周新昌

(中国国际石油化工联合有限责任公司，北京 100728)

顺序输送是指按照一定的批次及顺序在同一管道内连续地输送不同种类的液体的输送方法，亦称为“交替输送”或者“混油输送[1]。顺序输送多用于汽柴煤油等石油产品的输送，因为若对每种油都专管输送，工程投资巨大且输送成本也极高。全球各类原油产地不同，性质各异，炼厂为最大化经济效益，通常需要多种不同品质的原油，这些原油的输送多为顺序输送。尽管顺序输送因为成本优势被广泛应用，但顺序输送中产生的混油现象也带来了一定程度的麻烦，怎样避免或减小混油量是一个值得研究的问题。

1 顺序输送混油的产生

在顺序输送时，不同种类的油品交替进行，在两种油品的接触区因为沿径向及轴向运动速度不同以及分子扩散作用会发生一定的交融互换，彼此各有一部分介质进入到对方区域内，进而产生一段两种油品共存的区段。

两个因素在混油现象中发挥主要作用：一是管道横截面沿径向方向的不均匀流速，表现为中间快，四周慢，使得后行油品的中间流速较快的部分锲入前行油品中，在油头横截面上两种流体分布密度不同，中间部分后行流体浓度高，周边部分前行流体浓度高，在浓度差和分子扩散作用下，两种流体分别由己方高浓度界面进入彼方低浓度界面，进而形成混油；二是管内流体沿管道轴向、径向的紊流扩散[2]。湍流时，由于扰动激烈，混油段各截面上油品浓度相对平衡，不存在明显的“油头”，但是贴近管道的内表面部分流速较慢，流态接近层流，层流间的流速不同造成混油。

2 马广线原油顺序输送产生的混油量

2.1 马广线概况

“马-广”原油长输管线属于国家油气管网总体规划的重要组成部分，担负着国家重点石油化工项目的原油输送任务，是中国石化股份有限公司广州分公司千万吨级炼油项目原油供应的唯一通道。该管线起点为大亚湾马鞭洲原油码头，穿过约10 km海域后在大亚湾石化区岩前河口西侧登陆，途径大亚湾、惠阳、博罗、增城，终点为广州石化炼油厂，总长约 173 km，管线外径610 mm。该管线自 1997 年 3 月建成投用以来运行良好，累计输送原油超过2亿吨。，全线设马鞭洲首站、南边灶油库、新圩站、园洲站、广石化末站共5个站点，其中马鞭洲首站到南边灶油库采用旁接油罐输油工艺，南边灶油库到广州末站采用密闭输送工艺。全线各站的位置、站间距、管径及标高示意图如下：

管线所输油品按含硫量来分可分为低硫原油，含硫原油和高硫原油。由于硫对装置的腐蚀性很严重，炼厂常需要将高低硫原油分储在不同的油罐里。而在输油时为了经济效益，对高低硫原油采用顺序输送的工艺，顺序输送时不可避免的会产生混油。如何计算马广线顺序输送产生的混油量，如何减弱或消除影响混油量的因素，以便更好的满足广州石化炼厂的要求是不可忽视的问题。

2.2 马广线混油量计算

根据前面混油产生的机理可知，混油量的大小与流体流态密切相关。试验显示，同等条件下，在层流状态下，混油数量大于湍流状态下的混油量；随雷诺数Re增加，混油量呈现下降趋势。当Re>4000时，即湍流状态下，油品在管道内混油量较层流下显著减小。如果将后行油品浓度为1%～99%的两界面间的距离定义为混油段长度，常用的计算混油段长度公式为奥斯汀(Austin)和柏尔弗莱(Palfery)总结的经验公式,即Austin-Palfery公式[3]如下：

Re>Rej时:

(1)

Re

(2)

(3)

Rej=10000e2.72d0.5

(4)

上式中混油的计算运动粘度由以下公式确定：

lglg(ν1×106+0.89)=0.5×lglg(ν1×106+0.89)+0.5×lglg(ν2×106+0.89)

(5)

式中：C——混油段长度，m

Re——混油段雷诺数

Rej——临界雷诺数

d——管道内直径，m

l——管道长度，即混油界面通过长度，m

e——自然对数的底数，e=2.718

Q——油品在管线中的体积流量，m3/s

v——混油计算粘度，m2/s

v1——前行原油在输送温度下的运动粘度，m2/s

v2——后行原油在输送温度下的运动粘度，m2/s

表1 马西拉油和沙特重油主要性质Table 1 Main properities for Masila and Arabian Heavy

下面以沙特重油顶替马西拉油为例，分别计算其在正输、单泵接力、双泵接力三种工况下的混油量。按要求，每批次输送高硫油约6万吨，输送低硫油约3万吨，输油平均温度为25 ℃。马西拉油和沙特重油主要性质如表1所示。

νt=ν0e-μ(t-t0)

(6)

式中:νt、ν0——温度为t、t0时油品的运动粘度，m2/s

μ——粘温指数，1/℃

计算得到在25 ℃时马西拉油和沙特重油的运动粘度分别为：

ν1=10.32×10-6m2/s

ν2=21.33×10-6m2/s

以此计算得：

ν=14.56×10-6m2/s

根据压头供需平衡关系程有：

(7)

式中：Hs1——南边灶油库泵入口压力

Hi——第i个泵站后所能提供的总扬程，m液柱

n——启用泵站数，正输时n取1，接力时，n取2

hm——每个泵站站内摩阻损失，m液柱

ΔZ—— 广石化末站与南边灶油库的高程差，m

Hsz——广石化末站管道终点剩余压头，m液柱

hl——管道上摩阻，m液柱

hξ——节流损失，m液柱

(8)

式中：d——管道内直径，m

v——所输油种在输送温度下的粘度，m2/s

m——流态指数，处于水力光滑区时，m=0.25,β=0.0246

联立(7)、(8)式，忽略南边灶油库泵入口压力，正输时管道剩余压头Hsz取35 m,接力时取40 m；正输时hζ取0，接力时节流损失hζ由南边灶油库泵出口压力和出站要求决定；各站站内摩阻损失hm取30米,代入数据，可解得：

正输(南边灶油库启流量为1400 m3/h的1组泵)，单泵接力(南边灶油库启流量为1400 m3/h的1组泵与流量为800 m3/h的一组泵并联,园州站启一台泵与之串联)，双泵接力(南边灶油库启流量为1400 m3/h的1组泵与流量为800 m3/h的一组泵并联，园洲站启2台泵与之串联)三种工况下单输马西拉油流量依次为：1527 m3/h、1902 m3/h 、2133 m3/h；单输沙特重油时流量依次为1377 m3/h、1695 m3/h、1895 m3/h。因此，三种工况下顺序输送这两种油时流量范围为：1377～1527 m3/h、1695～1902 m3/h、1895～2133 m3/h.为便于计算，可依次取中间值1452 m3/h、1799 m3/h、2014 m3/h，即：

Q1=1452 m3/h

Q2=1799 m3/h

Q3=2014 m3/h

三种工况下的雷诺数依次为：

正输Re1=59614

单泵接力Re2=73861

双泵接力Re3=82688

马广线临界雷诺数：

Rej=81077

可知，Re1

正输时混油段长度C1=1535 m

单泵接力时混油段长度C2=1266 m

而Re3>Rej，将数据代入公式(1)中计算得：

双泵接力时混油段长度C3=1173 m

2.3 混油界面的跟踪与切割

顺序输送中与产生混油的理化性质同前后行油品可能都不相同，对成品油来说，混油部分可能已达不到销售要求，这就要求我们准确的追踪混油界面并及时做出处理，从而尽最大可能的降低混油带来的损失。设混油界面运行的距离为L,油品切换后的累计流量为∑Q，根据圆柱体的体积公式，可得出以下关系：

(9)

式中:L——切换油品后混油界面通过的距离，m

d——输油管道的内径，m

∑Q——油品切换后的累积流量，m3

设油品切换后泵的每小时排量为Q,则混油界面到达终点站所需要的时间T为[4]：

(10)

式中:V——自油品切换点到末站的管道容积，m3

T——混油界面到达末站所需的时间，h

结合上述两个方程便可计算切换油品后混油界面到达的位置和混油界面到达末站所需要的时间。起输站到末站的管道容积V可以根据全线各站的位置、站间距、管径及标高示意图的数据计算出来，更换油种后的累积流量∑Q可利用SCADA系统或者油罐自动计量系统计算出来，瞬时流量也可从SCADA系统读出。

通过上面的计算，可以正确把握切割时间，以便及时将含硫量不同的原油分开。考虑到低硫原油可以作为高硫原油使用，对混油的切割可采用两段切割的方式，将混油段全部切入储存高硫油罐中。因此，对于低硫原油前行的顺序输送可以提前改罐，高硫原油前行的可以延迟改罐，提前或延迟时间可以通过混油段的体积除以流量来得到。本例中，前行的是低硫的马西拉油，为避免混油段进入低硫罐中，可提前将油品改入高硫罐中，三种工况下提前时间依次为：18 min、12 min、10 min。

2.4 高粘重质原油多巴油与沙特重油顺序输送时混油量

多巴原油属低硫-环烷中间基重质原油，其显著特点是硫含量低、粘度大。由于其粘度很大，在输送多巴油时常常输量会小于其他油种的输量，且顺序输送时产生的混油量更大。现给出正输和单泵接力工况下，用沙特重油顶替多巴油输送时的混油量计算。多巴油的主要性质如表2所示。

表2 多巴油主要性质Table 2 Main properities for Doba crude

由(6)计算得到在25 ℃时多巴油的运动粘度为：

ν3=618.8×10-6m2/s

hl=hl1+hl2

(11)

(12)

(13)

式中：hl1——前行液体的摩阻，m液柱

hl2——后行液体的摩阻，m液柱

l1——管道内前行液体的长度，m

l2——管道内后行液体的长度，m

Q——管道内两种油品同时存在时的平均流量，m3/s

m——流态指数，处于水力光滑区时，m=0.25,β=0.0246

(14)

l2=l-l1

(15)

按要求，多巴油一次输送量按2万吨计算，联立式(7)、式(8)、式(11)～式(15)，管道剩余压头Hsz取40 m, 油库出站压力为6.0 MPa,；各站站内摩阻损失hm取30 m,代入数据，可解得两种工况下流量为：

Q1=963 m3/h

Q2=1297 m3/h

由(5)计算得到多巴油与沙特重油的混油计算粘度为：ν=618.8×10-6m2/s雷诺数依次为：

Re1=6693

Re2=9009

所以，有Re1

C1=8412 m

C2=10991 m

与同种工况下沙特重油顶替粘度较小的马西拉原油相比，可以发现，顶粘度较大的多巴油时产生的混油量是顶替马西拉油时的数倍，且多巴的掺炼比一般为5%，若油头切割不好将直接影响炼油质量，因此不建议单输多巴油。此外，这一结果也一定程度上验证了安排粘度大的油品在粘度小的油品后输送产生的混油较反之操作的混油量小的实验结论。

3 减少顺序输油中混油量的措施

通过上面分析可知，雷诺数越大混油量越少，为了避免顺序输送混油量过度增大，马广线输油管道最好在流体处于湍流状态下运行，即尽量在双泵接力工况下更换输油批次。

减少泵站流程，减少不必要的扰动装置。

合理安排输送顺序，当两种油品粘度不同时，尽量安排粘度大的油品在粘度小的油品后输送[5]。

加大每种油品的一次输送量，降低输送批次数目，进入降低混油量所占输送量的比例。

如果可能，采用专门的隔离设备，在两种油品间加以阻隔或者设立缓冲区，从而降低接触和混油。