油气集输工艺技术现状与展望-第二章长距离输油管道输送工艺技术

第二章长距离输油管道输送工艺技术1.概述长距离输油管道通常是指距离长、管径大、输量高的原油管道，输送压力高而且平稳。由输油站和管路两部分组成，输油站分为首站、若干中间加压站、若干中间加热站及末站，其任务是供给油流一定的压力能和热能，将原油安全、经济地输送给用户；管路上每隔一定距离设有为减少事故危害、便于抢修，可紧急关闭的若干截断阀室以及阴极保护站。输送原油的粘度和凝固点比较低，可以采用不加热直接输送的方式，但是具有较高凝固点和粘度的原油，就需要经过加热后输送，或者经过改性，采用不加热的常温输送方式。北美国家的输油管道多是输送低凝点、低粘度原油，所以多为不加热输送。对于凝点和粘度较高的原油均采用加热输送（如美国全美管道和科林加管道）。随着原油流变性的研究，原油添加化学降凝剂后常温输送技术也应用于一些原油管道运行管理中。由于实际生产需要和常温输送的工艺优越性，促使此项技术日趋成熟。近20年来，我国有10多条原油管道试验研究了添加化学降凝剂输送技术，取得的技术成果和经济效益是十分明显的。1.1高凝点、高粘原油的输送我国生产的原油多属高含蜡、高凝固点、高粘度原油，对于凝固点、粘度较高的原油来说，输送工艺可分为两种类型，一是加热输送，另一是常温输送。我们在加热输送高凝、高粘原油方面积累了丰富非经验，但加热输送有其弱点，一是低输量受到热力条件的制约，二是一旦发生事故停输，必须立即抢修，及时恢复运行，否则，较长时间的停输会酿成凝管事故。1.1.1加热输送工艺加热输送是指将原油加热后进入管道加压输送，通过提高原油输送温度降低其粘度，来减少管路摩阻损失。原油管道加热输送存在两方面的能量损失，散热损失和摩阻损失。热油向下站输送过程中，由于其温度高于管路周围的环境温度，存在径向温差，热油携带的热能将不断地往管外散失，因而使油流温度在向前输送过程中逐渐降低，引起轴向散热损失，油流温度下降，粘度上升，单位长度管路的压降逐渐增大。需要重视的是油流温度接近凝固点时，单位长度管路的压降会急剧上升，容易出现管道事故。我国原油大多具有粘度大、凝固点高的性质，加热输送工艺是国内原油管道常用的一种输送工艺。还有两种不常用的加热方式，一是以阿拉斯加管道为代表，该各管线原油流速达3.13m/s,原油在高速下摩擦所产生的热能足以弥补沿程热损失，这种方式一般来说不经济，只能在特定场合下使用。另一种是利用电集肤效应加热，以印尼贝鲁克到米那斯管线为代表，长114km。1.1.2常温输送工艺对于高含蜡原油管道输送，通常采用化学添加剂（降凝剂或流动改进剂、蜡晶抑制剂）、进行热处理、用轻烃馏份稀释原油、用水作成乳化液或形成水环等方式。1.1.2.1热处理输送工艺热处理输送工艺是将原油加热到一定的温度，使原油中的石蜡和胶质－沥青质溶解分散在原油中，再以一定的温降速率和方式（动态或静态）将原油冷却下来，在石蜡的重结晶过程中，由于胶质－沥青质的作用，改变了蜡晶的形态、结构和强度，从而改善了原油的低温流动性，使原油在地温条件下的等温输送或特温度条件下的常温输送成为可能。国内外现行使用的原油热处理工艺有两种类型，一种是简易热处理工艺，另一种是完全热处理工艺。简易热处理工艺是指原油在首站加热至设计热处理温度后，经过简单温降处理直接加压进入管道，沿管道向下站流动过程中受冷却速率和剪切速率的作用，降低原油凝固点和粘度，实现延长原油不加热输送距离的目标的一种输油工艺。这种热处理工艺的优点是工艺简单，操作方便；缺点是原油析蜡重结晶的过程受管道的制约，原油的温降速率和剪切速率难以人为控制，热处理效果不稳定，管道运行存在一定的风险。我国长庆输油公司管理的马惠宁线采用的就是这种处理工艺。完全热处理工艺是指原油在首站完成热处理，可以很好地控制温降速率和剪切速率，原油的加热、冷却（析蜡重结晶过程）都是在首站热处理工艺设备里完成，然后进入管道等温输送。这种处理工艺的优点是热处理效果好，管道运行相对安全；缺点是投资大、设备占地多。印度那霍提亚－高哈堤－巴绕尼输油管道采用的是这种完全热处理工艺。据资料介绍，石蜡基原油中，当蜡与胶质、沥青质含量之比为0.5左右时，热处理效果最佳。我国原油热处理工艺的应用推广得益于原油管道输送生产形势的需要。进入80年代，国内一些原油管道出现输油能力大而实际输送量小的情况，要完成油田外输任务，必须采用正反输或者增加加热站的办法来维持生产，但是这种运行方式势必导致电量与燃料油消耗大量增加。为了节约能耗和管道运行安全，开始进行原油热处理工艺研究与应用，并取得了成功。我国曾对中原油田、长庆油田、临盘油田的原油进行了热处理研究。1990年底投产的临济输油管道采用了热处理工艺，该管道全场68km,管径为325mm,泡沫塑料保温，在年输油量高于80万吨时，实现了全年中间不加热输送，年经济效益超过128万元，而且极大地方便了生产管理。在濮临线原华东输油公司根据中原油田原油性质，进行了原油热处理工业性试验，把原油加热到一定温度再按一定速率冷却下来，热处理输送试验一次成功，使濮临线只开一个泵站，中间不再对原油进行加热，为国内长距离原油管道推广应用热处理输送工艺提供了经验。但是热处理改善原油流动性的效果及其稳定性不如添加降凝剂处理，现在单独应用该工艺的已不多。1.1.2.2添加化学药剂的输送工艺原油管道内所加添加剂主要有两种：一种叫降凝剂，也称流动改进剂；另一种叫减阻剂。前者将降凝剂按一定浓度加入原油中，可以降低原流的凝点、粘度、屈服值和结蜡强度，改善原油的低温流动性能，达到不加热输送的目的；后者可以解决管道“卡脖子”段问题，提高管道的输送量，加大泵站间距，减少投资并存节能的效果。我国开展了原油添加剂的室内研究工作，采用国产降凝剂，加入量为10ppm即可以将江汉原油凝点由26℃降至2～4.5℃。目前国内研制的油相减阻剂性能和试验效果已接近和等效国外产品。为了增加输油管道的输送能力，解决某些管道“吃不了”的问题，最近几年引进高聚物减阻剂，先后在铁岭—大连、东营—黄岛、东营—临邑等输油管道上进行了工业性试验和局部应用，效果良好。国外已有十余条输油管道采用了降凝剂，但在工艺中没有考虑热处理的作用，注入量较大，一般为200～300mg/kg。国内降凝剂的试制试验工作起始于80年代，科研人员先后在大庆、胜利、中原、江汉和任丘等油田，通过对原油中石蜡、微晶蜡、胶质、沥青等含量组份的分析，根据降凝剂与石蜡共晶、吸附理论，选择各物料之间合理的投料比，严格聚合反应工艺条件，经过大量的室内试验、中试放大，最终合成试制出了多种型号的降凝剂，效果比较理想。从降凝剂的研究试制过程来看，其发展过程以高分子合成理论为指导，经历了缩合、聚合、共聚、复配阶段，已成为一项成熟的技术。降凝剂的选型步骤是在分析油样含蜡量和碳数分布后，选择或复配与原油中石蜡的正构烷烃碳数分布最集中的链长相近的降凝剂，然后评价其处理效果和经济性。国外一些公司，象美国的EXXON、CONOCO公司、英国的ICI公司等都研制出了性能较好的降凝剂。1992年以前在马惠宁线添加美国EXXON公司的降凝剂取得了巨大的经济效益。近年来，国内有些单位开始了降凝剂的合成研究，成都科技大学和管道研究院合作研究的CE降凝剂、管道研究院GY—2降凝剂等，其技术性能已经达到国外同等先进水平。国产降凝剂已成功地应用于东辛胜利、马惠宁线、中洛线、魏荆线、秦京线等线，下面简要介绍四条管道降凝剂的应用情况。①东辛胜利线输油管线加PAE降凝剂试验东辛胜利线输油管线全长75km,1994年进行了为期一个月的PAE降凝剂工业试验，当时，年输油量480万吨。该降凝剂是胜利设计院研究成功的一种丙烯酸高级混合酯聚合物。室内实验显示，该剂少量地加入高凝点、高含蜡原油中，就可以改善原油低温流变性，达到降凝减粘的目的。在现场加注试验中，分别考查了加注量在10、20、30、40ppm时的效果。结果表明，在加药后升温到55℃左右条件下，PAE降凝剂效果是显著的，尤其是凝点的下降幅度较大。在10ppm时，凝点由27℃降到10℃，粘度和屈服值也有一定程度的降低，随着加注量的增加，效果进一步加强。从经济效果分析看，在低温（地温15℃）时，添加降凝剂10ppm,就可以实现冬季除首站加热外，中间加热站停运，年经济效益73万元。如果应用到更长距离的管线上（如东黄线），经济效益会大大提高。但是遗憾的是，自此之后，PAE降凝剂就再也没有应用过。②中洛线应用降凝剂情况中洛线管输原油每吨添加50克GY—2降凝剂，经过70℃处理后，原油流变性得到明显改善，原油反常点和凝固点分别下降10℃和12℃，原油30℃粘度下降率在92％以上，改性后25℃的油品性质略好于未改型35℃的油品性质，使原油进站温度下降了10℃。经过计算和现场试验，在地温14－17℃范围内，中洛复线实行隔站点加热炉运行方式，地温高于17℃时，可以实行连续两站点加热炉的运行方式，实现了中洛线低输量下的经济安全运行方式。中洛线由于添加降凝剂，使得管道在低输量下不仅没有返输，而且还能够停运部分加热设备，节约了燃料油，添加降凝剂运行方式同加热输送相比，每年可以节约燃料油7500吨，油价按每吨1800元计算，扣除降凝剂费用，年经济效益有800万元。③魏荆线应用降凝剂情况魏荆线原油的油品性质较差，经过大量的研究与试验，研制出了原油时间稳定性和热稳定性都比较好的适合于该线原油改性的降凝剂。该线原油改性后凝固点下降幅度较大，35℃以下的降凝率达到85％以上，改性原油30℃时的粘度与未改性原油40℃时的粘度相当，管道运行时原来进站温度由42℃降低到33℃左右，实现了减少输量或延长加热站间距的目的。魏荆线应用降凝剂解决了两个问题：一是确定了冬季管道运行允许的最低输量。魏荆线进行添加降凝剂输送时，添加量为50克/吨，加热温度是70℃，输量由大到小逐步降低，在最冷的一月份输量最低降到2500吨/天，最低进站温度降到35℃，管道的水力和热力条件稳定。二是确定了不同输量下的优化运行方案，根据季节地温的不同，进行了多种泵和加热炉运行方式的试验，以进站温度35℃为基准，计算并验证了安全经济运行条件下的不同季节优化运行的出站温度。最终实现了以添加降凝剂输送方式代替返输方式。魏荆线冬季采取综合处理输送工艺，降低了原油的粘度和凝固点，全年经济效益在500多万元。④秦京线应用降凝剂情况秦京线的运行方式根据输量不同确定为：输量是13500t/d时，加剂30克／吨，冬季采用二次处理的加剂输送方式，春秋季、夏季为加热输送；输量是16500t/d时，冬季采用二次处理的加剂输送方式，春秋季为加热输送，夏季采用首站一次处理的加剂输送方式。秦京线加剂输送比热输全年可以节约100万元的运行费用。1.1.2.3添加减阻剂输送工艺减阻剂是高分子聚合物，以极少量加入原油中，能在紊流状态下减少流动阻力，而在层流状态下，基本没有减阻效果。减阻剂一般有以下两种用途：一是管道经常处于最高压力限下运行，如果流量增加管道系统就需要改造，投资很大，而注入较为廉价的减阻剂，可以提高管道流量同时又可降低运行压力。二是由于输油泵功率限制，管道输量处于极限，注入减阻剂与增加泵输能力及提高管输温度相比投资少，使用减阻剂可以在现有设备条件下提高输量。目前国内油相减阻剂正处在工业试验阶段，新近研制出的油相减阻剂，其减阻性能已接近国外同类产品的水平。国外原油管道应用减阻剂比较多，象美国阿拉斯加州、墨西哥弯沿海、中东、印度的一些原油管道效果比较明显，基本上减阻剂使用目的都是提高输量，输量提高10％至30％不等。国内一些原油管道使用进口减阻剂也进行了使用，表2-1是国外减阻剂在国内长输管线试用情况。表2-1国外减阻剂在国内原油管道试用情况管道名称管径mm原油产地减阻剂添加量ppm减阻率％增输率％试用时间铁大线720大庆CONOCO产CDR10221.229.059.211.216.725.28.911.918.81985.7～111986.7.18～7.31东黄线529胜利ARCO产FLOTM255410313810.616.523.329.66.410