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对含蜡原油性质与管道热输工艺关系的思考

对含蜡原油性质与管道热输工艺关系的思考

在过去的若干年里,油气储运专业领域内,对原油热输工艺管道进行了大量的应用理论研究和技术改造工作。应当说技术已相当定型。然而,如果从管道业的安全经济目标出发,需要进一步节能降耗、拓展输量范围、达到更经济的平稳运行,则还必须要在技术上有所创新,争取从确定输送工艺参数的依据上有大的突破才行。

围绕原油流动的多方面研究的目的,一直在于深入了解和准确掌握原油流动性质和影响因素,并由此而去确定工艺条件和实施控制。现仅就对含蜡原油性质的认识以及由此引发的关于热输工艺问题的思考做一些讨论。

1 .对含蜡原油性质的认识与研究

回顾近二十年来,含蜡原油流变性及其相关性质一直是我国研究者关注的热点与重点,现在看来已取得相当可喜的成就。

1.1 热处理效应

热处理工艺研究使我们认识到,原油的" 热处理效应" 对含蜡原油凝点、非牛顿性的表观粘度影响甚大。不同条件的热处理可以使同一种含蜡原油的凝点差异达15~20 ℃,进入非牛顿区的温度标志-" 粘度反常点" 也会有10~20 ℃的差别,而在非牛顿区的表观粘度差别可达一个数量级。这个事实已得到公认,热处理工艺已在国内外若干条管道上(例如:1963 年的印度纳霍卡提亚- 巴饶尼管道、1965 年克拉玛依- 独山子管道、1980 年的濮阳- 临邑管道、1984 年的马惠宁管道、1995 年的中朝管道等)获得实际应用。从而突破了原来管道热输工艺在输量、运行热力条件和安全停输时间等方面的许多界限。" 热处理效应" 唤起了研究者对原油流变性以及原油微观领域的研究兴趣。

1.2 原油流变性

随着原油流变性研究的逐渐全面展开,揭示出含蜡原油一系列复杂的流变性规律。它在一定的低温范围中呈现的非牛顿特性包括了非依时(与受剪切时间无关)的假塑性、屈服塑性和屈服- 假塑性。把原油视为简单的牛顿流体,以单一的粘度为流动性指标显然已经不行了。原来的牛顿流体的粘度概念必须修正为" 表观粘度" ,必须引入测量时的剪切速率因素。在半对数坐标中,典型的含蜡原油粘温关系曲线由通常的直线变成为折线,而且在低温区呈" 扫帚型" 。更为复杂的是含蜡原油还包括了与受剪切时间有关的" 依时" 的触变性和结构恢复性。" 依时性" 特点使得含蜡原油的凝点和一系列" 非依时" 特性除了热处理效应外,还有" 剪切历史效应" 。研究者不仅寻找描述这些规律的表征参数与数学模型(如幂律方程、宾汉姆方程、触变方程等" 本构方程" ),针对各种含蜡原油测定流变参数,还探求其适用条件和工程应用的计算方法。经过研究者的不懈努力,在理论范畴和实验室实验方面的成果已经很多,公开发表的文献不胜枚举。应当说加热输送过程中将含蜡原油的非牛顿性考虑进来,现在已是可能的事情。

1.3 原油析蜡特性及其与流动性之关系

从原油析蜡与原油流动性的关系,认识到掌握原油析蜡特性的必要。石油化学的知识让我们可以得知,原油所含的蜡指的是从C16 到C60 以上的烃类(石蜡与微晶蜡)的混合物;随着温度的降低,它们从溶解于原油液态烃类当中自高碳数到低碳数依次呈晶体析出,并随后结合成一定形态的聚集体或网络结构;蜡晶的析出与结合过程伴随有热效应。相关的研究还揭示出:析蜡过程和析出蜡晶的形态、习性是管道结蜡的原由,更是影响原油低温流动性的关键。在以往传统的管道输送工艺设计中把这些影响概括在原油比热容随温度的变化之中,显然过于简单。近十多年来,我国研究者致力于运用现代分析测试手段,直接探索原油析蜡过程和蜡晶形态、习性以及结蜡的规律。建立了针对原油析蜡过程的热分析方法,研究者使用差示扫描量热仪(DSC 仪)测定出我国大部分含蜡原油及各种不同配比原油的析蜡热谱图。从而掌握了多种原油的析蜡点、析蜡高峰温区、析蜡潜热、以及根据析蜡热焓与蜡的平均结晶热估算原油的析蜡量;利用偏光显微镜、图象分析系统、X 射线衍射仪甚至扫描电子显微镜研究了蜡晶形态与习性,了解了对应不同温度、剪切、加剂等外界条件下生成的不同的蜡晶形态,并提出利于原油流动的理想蜡晶模型;专门设计制造出结蜡实验装置,研究了管道结蜡规律以及它们的种种影响因素。研究者探讨了这些内在因素与原油流变性的关系。甚至还建立了一些数学关联式,尝试着从析蜡量的温度分布和蜡晶形态来定量预测原油的流动性质,至今已得到许多极有价值的认识。

现如今,我们可以通过热历史、剪切历史对决定含蜡原油流动性的蜡晶的影响,根据蜡晶析出情况确定管道输送工艺条件。这已经使原油流变性的机理可以和管输工艺相联系了。

1.4 原油化学组成及其与流动性的关系

从化学的观点再深入一步来看, 任何物质的性质都是由组成和结构决定的。当今化学家已经可以采用热力学的或者经验的关联式,对纯单质、化合物或混合比例清楚的混合物物性进行估计。而原油是一种极其复杂的混合物;它以烃类化合物为主, 包含数以万计的烃类及非烃类化合物。想从原油的化学组成入手来研究原油的种种性质显然有相当大的困难。

不过这些年来,还是有不少人试图深入到原油的组成与流动性质关系的研究之中。前面提过,我们已经认识到原油的含蜡量(更准确地说是析蜡量)是低温流动性的主要内在因素;实际情况是,含蜡量和相对密度(API 度)接近的不同原油,倾点完全可能有很大的差异。

由此即可看出含蜡量并不是低温流动性唯一的决定因素。事实上原油的流动性与含蜡量不是简单的数量对应关系。研究表明:原油蜡当中微晶蜡(以芳香烃为主)与石蜡(以饱和烃为主)的作用大不相同;原油中含有的胶质(Resin) 、沥青质(Asphaltene) 对流动性也有不容忽视的影响;而且不同原油蜡晶析出以后行为习性还可能大不相同,它们对流动性的影响也不同。概括起来, 现已认识到原油流动性的化学本质大约牵涉到以下几个方面问题:

* 原油的组成,特别是蜡的组成与结构;

* 原油的析蜡过程规律和蜡结晶的行为习性;

* 原油中胶质、沥青质组成结构以及它们与蜡的相互作用;

* 原油轻组分的组成特点及其对蜡、胶质沥青质分散体系的作用。

研究人员的工作是卓有成效的,目前已经对以上的一些问题得出了一定的规律性认识,甚至还研究了原油平均分子量、正构烷烃与异构烷烃组成、正构烷烃碳数分布的影响。在更深层次上找出了流变性的内在依据,对不少流变性的异常现象做出了比较合理的解释。

从以上几段的分析,我们可以看出:含蜡原油具有复杂的流变性,其析蜡过程的规律决定了流变性表现,其化学组成又决定了析蜡过程和蜡晶的形态、习性。总体上看,在这些方面积累了相当丰富的知识,已经能够做出定量或定性的具体的描述。

2 加热输送工艺的现状

原油流变性及一系列相关性质的研究是从含蜡原油管道热输工艺引起的,当然也应以热输工艺为归宿。但是,热输工艺的现状又如何呢?

2 .1 决定热输工艺条件的因素

众所周知,在热输管道设计时必须考虑:输入管道的原油需加热的温度、原油需要重新加热时的油温、中间加热站的间距、需要的热负荷、输送温度下的摩阻损失、保持原油的稳定流动的动力补充等等。此外还要考虑一旦停输之后原油能顺利再启动允许温降的限度、" 安全停输时间" 、停输再启动的压力。同样,在役含蜡原油加热输送管道的运行管理中,以上一些问题也是必须控制的条件。

此外,加热输送管道的水力计算有别于等温输送,它必须要考虑原油沿程粘度变化而带来的摩阻变化。对此,尽管有不少原油粘温关系的经验公式可供选用,但工程设计中最通常采用的是" 平均温度法"- 即选取加权平均输送温度下的原油粘度,按等温输送的方法计算摩阻和随后的一系列问题。

由此看来,确定管道的温度参数,尤其是进站温度TL ,是原油热输管道设计与运行的最初始的出发点。而一个重要的事实是:原油加热站的进站温度以及停输后允许温降的确定,多少年来直到今天都是以原油的凝(固)点为准。从教科书、专著直到各级设计和运行标准规范当中,我们接受的概念是" 原油进站温度应略高于凝固点" (具体数值在2~3 ℃或3~5 ℃说法略有差异)。可见现今在含蜡原油管道加热输送的热力、水力计算和运行控制中,原油" 凝点" 这一性质参数起着多么重要的作用。

2.2 凝/ 倾点质疑

物理化学的基本概念告诉我们:所谓" 凝固" 是指晶态纯物质液态与固态的相态转变," 凝固点" 就是一定压力下的相变温度点,是物质的一个本征特性。事实上非晶态物质与混合物并不存在确定的凝固点。以原油这种复杂混合物而论,其由液态到固态的转变是一个随温度渐变的过程。现在我们所说的含蜡原油" 凝固" 实际是一种在某种条件下的不能流动的现象(有人将其表述为" 结构凝固" ),而并非相变。它与外界许多条件紧密相关。显然原油的所谓" 凝(固)点" 并非真正意义上的本征特性,只是人为规定的一个某种条

件下的试验测定值。

现行的原油" 凝点" (或" 倾点" )测定的标准方法(如GB/T 510 、SY/T 0541 、GB/T 3535 、ASTM D97 等)主要限定了几方面条件:

1 )原油试样的预热经历;

2 )试验的仪器和试样的量;

3 )试样的降温过程;

4 )试样倾倒的几何状况(4

5 °或90 °);

5 )倾倒后的时间限度(1min 或5s )。

最终结果都是由人目测液面有无移动而确定。尽管限定了诸多条件,这些标准试验方法的精密度还是相当粗略的(重复性在2~3 ℃,再现性达到4~6 ℃)。换句话说,当你认定某种原油的凝点是32 ℃时,在另一个实验室测得的是38 ℃或26 ℃都不足为奇。那么基于凝点32 ℃定出的进站油温在设计上是合理、可靠的吗?在运行中停输后的温降限度究竟是否安全呢?含蜡原油热输管道设计与运行竟一直建立在这样的认识和技术基础上,能说没有问题吗?

幸而,诸多业内人士逐渐认识到原油" 凝点" 虽然作为不同原油流动性的对比指标是有意义的,但要把它作为工艺计算或运行控制的定量参数,在理论上和实践上都很难立住脚。这在我国因大多数管道采用加热输送含蜡原油,从研究与生产实践中较早地已有所体会。而二十世纪九十年代末期逐渐有较多的国外文献报导:从深海石油开发引出的" 流动保障" 研究中,不少人也对" 倾点" 概念提出了质疑。他们指出:" 倾点" 虽是广泛应用的一个参数,但油样的处理方法不同使测定值会有很大的差别(甚至达到±25 ℃!);倾点常常被错误地认为是停止流动或管道不能再启动的温度,而事实并非如此;许多管道在ASTM 倾点以下运行,原油流动从未发生任何问题。

传统热输工艺是以进站温度作为主要的控制参数,而进站温度的确定仍是完全基于" 凝点" 或" 倾点" 。这种原油热输工艺理论和技术现已面临着不小的冲击,也正是这个问题的存在引发和促进了原油流变性及其相关性质研究的进展。面对科研成果,我们不能不反思在对效益、安全有着更高要求的今天,沿袭传统热输工艺的控制条件是否仍然具有合理性和科学性。

3 当前的问题

当前的问题是,新的知识和认识被各个单位研究者掌握的方面很不相同,被工程人员接受的程度相当有限,而且也没有综合形成较完整的理论体系。这种状况使得尽管有了大量应用理论的研究成果,却又几乎完全未能体现在工程应用技术之中。这不能不使我们在感到欣慰的同时更多的是感到缺憾。

4 有必要继续开展的工作

从几个方面继续开展工作是极有必要的:

1 )综合已有的流变性研究成果(包括析蜡、结蜡、蜡晶习性、原油组成等方面的研究成果),并归纳结合热输管道运行实践中的大量经验,构架出热输工艺理论新体系。

2 )在新理论体系基础上,推进含蜡原油在管道中流动性(或者叫可泵性)评价模型的建立;最好是归纳为某几个有足够内涵的简单特性参数;用来确定管道设计和运行的热力约束条件与关键参数。改变简单依赖" 凝点" 做依据的传统概念。在此过程中当然要通过工程性实验的检验。

3 )通过广泛的报导、交流、推广,使研究成果走出院校的小圈子,步入工程实践的大天地。

这些问题的解决很可能是含蜡原油管道热输工艺技术的生长点。解决好这些问题,可能会使几十年来热输工艺理论有所突破,工艺技术有所创新,工程实践收到实效。

在这项综合的系统工程之中,在含蜡原油热输工艺应用理论领域内,应当说各方面的研究者都有义不容辞的责任,也当仁不让地是攻坚主力。让我们找准问题,看到前景,携手联合,把多年的心血付出化为更丰硕的果实吧