减阻剂的历史始于20世纪40年代。1946年，在伦敦进行了第一次注入聚合物减阻的尝试。1947年, 英国化学家B.A.汤姆斯在研究紊流状态下液体溶液的特性时, 偶然发现了减阻现象。到60年代和70年代, 这一发现才得到广泛重视, 70年代后期, 纵贯阿拉斯加的管道的经营者们, 开始评价在直径为1 219 mm管道上用减阻剂提高输量的效果。1979年, 在纵贯阿拉斯加管道上, 首次大批量应用美国CONOCO(康诺克)公司的CDR减阻剂^〔1〕。这不仅使日输量增加了15 898.7~31 797.4 m³, 并且避免了增设两个泵站。

减阻剂的作用原理是, 当经类液体流动为紊流时, 减阻剂内的长链、高分子量聚合物一旦溶于经类流层内, 立即分散于近壁涡流层内, 从而减少紊流摩擦阻力。

自1979年减阻剂首次工业性应用以来, 减阻技术发展迅猛, 它以投资少、操作简便等优势逐渐取代了增设泵站、建复线和增加泵功率等技术措施, 是重点推广应用的一项新技术。

国内减阻剂应用研究始于1982年。1985年, 中国石油天然气管道科学研究院建立了减阻剂环道试验室, 并进行了大量筛选试验和条件试验。1986年使用美国CONOCO公司的CDR减阻剂, 在铁大线上进行了国内首例减阻剂工业试验, 并在熊岳泵站附近的“卡脖子”管段的小范围内得到应用^〔2〕。最近几年, CONOCO公司开发的新一代、具有更高减阻性能的、牌号为液体动力(Liquid Power^TM)的减阻剂, 在中国海洋石油总公司南海东部和西部公司的管道上得到了应用, 在中国石油天然气管道局所属的管道上也进行了工业试验^〔3〕。

马鞭洲——广州(以下简称马广线)的原油输送管道, 全长170.5 km, 首段为海底管道, 二段为陆上管道, 管径为610×9(14.3) mm。一期工程年输量为520×10⁴t, 二期工程年输量为10×10⁶t。为实现增输目标, 原计划在二期工程中, 在首站增添设备、中间增建泵站两座、投资逾亿元。开展减阻剂应用研究是试图在基本不增加设备的条件下满足增输要求，提高管理水平, 减少一次性投资, 降低综合运行费用, 创造经济效益和社会效益。

1997年7月, 华德石化有限公司在马广线上进行了Liquid Power^TM减阻剂的试验。试验结果表明，通过采用两台主泵并联, 在马鞭洲泵站注入适量的Liquid Power^TM减阻剂, 马广线加减阻剂实现10×10⁶t的年输量在技术上是可行的。在经济上可大大节约一次性投资和运行费用。

一.   减阻剂及其注入系统

1   减阻剂的特性及影响减阻效果的因素

现场试验使用的减阻剂为常规级的LiquidPower^TM减阻剂。它是美国CONOCO特殊化学品公司1994年投产的新一代减阻剂。

老一代减阻剂的工业品为粘稠胶状物, 具有高达20 000 mm²/s的粘度, 它是由α烯经高聚物为主要成分和经类溶剂形成的液体。

常规级的Liquid Power^TM减阻剂的工业品则呈水样浆液状, 粘度为200 mm²/s左右, 密度为970 kg/m³, 它是由α烯经高聚物为主要成分和水形成的浆液。对炼制过程无不良影响。

影响减阻剂减阻效果的主要因素有以下几点:

(1) 紊流程度或雷诺数。紊流程度越高、雷诺数越大, 减阻效果越显著。因此, 流速越高、粘度越小(温度越高), 减阻率越高。

(2) 对原油含水量、含蜡量的大小及对多相流体含气量的大小也是影响减阻效果的重要因素。

(3) 减阻剂中的主成分α烯烧高聚物, 对剪切十分敏感。当它们通过管道系统中的高剪切区域, 如三通、弯头、未全开的阀门及离心泵时, 减阻效果会受到影响。因此, 减阻剂的注入点, 必须在离心泵或其它可能受剪点的下游。

2   注入系统

老一代减阻剂注入系统药剂储罐为压力容器，需氮气加压和使用专用注入头。

常规级的Liquid Power^TM减阻剂的注入则没有这些特殊要求, 使用常压容器和管道上压力表的接口即可。注入系统流程见图 1所示。它由药剂罐、注入装置.的连接软管构成。注入装置包括电机驱动的一台齿轮泵、一台计量注入泵和一台质量流量计及连接管路。连接软管包括供剂软管、回流软管和注剂软管。通常, 为保证有足够的位差供注入泵吸入减阻剂, 注入系统药剂罐应置于比注入装置摆放处高出约1 m的平台或注入支架上。

图  1  图 1 Liquid Power^TM减阻剂注入系统流程图

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现场试验使用的注入设备如下:

系统型号: Milton Roy B-单缸﹔

编号: LP-201;

电压: 380 V/三相/60 Hz;

装载罐号: 82318。

二.   输油工艺

1   输油设备

华德石化有限公司马鞭洲泵站的泵组见表 1。采用这些泵组的不同组合, 把原油从位于马鞭洲岛的终端输往广州石化总厂所属的炼油厂。

表  1  马鞭洲泵站可用泵

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2   原油性质

华德石化有限公司输送的各种进口原油及其基本物性见表 2所示。

表  2  原油性质

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3   输油工艺

泵1和泵2串联, 泵3~泵7并联。试验过程中, 两台补给泵(泵4和泵6)供油给泵2。

三.   试验条件与结果

1   试验条件

试验选择马希拉原油作减阻试验, 其物理性能尤其是粘度代表该公司所输各种原油的平均值。试验条件如下:

原油类型; 马希拉原油;

试验日期: 1997年7月24~30日;

试验产品: Liquid Power^TM减阻剂;

最大操作压力(MAOP): 6.4 MPa;

流量: 916 m³/h;

马鞭洲出站压力: 2.55 MPa;

广州进站压力: 0.15 MPa。

2   试验内容

试验1号: 5 mg/L(重量比, 以下同)LiquidPower^TM减阻剂;

试验2号: 35 mg/L Liquid Power^TM减阻剂。

确定Liquid Power^TM在马希拉原油中的减阻性能。

确定采用Liquid Power^TM能否将管输流量提高到1 500 m³ /h, 即年输量10.8×10⁶t。

3   试验结果与讨论

(1) 计算公式  如果在同一个流量下至少有两个注入浓度的减阻百分数已知, 那么在减阻剂注入浓度的倒数和减阻率的倒数(1/DR)之间存在着线性关系, 通过确定该线性关系的数学方程, 减阻性能和减阻剂注入浓度之间的关系就可以作图, 图 2为本次现场试验得到的减阻率与注入浓度的关系曲线.如果已知两个流量及其对应的压力损失, 可写出以下方程:

图  2  Liquid Power^TM性能曲线

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n可用下式计算:

式中  Q₁、Q₂——流量;

ΔP_f1、ΔP_f2——沿程压降。

减阻百分率(%D.R.)可用下式计算;

式中  ΔP_f3——未处理情况下的压降;

ΔP_f4——处理情况下的压降。

当计算减阻百分率时, 未处理和处理情况下的压降必须是同一流量下的。如果流量不同, 那么, 处理情况下的压降必须用以下公式校正成基础流量下的压降:

式中  ΔP'_f——校正后的压降;

Q_b——基础流量;

n——流动修正数(原油一般为1∶8);

Q₄——处理情况下流量。

校正后的减阻百分率(%D.R.)可用下式计算:

(2) 试验结果  试验结果和增输测算结果见表 3和表 4。

表  3  减阻性能

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表  4  预期增输性能

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从表 3和表 4可看出, 对马希拉原油进行的试验结果, 实际性能比原来预计的要好: 注入5.1 mg/L Liquid Power^TM时减阻30.4%，注入34.4 mg/L减阻67.5%。

在两台主要泵串联的工况下, 限制马广线输量增加的是主泵的电动机电流限制问题。两台主泵电动机各自的最高电流警告设置为75 A, 自动切断电流为77 A。故在试验中严密监控电动机电流强度。主泵串联时, 流量不可能达到1500 m³/h, 因为在流量为1 030 m³/h时电动机电流超过了75 A。为此，马广线要达到10×10⁶ t的年输量, 应尝试两台主泵并联运行。经测算, 两台主泵由串联改为并联, 采用减阻剂注入浓度为15.4 mg/L或减阻剂注入速率为488 L/d, 运行两台并联泵, 流量很容易达到1 500 m³/h, 即1080×10⁴t的年输量(见图 3)。这一设想在以后的增输效果验证试验中得到了证实。

图  3  系统曲线(马希拉原油, 两个主泵并联)

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四.   技术经济分析

1   不加减阻剂的改造方案

为实现马广线10×10⁶ t的年输量, 马鞭洲首站需增加3台输油主泵及原油发电机组1台, 同时完成配套系统。在下游的园州和新圩增建两座泵站。

2   加减阻剂方案

马广线加减阻剂运行时, 要求马鞭洲站的两台主泵增加并联流程, 同时增加1台同一型号的主泵。

马广线加减阻剂运行时, 需要以下注入设备。

系统型号: Milton Roy B-单缸;

编号: LP-E040;

电压: 380 V/三相/60 Hz。

3   经济效益分析

年输量10×10⁶ t不加减阻剂运行和加减阻剂运行的一次性投资费用分别约为11 100×10⁴ 元和300×10⁴ 元。由此可见, 加减阻剂方案可节约一次性投资约10 800×10⁴ 元。

仅与不加减阻剂运行时新增泵的电费相比, 加减阻剂运行每年可节约费用约600×10⁴ 元。若再考虑人工、维护和管理等费用, 则经济效益更为可观。

一般情况下, 一条管道的寿命按20年计算, 而折旧按15年考虑。不采用加减阻剂运行与采用加减阻剂运行方案相比, 其多花费一次性投资的年平均折旧约为700×10⁴ 元, 再加上节约的600×10⁴ 元的年运行费用, 则加减阻剂运行的年综合经济效益至少为1300×10⁴ 元。