本發(fā)明是一種原油管道凝管概率定量評(píng)價(jià)方法，涉及管道系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
含蠟原油管道的最終極限狀態(tài)之一就是熟知的凝管狀態(tài)，這是管道運(yùn)行中需要盡力避免的，帶來(lái)的生產(chǎn)損失也最大。一般，出現(xiàn)這種極限狀態(tài)的主要原因是在管道計(jì)劃、尤其是事故性停輸后，啟動(dòng)過(guò)程失敗導(dǎo)致的凝管。目前判斷管道是否凝管的通用做法是依照管道的當(dāng)前進(jìn)站溫度，根據(jù)周邊環(huán)境情況，考慮給定的停輸時(shí)間內(nèi)，原油溫度是否大于其凝點(diǎn)。這種做法雖簡(jiǎn)單易用，但科學(xué)性不強(qiáng)。首先，該方法沒(méi)有考慮到管道運(yùn)行工藝參數(shù)的不確定性，例如地溫實(shí)際是波動(dòng)的；其次，簡(jiǎn)單用凝點(diǎn)的指標(biāo)并不科學(xué)，用啟動(dòng)時(shí)所需壓力是否大于管道的最大允許操作壓力顯然要更客觀。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是發(fā)明一種基于確定性和不確定性方法的可靠、準(zhǔn)確的原油管道凝管概率定量評(píng)價(jià)方法。管道實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中，其輸量、出站溫度、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行總傳熱系數(shù)、管道埋深、管道埋深處地溫、土壤導(dǎo)熱系數(shù)等均具有不確定性，評(píng)價(jià)以實(shí)際生產(chǎn)報(bào)表為基礎(chǔ)，考慮了這些因素的不確定性。評(píng)價(jià)所涉及到的計(jì)算參數(shù)的自動(dòng)提取分析由軟件來(lái)完成，如輸量，壓力，進(jìn)站溫度，出站溫度等，并對(duì)這些數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性進(jìn)行校核。本發(fā)明提出的原油管道凝管定量評(píng)價(jià)方法，主要流程如圖1所示：1)安全性影響因素的自動(dòng)化提取及分析；2)影響因素的數(shù)據(jù)分布性規(guī)律統(tǒng)計(jì)；3)確定性停輸再啟動(dòng)壓力計(jì)算；4)評(píng)價(jià)次數(shù)的設(shè)定及參數(shù)的隨機(jī)取樣；5)不確定性停輸再啟動(dòng)壓力的計(jì)算；6)統(tǒng)計(jì)管道再啟動(dòng)失敗的計(jì)算次數(shù)；7)計(jì)算結(jié)果的得出(管道凝管概率)；8)是否滿足可接受失效判斷；9)若不滿足，則調(diào)整流動(dòng)保障方案后，轉(zhuǎn)2)影響因素的數(shù)據(jù)分布性規(guī)律統(tǒng)計(jì)；若滿足，則提交流動(dòng)保障整體方案。管道實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中，其輸量、出站溫度、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行總傳熱系數(shù)、管道埋深、管道埋深處地溫、土壤導(dǎo)熱系數(shù)等均具有不確定性，評(píng)價(jià)以實(shí)際生產(chǎn)報(bào)表為基礎(chǔ)，考慮了這些因素的不確定性。評(píng)價(jià)所涉及到的計(jì)算參數(shù)的自動(dòng)提取分析由軟件來(lái)完成，如輸量，壓力，進(jìn)站溫度，出站溫度等，并對(duì)這些數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性進(jìn)行校核。凝管概率定義如下：對(duì)于一個(gè)給定的極限狀態(tài)，概率分析包含廣義隨機(jī)載荷S和廣義隨機(jī)抗力R的模型。對(duì)應(yīng)的極限狀態(tài)函數(shù)可以一般性地表示成如下的形式：g(x)＝R-S(1)顯然，當(dāng)g(x)＜0標(biāo)志著失效。定義失效概率如下：式中，x是隨機(jī)變量矢量；fx(x)是聯(lián)合概率密度函數(shù)。對(duì)于原油管道停輸再啟動(dòng)問(wèn)題，定義載荷S即為管道最小啟動(dòng)壓力，取抗力R為管道最大允許操作壓力(MAOP)，Pf即為凝管概率。所述數(shù)據(jù)分布性概率統(tǒng)計(jì)和校核是：根據(jù)ISO16708，對(duì)定量評(píng)價(jià)管道采集的生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行不確定性和取值分析。以管輸過(guò)程中管道流量數(shù)據(jù)分布規(guī)律為例，針對(duì)某東部管道選取了三個(gè)月份流量計(jì)統(tǒng)計(jì)的流量數(shù)據(jù)。結(jié)果如下：表1管道輸量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律表1的結(jié)果顯示，輸量數(shù)據(jù)的峰度接近于3，偏差接近于0，可認(rèn)為服從正態(tài)分布規(guī)律。其它流動(dòng)安全影響因素的不確定性分析過(guò)程如上。所述確定性停輸再啟動(dòng)壓力計(jì)算是：如前文所述，本評(píng)價(jià)方法基于二級(jí)評(píng)價(jià)架構(gòu)，第一級(jí)架構(gòu)在不考慮生產(chǎn)運(yùn)行狀況波動(dòng)的情況下，為滿足現(xiàn)場(chǎng)的需求，以確定性方法評(píng)估現(xiàn)有生產(chǎn)運(yùn)行條件的安全性，若不安全，將根據(jù)結(jié)果采取流動(dòng)保障措施。確定性工況一般為現(xiàn)場(chǎng)給定的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。所述評(píng)價(jià)次數(shù)的設(shè)定及參數(shù)的隨機(jī)取樣是：完成了體系一級(jí)構(gòu)架中的確定性分析之后，就可以進(jìn)行大規(guī)模的概率取樣，取樣次數(shù)默認(rèn)為10000次，生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù)每次取樣時(shí)由其分布規(guī)律函數(shù)生成相應(yīng)的數(shù)值，但必須設(shè)定生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù)的上下界。原因在于分布規(guī)律函數(shù)生成的是符合數(shù)學(xué)分布規(guī)律的數(shù)值，但并不必然具有物理意義。在沒(méi)有生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)指定的情況下，系統(tǒng)默認(rèn)的上下界如下，輸量在其均值加減3倍方差之間，進(jìn)出站溫度在0℃-90℃之間，地溫在-20℃-50℃之間。所述不確定性停輸再啟動(dòng)壓力計(jì)算和啟動(dòng)失敗次數(shù)計(jì)算是：不確定性停輸再啟動(dòng)壓力計(jì)算是根據(jù)已經(jīng)設(shè)定的評(píng)價(jià)次數(shù)，和每個(gè)評(píng)價(jià)次數(shù)生成的生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù)來(lái)分析凝管是否發(fā)生。如啟動(dòng)失敗發(fā)生則記錄為1，不發(fā)生則記錄0。評(píng)價(jià)完成后則可記錄總的停輸再啟動(dòng)失敗的次數(shù)。所述結(jié)果分析是：基于計(jì)算得到的凝管失效概率Pf，將(1-Pf)定義為管道停輸再啟動(dòng)安全性指標(biāo)(SRSI)。在管道停輸時(shí)間不變的條件下，SRSI分級(jí)指標(biāo)越大，管道停輸失敗的可能性就越小再啟動(dòng)，管道再啟動(dòng)過(guò)程的安全程度就越高；反之，管道再啟動(dòng)失敗的可能性就越大，根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，對(duì)管線的運(yùn)行安全提出保障措施。評(píng)價(jià)過(guò)程管輸工藝計(jì)算正常輸送時(shí)的水力、熱力計(jì)算(1)正常運(yùn)行熱油管道軸向溫降計(jì)算在穩(wěn)定輸送條件下，熱油管道內(nèi)油流的溫降速率與管道運(yùn)行參數(shù)(出站溫度、輸量等)、管徑、管道埋深及其周?chē)橘|(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)、溫度、加熱站間長(zhǎng)度和原油物性(比熱容、密度、黏度等)等密切相關(guān)。管內(nèi)油流沿程溫度分布可近似用ЛейбензоН公式描述：TL＝(T0+b)+(TR-T0-b)e-aL(3)式中，a＝KπD/Gc，b＝ig/cpa；；G為油品的質(zhì)量流量，kg/s；Cp為原油的比熱容，J/(kg·℃)；D為管道外徑，m；L為距加熱站的距離，m；K為管道總傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；TR為加熱站出站油溫，℃；TL為距加熱站距離為L(zhǎng)處的油溫，℃；T0為周?chē)橘|(zhì)溫度，埋地管道取管中心埋深處自然地溫，℃。(2)熱油管道的摩阻計(jì)算流體在水平圓管內(nèi)流動(dòng)的壓力梯度為：式中，i是壓力梯度，Pa/m；V是管道內(nèi)流體的平均流速，m/s；ρ為流體的密度，kg/m3；D為圓管內(nèi)徑，m；λ為達(dá)西摩阻系數(shù)；f為范寧摩阻系數(shù)。停輸溫降的計(jì)算在初凝概率的評(píng)價(jià)過(guò)程中，依據(jù)評(píng)價(jià)需求，可以對(duì)停輸溫降采取集總熱容法或數(shù)值法兩種解法，集總熱容法具有計(jì)算速度且結(jié)果相對(duì)保守的特點(diǎn)，數(shù)值解法計(jì)算準(zhǔn)確，但計(jì)算速度較慢。(1)集總熱容法熱油管道停輸后，距離起點(diǎn)任意距離l處，停輸t時(shí)間后管內(nèi)油溫的計(jì)算式如下：式中，T為距管道起點(diǎn)l處，停輸t時(shí)間后的油溫，℃；T0為周?chē)h(huán)境溫度(對(duì)埋地管道為埋深處的地溫)，℃；TR為開(kāi)始停輸時(shí)管道起點(diǎn)處的油溫，℃；K為管道穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的總傳熱系數(shù)，W/(m·℃)；Dout為管外徑，m；G為管道輸量，kg/s；l為計(jì)算點(diǎn)距離管道起點(diǎn)的距離，m；t為停輸時(shí)間，s；b是系數(shù)，s-1，取值由式(2-30)確定；D1、D2分別為鋼管內(nèi)徑與外徑，m；cy、cg分別為原油與鋼管的比熱容，kJ/(kg·℃)；ρy、ρg分別為鋼管的比熱容與密度，kg/m3。(2)數(shù)值解法管內(nèi)含蠟原油停輸后的溫降過(guò)程，是一個(gè)伴隨相變、自然對(duì)流及移動(dòng)邊界的三維不穩(wěn)定傳熱問(wèn)題。按照傳熱方式的不同，停輸后管內(nèi)原油的傳熱又可分為三個(gè)階段：自然對(duì)流傳熱階段、自然對(duì)流與熱傳導(dǎo)共同控制階段和純導(dǎo)熱階段?；诤炘屯］敽鬁亟颠^(guò)程的復(fù)雜性，本模型中引入以下假設(shè)來(lái)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化：1)引入當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)將液態(tài)原油的自然對(duì)流問(wèn)題當(dāng)成導(dǎo)熱問(wèn)題來(lái)處理；2)在停輸溫降的過(guò)程中，隨著油溫降低蠟晶逐漸析出，形成凝油層，由于工程問(wèn)題的復(fù)雜性，假設(shè)凝油層的增長(zhǎng)和管道同心；3)利用比熱容隨溫度的變化描述蠟晶析出釋放結(jié)晶潛熱對(duì)停輸溫降過(guò)程的影響；4)在停輸溫降的第二階段，引用滯流點(diǎn)的概念將管道內(nèi)部分成自然對(duì)流區(qū)和導(dǎo)熱區(qū)。通過(guò)以上假定將停輸溫降問(wèn)題簡(jiǎn)化為一個(gè)純導(dǎo)熱問(wèn)題。管內(nèi)原油的傳熱方程為：其中：程序計(jì)算中，當(dāng)油溫高于滯流點(diǎn)時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)采用上式進(jìn)行計(jì)算，油溫低于滯流點(diǎn)時(shí)，則選取原油的導(dǎo)熱系數(shù)。結(jié)蠟層、管壁和防腐層的傳熱方程式中，n＝1，2，3分別表示結(jié)蠟層、管壁和防腐層。土壤導(dǎo)熱方程土壤求解區(qū)域的外圍為第一類(lèi)邊界條件：溫度為管道埋深處的自然地溫。結(jié)蠟層、管壁、防腐層以及土壤的傳熱滿足關(guān)聯(lián)條件，即：k＝1，2，3停輸再啟動(dòng)壓力計(jì)算采用劉天佑模型計(jì)算啟動(dòng)壓力，模型中將啟動(dòng)壓力分成三部分：液體由靜止加速到啟動(dòng)速度的慣性力，液體與管壁間的摩擦力及破壞非牛頓體結(jié)構(gòu)觸變性的附加力。假設(shè)啟動(dòng)輸量保持不變，導(dǎo)出的啟動(dòng)壓力的最大值為：管壁剪切速率與啟動(dòng)輸量的關(guān)系用牛頓流體穩(wěn)態(tài)流動(dòng)公式近似表示：式中：τ0、τ∞、B：輸油溫度下剪切速率為時(shí)的初始剪切應(yīng)力、平衡剪切應(yīng)力和觸變性指數(shù)，L為管道長(zhǎng)度，as為壓力波傳播速度。式(12)右邊第一項(xiàng)是慣性壓降，使原油產(chǎn)生加速度，由靜止達(dá)到啟動(dòng)速度；第二項(xiàng)是平衡摩阻壓降，克服流動(dòng)剪切時(shí)流體與管壁間的粘性摩擦阻力；第三項(xiàng)是觸變性壓降，用于破壞管壁附近原油的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明可以對(duì)管道是否凝管進(jìn)行定量描述，對(duì)管道的安全性和運(yùn)行優(yōu)化提出可靠性建議。本發(fā)明首次在凝管概率評(píng)價(jià)中考慮了影響因素的不確定性；首次在凝管概率評(píng)價(jià)中確定了具體的可接受失效概率指標(biāo)；在凝管概率的計(jì)算過(guò)程中綜合考慮了原油觸變性模型、壓力波傳遞速度。本發(fā)明能夠指導(dǎo)原油管道流動(dòng)安全性評(píng)價(jià)，對(duì)管道的安全、高效運(yùn)行提供技術(shù)支持。附圖說(shuō)明圖1原油管道凝管概率定量評(píng)價(jià)流程圖具體實(shí)施方式實(shí)施例.原油管道凝管概率定量評(píng)價(jià)方法如圖1所示，通過(guò)本例提出的方法，對(duì)國(guó)內(nèi)某條原油管線進(jìn)行了凝管概率的評(píng)價(jià)，得出適應(yīng)于現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的結(jié)論?，F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析在凝管概率的評(píng)價(jià)中，認(rèn)為管道輸量、出站溫度、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)總傳熱系數(shù)、管道結(jié)蠟厚度、管道埋深、管道埋深處地溫和土壤導(dǎo)熱系數(shù)等均具有不確定性，對(duì)該管道09年2月現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見(jiàn)表2及表3。表2某原油管道流動(dòng)安全影響因素不確定性分析表3某原油管道流動(dòng)安全影響因素不確定性取值凝管概率計(jì)算結(jié)果及分析(1)停輸達(dá)到最長(zhǎng)允許停輸時(shí)間時(shí)的凝管概率根據(jù)管道運(yùn)行規(guī)程中規(guī)定的目標(biāo)管道最長(zhǎng)允許停輸時(shí)間，進(jìn)行了凝管概率計(jì)算。規(guī)程規(guī)定的該管道在不同月份的最長(zhǎng)允許停輸時(shí)間見(jiàn)表4。表4不同月份最長(zhǎng)允許停輸時(shí)間基于2008年5月～2009年4月期間管道運(yùn)行參數(shù)，計(jì)算該管道6個(gè)站間的凝管概率，結(jié)果見(jiàn)表5。表5停輸達(dá)到最長(zhǎng)允許停輸時(shí)間時(shí)管道的凝管概率計(jì)算結(jié)果由表5，結(jié)合評(píng)價(jià)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可知，相對(duì)于混合原油(凝點(diǎn)29℃)，2號(hào)中間站以前輸送的原油流動(dòng)性較差(凝點(diǎn)32℃)，輸送這種原油的首站-1號(hào)中間站、1號(hào)-2號(hào)中間站管段的進(jìn)站溫度一般在34～35℃，比原油凝點(diǎn)高2～3℃。因此首站-1號(hào)中間站在11月份，1號(hào)-2號(hào)中間站在2月和11月的凝管概率偏大。而輸送混合原油的其余站間的進(jìn)站溫度一般在33～34℃，比原油凝點(diǎn)高4～5℃，因此，凝管概率較低，可再適當(dāng)降低進(jìn)站溫度。(2)固定停輸時(shí)間下的凝管概率計(jì)算停輸24h條件下的凝管概率，結(jié)果見(jiàn)表6。表6停輸24h下管道凝管概率由表6可知，首站-1號(hào)中間站管段在11月份，1號(hào)-2號(hào)中間站管段在2月和11月凝管概率較高。(3)不同停輸時(shí)間下的凝管概率選取地溫最低的2月進(jìn)行計(jì)算分析。對(duì)目標(biāo)管道不同停輸時(shí)間條件下6個(gè)站間的凝管概率計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7。表72月份不同停輸時(shí)間條件下凝管概率計(jì)算結(jié)果由表7中結(jié)果可以看出，隨著停輸時(shí)間的增加，各站間凝管概率的增加速度并不一致，因此各站間的凝管風(fēng)險(xiǎn)是有所區(qū)別的。(4)不同進(jìn)站溫度下的凝管概率分別計(jì)算2月份在凝點(diǎn)以上1℃、凝點(diǎn)以上2℃、凝點(diǎn)以上3℃進(jìn)站條件下和實(shí)際輸送工況下停輸后24h的凝管概率，見(jiàn)表8。表8不同進(jìn)站溫度條件下的凝管概率由表8可知，當(dāng)各站間均按照同一指標(biāo)規(guī)定進(jìn)站溫度時(shí)，例如，按照“凝點(diǎn)+3℃”進(jìn)站時(shí)，各站的凝管概率并不完全相同。對(duì)同一管道(地域相同)在同樣的時(shí)間下，結(jié)果尚且如此，對(duì)于輸送不同原油的管道、在不同季節(jié)，這種差別會(huì)更大，因此，尋找比“凝點(diǎn)+3℃”更合理的進(jìn)站指標(biāo)或進(jìn)站溫度確定依據(jù)是可能的，流動(dòng)安全評(píng)價(jià)體系有望全面解決這個(gè)問(wèn)題?；谏鲜鲈u(píng)價(jià)得出的結(jié)果，可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)和規(guī)程制定進(jìn)行指導(dǎo)，由此可看出開(kāi)展流動(dòng)安全性定量評(píng)價(jià)的重要意義。