陈思奇，魏立新，赵健，潘峰，王辉，付晓明，杨广仁(．东北石油大学石油工程学院，黑龙江大庆6338;．大庆油田有限责任公司储运销售分公司，黑龙江大庆6338)

基于PipePhase软件管道最小输量计算

陈思奇1，魏立新1，赵健1，潘峰1，王辉2，付晓明2，杨广仁2
(1．东北石油大学石油工程学院，黑龙江大庆163318;2．大庆油田有限责任公司储运销售分公司，黑龙江大庆163318)

目前，国内大部分油田产量逐渐下降，外输管道处于低输量运行的状态，为了保障管道的安全运行，综合考虑管道的热力和水力特性，采用PipePhase软件建立埋地热油管道的仿真模型，提出了管道最小输量的计算方法。以某段原油外输管道为例，计算了全年不同月份管道的热力最小安全输量及水力最小输量，最终确定了管道的最小安全输量，为低输量状态下的管道安全运行提供依据。

PipePhase软件;最小输量;安全运行;输油管道

管道运输作为一种主要的原油运输方式，具有输送距离长、输送量大等优点［1］。而国内的大部分油田现在正处于开发的中后期，油田的产量不断下降，使外输管道处于较低输量的运行状态［2-4］。我国盛产的原油普遍具有高凝点、高含蜡、高黏度的“三高”特点，当热油管道在较低输量运行时，管道内原油流速较低，管道内原油的热损失增加，管道温降增大，原油的流动性变差，此时若管道外部的条件发生某些变化，在低输量状态下运行的管道会很快进入不稳定工作状态，导致凝管和停输的概率大大增加。为了在低输量状态下保障管道的安全运行，最小安全输量的计算提供了重要的参考依据。本文运用管网模拟计算分析软件PipePhase［5］建立输油管道仿真模型，计算热油管道最小安全输量。

1 PipePhase软件简介

PipePhase作为一种严格的稳态多相流模拟软件，将现代油气生产方法与软件分析技术进行有效的结合，形成了具有鲁棒、高效特性的油田设计规划工具。PipePhase软件拥有易于操作的用户界面和丰富详尽的物性数据，可用于处理各种流体类型，包括组成混合物、二氧化碳、蒸汽、黑油以及单相的气液体等，被全球油气生产、设计公司作为首选的解决方案软件。因为PipePhase软件具有严格的多相流分析和详尽的热力学计算，使其广泛应用于管网模拟计算，例如油气生产和地面管网、管线的传热分析等。

2 仿真模型建立及最小输量计算

2．1基础参数

东北某输油管道全长43 km，管径DN629，全线设有首站、末站，输送介质为原油。用PipePhase软件建立该段输油管道模型，选取的基本参数如表1所示。

表1 管线运行基本参数及PVT数据Table 1 The basic parameters of the pipeline operation and PVT data

2．2管道周围土壤温度及总传热系数计算

考虑地表面温度的年周期性变化，采用传热学中表面温度随时间周期性变化的半无限大物体非稳态热传导的分析结果，土壤温度随深度及时间变化可按地表温度推算［6-7］。

式中，hl为从地表垂直向下的深度，m;Tam为年平均温度，℃;Tamax为全年中的日平均最高气温，℃;τ为从日平均最高气温开始计算的时间，h;τ0为低温的波动周期，h;αa为土壤与大气的换热系数，W/(m2·℃);at为土壤导温系数，m2/h;λt为土壤导热系数，W/(m2·℃)。

根据式(1)可求得管道埋深处周围的土壤温度变化。

对于埋地保温、介质流动状态为紊流流态的管道，总传热系数主要取决于管道至土壤的放热系数、管道保温层的导热系数，由于这两个导热系数不容易获取，难以得到准确的计算结果，因此本文主要采用管道实际运行时的生产数据，运用反算插值法［8］求得全年不同月份管道的总传热系数K，插值多项式可表示为:

根据上述方法对该输油管道确定埋深处周围的土壤温度变化和不同月份总传热系数，结果如表2所示。

表2 管道埋深地温分布及总传热系数Table 2 Temperature distribution of buried pipeline and total heat transfer coefficient

选择模拟类型为Network Model，流体模型选择Blackoil，度量单位选择SI。建立模型如图1所示。

图1 计算模型Fig．1 Calculation model

2．3模型计算

热油管道的最小安全输量，需要考虑热力和水力两部分因素，其中热力因素是管道在正常工况下运行时，极限条件即最高出站温度和最低进站温度下决定的最小安全输量;而水力因素是在考虑管道工作特性的基础上，避免管道进入不稳定工作区时管道的最小安全输量［9-11］。

2．3．1热力安全输量当一条管道的总传热系数K、外直径D、管道埋深处周围温度T0确定后，在管长LR、允许的最高出站油温TRmax和最低进站温度Tzmin确定的情况下，可由(3)式求得热油管道的最小输量Gmin。

对于一条已建管道，热油管道的最小输量Gmin是不断发生变化的。冬季，当地温T0下降，或者雨雪等其他原因导致土壤的湿度增加，这将会增大管道的总传热系数K，使热油管道的延程散热量增大，导致Gmin相对增加。而在夏季，由于埋深处地温较高，热力最小输量相对冬季的值更小一些。对于相同的一段管道，若加热站之间的站间距不同，或者管道在运行中的散热情况不同，即每个加热站的管道传热系数K值不同时，则站间距LR或K值较大的站间管道，其热力最小输量相应较大。在这种情况下，整个线路管段的允许最低输量应该通过各个站间计算得出最小输量较大的值为准。

建立模型后，取最高出站温度为72℃，进站温度为凝点以上3℃即35℃，分别计算不同月份管道运行时热力允许最小输量，结果如表3所示。

表3 全年不同月份热力最小输量Table 3 Them inimum thermal safety output in differentmonths of the year

2．3．2管道工作特性允许输量所谓管道的工作特性是指当管道输送油品时，油品的压降与油品流量的关系。热油管道的水力特性和热力特性是相互影响的，随着流量的变化管道的工作特性曲线可以分为3个区域［12-13］，如图2所示。

图2热油管道的工作特性Fig．2 Operation characteristics of hot oil pipeline

图2 中的Ⅱ区通常被称为不稳定工作区。若输油管道在该输量范围内运行时，由于某些原因使管道内原油流量减小，摩阻反而不断增加，查看管道工作特性曲线可知，这将进一步导致流量减小，使泵的排量减小，最终可能导致管道停输。Ⅱ区和Ⅲ区的分界流量即为热油管道工作特性允许的最小输量。为了保障管道的安全运行，必须使输量大于管道工作特性允许的最小输量。

在利用PipePhase软件建立的模拟管段计算管道工作特性允许的最小输量时，需要选择一些基准参考点，通过建立的管道模型，首先随机选取一些参考点，计算不同输量下管道的压降，从而粗略的绘制管道工作特性曲线，确定临界输量的范围后，通过改变步长计算该流量范围内的压降，压降最小的点对应的输量即为管道工作特性允许的最小输量［14］。

通过建立模型分别计算全年不同月份管道特性允许最小输量，结果如表4所示。

表4 管道工作特性允许最小输量Table 4 M inimum allowable throughput of pipeline operating characteristics

2．4管道最小输量确定

根据该管道水力及热力最小输量的计算结果，取水力和热力输量中较大的作为管道最小安全输量，以此来确定该管道全年不同月份的最小安全输量，用来指导实际生产的运行，计算原油管道安全输量的具体流程如图3所示。最终计算结果如图4所示。

图3 最小安全输量计算过程Fig．3 The calculation process of them inimum safety throughput

图4 输油管道全年最小输量Fig．4 Them inimum annual throughput of oil pipeline

2．5结果分析

由图4可知，输油管道工作特性允许输量随着季节变化发生明显变化，在9月外输管道的最小安全输量最小值为160 m3/h，在2月外输管道的最小安全输量达到最大值为239 m3/h。外输管道的最小安全输量在夏季时小，在冬季时较大，这是由于夏季环境温度较高，沿线油温温降较小，进而使最小安全输量较小;而冬季时，环境温度较低，管道沿线温降较大，限制了最小安全输量的取值，因此最小安全输量较大。

另外，外输管道在夏季，特别是春夏交替时，最小安全输量有一定的增大。这是由于春夏交替时此管道所处地区土壤湿度变大，管道总传热系数增大，导致了管道的沿线温降变大，使最小安全输量有一定幅度的升高。

3 结论

运用PipePhase软件构建热油管道输送仿真模型，综合考虑管道的水力和热力特性，基于PipePhase软件建立了管道热力最小输量和水力最小输量的计算方法。

在对热油管道运行全年最小输量计算时，发现管道最小安全输量随季节而不断发生变化，冬季时最小输量较高，夏季时最小输量较低。对于目前大部分油田产量下降，外输管道处于较低输量的运行状态时，最小输量的计算对于保障管线安全运行有一定的指导作用。

［1］杨筱衡．输油管道设计与管理［M］．东营:中国石油大学出版社，2006．

［2］曹喜文．原油外输管道低输量运行技术研究［D］．大庆:大庆石油学院，2010．

［3］陈从磊，黄启玉，王乾坤．正反输送管道停输再启动数值模拟分析［J］．石油化工高等学校学报，2015，28(2):77-82．Chen Conglei，Huang Qiyu，Wang Qiankun．Numerical simulation analysis of shutdown and restart procedure in normal and opposite direction transportation pipeline［J］．Journal of Petrochemical Universities，2015，28(2):77-82．

［4］曲虎，王新华，刘静，等．高黏含水原油外输管道优化设计研究［J］．石油化工高等学校学报，2015，28(4):81-85．Qu Hu，Wang Xinhua，Liu Jing，et al．The research on optimization design for export pipeline of watercut crude oil with high viscosity［J］．Journal of Petrochemical Universities，2015，28(4):81-85．

［5］王鑫宇．Pipephase在葡萄花油田单管集输设计中的应用［J］．油气田地面工程，2013，32(4):52．Wang Xinyu．Application of pipephase in design of single pipe gathering in Putao hua oilfield［J］．Oil-Gas Field Surface Engineering，2013，32(4):52．

［6］刘素枝．热油管道温降及土壤温度场数值模拟［J］．辽宁石油化工大学学报，2009，29(2):42-45．Liu Suzhi．Numerical simulation of temperature drop and soil temperature field ofhotoil pipeline［J］．Journalof Liaoning Shihua University，2009，29(2):42-45．

［7］Duan Jimiao，Wang Wei，Deng Daoming，et al．Predicting temperature distribution in the waxy oil-gas pipe flow［J］．Journal of Petroleum Science＆Engineering，2013，101(12):28-34．

［8］郭小倩．庆哈输油管道安全停输再启动技术研究［D］．大庆:东北石油大学，2014．

［9］李海娜，吴家勇，严佳伟，等．老旧热油管道的低输量安全运行技术［J］．管道技术与设备，2016(1):42-44．Li Haina，Wu Jiayong，Yan Jiawei，et al．Safey operation technology of low though-put old hot oil pipeline［J］．Pipeline Technology and Equipment，2016(1):42-44．

［10］许康，张劲军，陈俊．恒定加热量时热油管道工作特性研究［J］．油气储运，2008，27(2):16-17．Xu Kang，Zhang Jinjun，Chen Jun．Study on operation characteristics of pipelinewith constantheat［J］．Oil＆Gas Storage and Transportation，2008，27(2):16-17．

［11］李玉春．海拉尔油田集输油管道安全运行技术研究［D］．大庆:东北石油大学，2011．

［12］张灯贵，李明凯，梁见新．顺序输送管道的水力特性分析［J］．油气储运，2003，22(11):25-27．Zhang Denggui，LiMingkai，Liang Jianxin．Analysis on hydraulic performance of batch transportation pipelines［J］．Oil＆Gas Storage and Transportation，2003，22(11):25-27．

［13］Yu Pengfei，Zhang Jinjun，Yu Bo，et al．Study on low flow rate operating characteristics of hotwaxy crude oil pipelines based on an unsteady-state calculation method［J］．Advances in Mechanical Engineering，2014(8):620848-620848．

［14］张璐莹．苏嵯输油管道停输再启动问题研究［D］．大庆:东北石油大学，2012．

(编辑王亚新)

Calculation of the Minimum Throughput of Crude Oil Pipeline Based on PipePhase Software

Chen Siqi1，Wei Lixin1，Zhao Jian1，Pan Feng1，Wang Hui2，Fu Xiaoming2，Yang Guangren2
(1．School of Petroleum Engineering，Northeast Petroleum University，Daqing Heilongjiang 163318，China; 2．Storage and Transportation Sales Branch of Daqing Oil Field，Daqing Heilongjiang 163318，China)

At present，the production of crude oil inmany domestic oil fields is gradually declining and the pipeline is in the state of low-volume operation．In order to ensure the safe operation of the pipeline，the thermal and hydraulic characteristics of the pipeline are considered，and the simulation model of buried hot oil pipeline is established by PipePhase software．The calculation method of the minimum flow of pipe is put forward．Taking a certain crude oil pipeline as an example，the minimum thermal and hydraulic safety output of the pipeline in differentmonths are calculated．Finally，the minimum safe output of the pipeline is determined，which is provided for the safe operation of the pipeline．

PipePhase software;Minimum throughput;Safe operation;Oil pipeline

TE832

A

10．3969/j．issn．1006-396X．2017．04．014

1006-396X(2017)04-0077-04

2017-03-29

2017-04-18

国家自然科学基金资助项目(51674086);国家基金重点项目“含蜡原油管道安全经济输送的基础问题研究”(51534004);中国石油创新基金项目(2014D-5006-0607)。

陈思奇(1993-)，男，硕士研究生，从事长距离管道输送方面研究;E-mail:519636772@qq．com。

魏立新(1973-)，男，博士，教授，从事油田地面工程优化与节能方面研究;E-mail:weilixin73@163．com。