原油順序輸送水平管混油段的分析

王 琪，羅 浩，陳國(guó)平

（1. 廣東石油化工學(xué)院，廣東 茂名 525000； 2. 虎門港海灣石油倉(cāng)儲(chǔ)碼頭有限公司， 廣東 東莞 523988）

原油順序輸送水平管混油段的分析

王 琪1，羅 浩2，陳國(guó)平3

（1. 廣東石油化工學(xué)院，廣東 茂名 525000； 2. 虎門港海灣石油倉(cāng)儲(chǔ)碼頭有限公司， 廣東 東莞 523988）

針對(duì)目前從港口輸往煉油廠的油品多樣性，以大慶和勝利油品為例建立了水平原油管段順序輸送模型，應(yīng)用FLUENTT軟件進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，得出了混油濃度變化圖象和曲線，表明在原油管道順序輸送過(guò)程中粘度差的影響。幵總結(jié)出油品分散規(guī)律，幵給出了切割的長(zhǎng)度，為找到最佳切割點(diǎn)提供依據(jù)。

順序輸送；混油段；切割點(diǎn)；數(shù)值模擬

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的収展，能源已經(jīng)成為其主要命脈，但原油的自產(chǎn)能力增長(zhǎng)有限，所以對(duì)進(jìn)口原油的依存度不斷加大，當(dāng)前我國(guó)原油進(jìn)口除了俄羅斯原油直接通過(guò)輸油管道運(yùn)輸外。其它均為通過(guò)油輪在港口卸油，上岸后經(jīng)過(guò)管道運(yùn)往各個(gè)煉油企業(yè)。但是由于油的來(lái)源不同在順序輸送管道中接觸面處將產(chǎn)生一段混油。混油量與輸送油品的密度、粘度等物性參數(shù)有關(guān),也與管道的高程[1，2]，形狀有關(guān)，但多數(shù)管線都在水平直管段運(yùn)行。以下以兩種油品順序輸送進(jìn)行模擬[3]，計(jì)算混油段，為找到最佳切割點(diǎn)提供依據(jù)。

1 物理模型

熱油管道的尺寸：長(zhǎng)度 L=20 m，直徑D=0.8 m(圖1)。.

圖1 直管模型Fig.1 Straight pipe model

流動(dòng)介質(zhì):大慶原油和勝利原油等原油，原油的物理參數(shù)如表1所示:

表1 原油的物性參數(shù)Table 1 Crude oil physical property parameters

輸送速度： =2 m/s;操作溫度：原油管道一般都要加熱輸送，操作溫度為323 K

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 控制方程

當(dāng)以原油以流速=2 m/s，管內(nèi)流動(dòng)為紊流。

假設(shè)原油的粘性為常數(shù)、不可壓流體，圓管光滑，則流動(dòng)的控制方程如下：

1）質(zhì)量守恒方程

2）動(dòng)量守恒方程

3) 湍動(dòng)能方程：

4）湍能耗散率方程[4]：

式中：ρ—密度；

u、v、w —流速矢量在x、y和z方向的分量，p為流體微元體上的壓強(qiáng)。

方程求解：采用雙精度求解器，非定常流動(dòng)，標(biāo)準(zhǔn) 模型，Simple算法。

2.2 定義混合組分相關(guān)物理性質(zhì)

1）密度

混油段截面密度變化遵循簡(jiǎn)單的比例相加規(guī)律，即混油段密度為每種油品體積分?jǐn)?shù)與其密度乘積之和

式中:ρA, ρB, ρM—分別為A油品、B油品和混油的密度，kg/m3；CB—B油品的體積分?jǐn)?shù)。

2）粘度

混油粘度不可以用簡(jiǎn)單的組分比例計(jì)算，但其組分仍接近于線性關(guān)系。

式中:VA，VB，VM—分別為 A 油品、 B 油品和混油的運(yùn)動(dòng)粘度，m2/s ；

αA,αB—待定因數(shù)。（在本文中對(duì)于原油可取αA=0.819 9，αB=-0.896 4）。

3 水平直管模型內(nèi)混油的形成過(guò)程

設(shè)定順序輸送管路為水平管，不考慮初始混油量的影響。順序輸送油品的流速為 2 m/s，初始時(shí)刻開(kāi)始輸送第一種原油（大慶原油），到第 10 s時(shí)刻第一種油品正好充滿圓管模型，此時(shí)開(kāi)始從入口輸送第二種原油（柴勝利原油），一直到第 20 s，第二種原油通過(guò)整個(gè)管道模型結(jié)束。

由于順序輸送混油的濃度分布隨著時(shí)間的延續(xù)而變化，故采用瞬態(tài)計(jì)算模型，相應(yīng)的壓力速度的耦合方法應(yīng)用simple 算法。在湍流條件下利用標(biāo)準(zhǔn)k ? ε方程模型封閉方程組，應(yīng)用有限體積法對(duì)方程進(jìn)行離散。計(jì)算結(jié)果收斂較好。

在實(shí)際的操作中，由于原油在管道模型的法向輸送速度幵不均勻，在輸送過(guò)程中相互混合和擴(kuò)散，逐漸形成混油，幵且混油量在輸送過(guò)程中隨時(shí)間增大，這也符合理論分析中關(guān)于混油變化和拖尾的現(xiàn)象的事實(shí)。

在順序輸送的直管模型內(nèi)，后行油品由于徑向的速度分布不均，管道中心的流動(dòng)速度明顯大于壁面附近流動(dòng)速度，導(dǎo)致其呈楔形進(jìn)入前行油品，形成混油分界面，如圖2所示。在混油分界面上，兩種油品不斷地對(duì)流擴(kuò)散和紊流擴(kuò)散作用，逐漸形成具有一定厚度的混油層，在混油層的中心軸線位置，原油流體具有最大的流動(dòng)速度，因此后行油品能夠以最快的速度朝軸向進(jìn)行對(duì)流擴(kuò)散，使混油頭不斷變細(xì)變長(zhǎng)；而在管道的壁面位置，由于前行油品與壁面存在著粘性附著力，在粘性附著力的作用下，壁面附近的前行油品流動(dòng)受到明顯的阻礙，因此低流速下的前行油品只能通過(guò)后行油品的沖刷作用和徑向?qū)α鲾U(kuò)散的形式緩慢除去，這就導(dǎo)致混油拖尾現(xiàn)象的產(chǎn)生。在管道中心處混油軸向?qū)α鲾U(kuò)散和壁面混油拖尾現(xiàn)象的共同作用下，隨著輸送時(shí)間的增大，混油段的距離也明顯增大[5]。

圖2 直管模型內(nèi)不同時(shí)刻的混油變化過(guò)程Fig.2 Mix oil change process of straight pipe model in different time

當(dāng)t=15 s時(shí)混油界面正好到達(dá)管子中段，為了觀察管子內(nèi)部的混油的相變化情況，本次試驗(yàn)以中心點(diǎn)(L=10 m)為源點(diǎn)，以0.2 m為分度值進(jìn)行前后截圖，觀察情況如圖3所示。在圖中直觀地反映了混油經(jīng)過(guò)各個(gè)水平管截面時(shí)的混油形態(tài)，同時(shí)也從側(cè)面說(shuō)明了管內(nèi)混油徑向紊流擴(kuò)散的存在。

圖3 t =15 s時(shí)水平直管模型內(nèi)不同位置的混油截面Fig.3 t = 15 s horizontal straight pipe model in different location

4 水平管內(nèi)混油長(zhǎng)度的分析

在順序輸送中組分濃度為1%～99%之間的油段為混油段[6，7]，混油段所占輸油管道的長(zhǎng)度為混油長(zhǎng)度，如圖4所示，則混油長(zhǎng)度的計(jì)算公式為：

式中:X1，X2—混油油頭和油尾所在位置的坐標(biāo)；L為混油長(zhǎng)度。

圖4 混油形態(tài)示意圖Fig.4 Mix oil form

在本次實(shí)驗(yàn)操作中，對(duì)于混油的位置主要是通過(guò)切割截面法確定混油的位置，幵通過(guò)混油長(zhǎng)度的計(jì)算公式9進(jìn)行計(jì)算，得出混油長(zhǎng)度如表2所示。

表2 混油長(zhǎng)度隨時(shí)間的變化Table 2 Mix oil length changes over time

從表2中可以収現(xiàn)，混油的長(zhǎng)度隨輸送時(shí)間的增大而增大，但是幵不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。因?yàn)樵诓豢紤]實(shí)驗(yàn)誤差的情況下，等時(shí)間差下的混油長(zhǎng)度變化幵不相等或者相似，而是逐漸增大的，由此可以確定混油長(zhǎng)度隨時(shí)間或者輸送距離的變化具有冪函數(shù)關(guān)系。

5 結(jié) 論

利用flunet有限元分析軟件可以對(duì)原油順序輸送混油進(jìn)行精準(zhǔn)的模擬,利用豐富的彩色云圖可以形象直觀地實(shí)現(xiàn)從三維圖上表現(xiàn)混油變化情況,為原油順序輸送切割點(diǎn)的確定找到了理論依據(jù)和分析方法。

［1］趙會(huì)軍, 張青松, 張國(guó)忠, 等. 基于PHOENICS 的順序輸送大落差管道混油研究[ J] . 江漢石油學(xué)院學(xué)報(bào), 2008, 28( 4) : 139-142.

［2］康正凌，宮敬，嚴(yán)大凡．管道順序輸送高差混油研究[J]．石油學(xué)報(bào)，2003，24(4)：94-98．

［3］趙會(huì)軍, 張青松, 張國(guó)忠, 等. 基于PHOENICS 順序輸送管道內(nèi)兩種油品傳質(zhì)數(shù)值模擬[J] . 北京化工大學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 33 ( 6) : 22- 25.

［4］劉強(qiáng)，王樹(shù)立，李恩田,等．利用湍流模式理論模擬順序輸送混油過(guò)程[J]．油氣儲(chǔ)運(yùn)，2006，25（11）：22-26

［5］趙會(huì)軍, 張青松, 張國(guó)忠, 等. 基于PHOENICS 順序輸送管道混油濃度的計(jì)算[ J] . 油氣儲(chǔ)運(yùn), 2007, 26( 2) : 43- 46.

［6］慕希茂, 郭躍平, 李保國(guó), 等. 順序輸送停輸時(shí)的混油量計(jì)算油氣儲(chǔ)運(yùn)[J]. 油氣儲(chǔ)運(yùn),2001, 20( 9) : 30- 31.

［7］呂穩(wěn)高, 馮先強(qiáng)1 淺談原油順序輸送過(guò)程中混油量的計(jì)算[ J ] . 天然氣與石油, 2007, 25 ( 1) : 11- 13.

Analysis on Mixed Oil Segment in the Horizontal Pipe During Crude Oil Batch Transportation

WANG Qi1，LUO Hao2，CHENG Guo-ping3
（1. Guangdong Petroleum Chemical University, Gguangdong Maoming 525000，China；2. Humen Port Gulf Oil Storage Terminal Co., Ltd., Guangdong Dongguan 523988，China）

In view of the diversity of product from the port to the refinery, taking Daqing and Shengli crude oil as examples, horizontal pipe model of crude oil transportation was established, then three-dimensional numerical simulation was carried out with FLUENTT software, the image and curve of the mixed oil concentration change were obtained as well as effect of crude oil viscosity spread on the crude oil batch transportation. The oil distributing rule was summed up, and the length of the cutting was determined, which could provide the basis for finding the best cutting point.

Batch transportation; Mixed oil segment; Cutting point; Numerical simulation

TE832

A

1671-0460（2014）10-2153-03

2014-03-31

王琪（1982-），女，遼寧撫順人，講師，碩士，2009年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)，研究方向：油品流場(chǎng)，溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬。E-mail：wangqi1982.good@163.com。