西部成品油管道投产水头油头控制分析

摘　要：输油管道试运投产过程是一个系统工程，本文简要介绍了水头油头停存位置的控制,并针对西部成品油管道具有的山区典型长距离大落差的特点,分析了其投产过程中大落差对管道充水阶段、设备和柴油顶水混油的影响和危害,提出了在投产中由于大落差导致的可能出现的一些问题,介绍了相关的一些量的计算方法,给出了解决方法和建议。
关键词：管道投产，大落差，混油量，分析
西部成品油管道为目前国内设计输量最大、距离最长、压力最高的输油管道。包括1条输油干线、5条进油线、即乌鲁木齐—兰州输油干线；克拉玛依—乌鲁木齐进油线、独山子--乌鲁木齐进油线、乌石化—王家沟进油线、玉门进油线（双线），管道总长度为2419KM。其中干线西起乌鲁木齐市王家沟,途经新疆和甘肃两省共21 个市(县) ,终点为兰州，管道全长1842KM ,全线共设吐鲁番、哈密、柳园、酒泉、张掖、武威6 座分输阀室,设置50 座线路截断阀室,其中线路紧急截断阀室24 座、线路手动截断阀室22 座, 采用常温顺序输送方式，输送油品为0号柴油、90号汽油和93号汽油。该管道投产中水头油头的控制方式值得研究，可以为长距离大落差管道投产提供借鉴经验。

一、背压建立和气体排放

背压建立是在落差下游利用阀门节流、清管器摩阻形成局部阻力或在管道弯谷中形成沿程阻力的工艺过程，以有利于对下坡段的空管进行填充，防止油流经过高点产生断流或负压运行，在水往下坡段填充时，利用阀室、站场、沿线高点等排气点进行排气，避免气液两相流的产生。根据管道纵断面图选择了高点检测点、相对高点、阀室、站场等27处作为投产排气点，当阀室、站场、沿线高点见到水头后，停止排放，然后间断性排放，直至全部是水后确认该段填充已满，达到液体介质充满管道的较好的投产状态。

二、油头停存位置控制

由于西部管道投产时启输量较低，流速较慢，加之管道起伏较多，落差较大，产生混油是不可避免的。但混油量的数量，也是检验管道投产是否成功的重要指标。西部成品油管道在投产运行时，尽量考虑在雷诺数较大的区域内间歇运行，停输时油水界面的停存尽量赶在下坡段，从而有效地控制了混油量的产生。油头到达兰州末端时仅产生4000m3左右混油，为管容的0.6%。而以往同类管道最少将产生2.5%的混油，约为18000m3。因此，有效地控制油头停存位置是控制混油数量的最佳方法。

三、西部成品油管道落差分析

西部成品油管道属于典型的大落差长距离输油管道,全线有A、B、C、D、E五处较大的起伏落差地段 ,各段长度和落差见表３.1 。
由表３.1 可以看出,A、D、E 三段距离较短、落差较大,会对投产产生较大的影响。

四、大落差对投产注水阶段的影响

西部成品油管道位于西部地区,地形起伏多、管道落差大,为了确保试运投产安全顺利进行,投产采用部分管段充水试运，然后再投油的方式。一方面可以充分暴露工程本身所存在的问题并及时解决，降低投产期间的事故风险，另一方面可以进一步冲洗、清扫新管线，确保投油的油品质量，使操作人员进一步熟悉管道整个系统及站内工艺流程，为投油做充分准备。
投产采用部分管段充水试运，然后再投油的方式实际上就是管道内水顶气的过程。在这一过程中,应特别注意水头翻越高点后的水力状况,尤其是在大落差地段,常会出现以下几种较复杂的情况，叙述如下。

1.注水阶段水头翻越高点后对管道低点的冲击

水头翻越管道高点后,由于自身动能和重力作用,会在管内形成类似瀑布流的流动形态,对管道低点有一定的冲击。冲击力度同管段仰角α值(管段高程差同管段长度的比值) 有关,仰角α越大则冲击力越大。经计算,虽然西部成品油管道落差较大,但由于里程较长,其仰角α值一般不超过1°,因此水头对低点的冲击并不会太大。

2.水--水清管器的下冲

投产方案中,在管内放置皮碗式清管器进行水--水隔离,当清管器翻越高点后,由于自身的重力作用,会出现清管器快速下冲的现象。当这种现象出现时,清管器自身的重力使其移动速度加快、动能增大,为达到清管器受力平衡,其上游压力将减小,形成一个类似于抽拉的过程。在大落差管段,清管器的下冲会变得十分明显,由于下冲会使清管器上游压力减小,因此会使清管器上游压力小于液体的饱和蒸汽压,从而使液体汽化,在高点形成不满流;并且,随着上游压力的减小,清管器下游空气的反窜量也会相应的增加,进而加大了水段的进气量。

3.注水阶段由大落差带来的管道内进气

虽然在投产方案中采用了皮碗式清管器来减少进气量,但在实际投产过程中充水管段进气是无法避免的,尤其是处于大落差地形的管段,水头翻越高点后管内会出现半管流,导致积气量大

源于：论文范文格式www.udooo.com

增。
在大落差管段,水头经过高点后会以非满管流的形态自流至管段低洼处形成积液,此时,一部分气体会被低洼处产生的积液密封在高点处,这一部分气体就是投产时所产生的管内气体,需及时排出。

五、大落差对油顶水的影响

在管道前380km水联运结束后，投产便进入柴油顶水阶段。在这个阶段中, 整个柴油顶水过程中产生的混油量直接关系到西部成品油管道混油接收设施能否顺利接收, 其混油处理装置是否有能力处理等问题。因此, 在投产之前应充分考虑能够影响混油量的各种因素。下面主要针对西部成品油管道大落差对柴油顶水混油量的影响进行分析。

1.大落差不满流对混油的影响

管道中油流翻越山峰后,由于地形的自然落差,不仅可以克服阻力自流到终点,而且还有剩余位能,如不采取消能措施,油流就会加速以增加阻力,消除剩余位能,伴随油流加速在管段中就会形成不满流。不满流是流体能量自动调整的一种流态, 当管道系统中存在多余能量时,流体将改变其动力学性质,流态改变,阻力增加,使管道系统能量得到平衡。不满流段可分为三段,上段为空化段,液流从正压区进入负压区,液体中气核失去稳定性, 发生空化;中段为加速流段,管段上方形成的空气和液体蒸汽的空穴,使流体脱离管道边界,形成类似明流的流动,在重力作用速越来越快,水深越来越小,阻力能耗越来越大,最后达到某一最大流速,阻力坡降和管道敷设坡度趋于平衡;下段和上段相反,从管道负压区到正压区,流体由中段的加速变成减速, 逐渐趋于满流。在该段形成约束水跃, 液流翻滚将消耗大量的多余能量。
由以上不满流三段式分析可以看出,对混油量有较大影响的是不满流的下段。由于在该段中流体由中段的加速变成减速, 这一动能的消耗过程就是液流翻滚的过程, 类似于一个搅拌的过程。当混油段经过这一过程时, 相当于对其进行了进一步的搅拌,混油量肯定会有所增加。在表3.1 中的A、B、C、D、E 这五段大落差地段,出现不满流的可能性很大,因此在投产中应控制好各段压力,尽可能避免不满流的出现。

2.大落差在停输时对混油的影响

在柴油顶水的过程中,应尽量避免管道停输,但由于一些未知的因素,有时出于安全考虑,在投产中会遇到停输的情况。
在管道停输时,管内液体的紊流脉动将会消失,被输送液体之间的密度差成为产生混油的主要因素。柴油与水存在着明显的密度差异。在密度差的作用下,混油段横截面上的油品会在垂直方向上产生运移,即柴油向上移动,水向下移动。由于西部成品油管道存在着较多高差大的上坡地段,若混油段在停输时正好位于该上坡地段,必将导致密度大的水在高处,密度小的柴油在低处,在密度差的作用下,混油量会有较大的增加。故为减少混油,在管道投产柴油顶水的过程中应尽可能避免计划停输 [２-４] 。
西部成品油管道投产的安全、顺利完成的经验，可以填补国内空管投油技术的空白，为今后类似管道的建设、投产提供宝贵的经验。因此，对同类型管道的投产作业具有工程借鉴作用。
参考文献
［1］高发连 陈树东.西部成品油管道试运投产的技术措施[J].石油工程建设,2007,第33卷增刊.
［2］宫敬 严大凡.大落差管道下坡段不满流流动特性分析[J].石油大学学报：自然科学版,1995,(6):65-71.
［3］薛玲.减压阀在大落差管道上的应用[J].油气储运,1999,18(5):22-25.
［4］张楠 宫敬: 大落差对西部成品油管道投产的影响,油气储运,2008 ,27 (1) 5～8 .
作者简介：王建军(1968 -)男，辽宁沈阳人，工程硕士，现从事管道工程技术管理工作。