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含蜡原油凝点高、流变性复杂,给管道输送的安全性带来了诸多问题,其中凝管是影响埋地热油管道流动安全的主要问题,低输量管道进入不稳定工作区和停输再启动困难是造成凝管事故的主要原因。本文在理论分析及现场实验的基础上,围绕上述两方面问题对热含蜡原油管道流动安全性影响的评价方法及其应用进行了研究。
提出了采用Kolmogorov-Smirnov样本检验法对管输原油流变性的不确定性进行统计检验的方法,并以中洛线管输含蜡原油为例进行了分析,得出中洛线管输含蜡原油粘度(表观粘度)测量值服从正态分布规律的结论,并研究了温度和剪切率对中洛线管输原油粘度(表观粘度)均值、标准差的影响,得出相应的经验关系式。
通过研究控制进站温度为定值的运行模式下的管道工作特性,提出了保证出站温度不超过最高允许温度,并且工作点始终位于稳定工作区的最小允许输量Qmin及其确定方法。首次提出使用Monte-Carlo法对环境及原油流变性的不确定性对管道工作特性的影响进行研究,计算了最小允许输量Qmin的概率密度函数,为更科学地确定最小允许输量Qmin提供了理论依据。
使用焓法方程对管道停输期间含蜡原油在析蜡点以下的析蜡降温过程进行了数学描述,并采用有限元法对焓法方程进行求解。管内平均油温的计算结果与两次现场实验的8组实测数据偏差的绝对值小于0.5℃。推导了再启动过程中的水力、热力及初始压力波速的计算公式。编制了管道停输再启动过程水力、热力参数计算软件,可对原油管道停输温降、启动过程中初始压力波速、压力、温度、流量进行计算。通过中洛线两次停输再启动现场实验表明,使用软件计算的启输后输量相对偏差的绝对值最大为13%,站间压降相对偏差的绝对值最大为16.5%。
首次提出管道稳定运行安全指数(SOSI)和停输再启动安全指数(PRSI)的概念,并根据临界输量及凝管概率确定了两个指数的级别,同时给出了使用这两个指数分别评价管道运行期间和停输再启动的流动安全性的方法。综合这两个安全指数,提出了定量描述管道流动安全状态的管道流动安全指数(PFSI),对定量评价管道流动安全状态具有重要指导意义。以铁大线为例,对各季节、不同输量及进站温度条件下的管道流动安全指数(PFSI)进行了计算,并根据管道流动安全指数确定了铁大线各站安全、节能的进站温度。