进行结蜡厚度的预测。
（2）分别模拟了管道冬季在10000吨/天、15000吨/天、20000吨/天输量下的结蜡厚度。结果表明：随着输量的增加，结蜡厚度有较大幅度的减小（三个输量下的最大结蜡速率分别为0.32mm/d、0.1mm/d、0.08mm/d）；随着运行时间的推移，油流和管壁处蜡的浓度梯度逐渐减小，结蜡速度逐渐变缓。
（3）模拟计算值与管道实际运行数据对比，除局部现场作业因素导致的误差外，两者变化趋势基本一致，吻合度较高，说明此模拟计算方法具备一定的可靠性。
（4）下一步可结合真正的管道结蜡模拟实验，对模拟计算中存在的偏差及计算异常问题进行研究分析，并进一步优化模拟计算模型。
参考文献
[1]杨筱蘅.输油管道设计与管理[M].北京：中国石油大学出版社，2006.
[2]黄启玉.一种新的蜡沉积模型[J].油气储运，2003，22（11） 22～25.
[3]蔡均猛.利用模型环道研究原油管道蜡沉积[D].山东东营：中国石油大学（华东），2003.
[4]苗青.加剂大庆原油结蜡规律研究[J].油气储运，2004，23（7）：53～58.
[5]万新强.铁大输油管道低输量问题分析[J].油气储运，2002，21（8）：46～48.