原油順序輸送∏形管與支管混油段的分析

王 琪，施 雯，王 淳

原油順序輸送∏形管與支管混油段的分析

王 琪1，施 雯1，王 淳2

（1. 廣東石油化工學(xué)院 廣東 茂名 525000； 2. 中國石化銷售有限公司遼寧石油分公司，遼寧 沈陽 110000）

針對目前原油順序輸送的混油問題，為了找出最佳切割點(diǎn)，已模擬了水平，豎直，停輸?shù)惹闆r，但對于一些特殊管段的研究不夠，通過模擬兩種特殊管段－彎管補(bǔ)償?shù)摹切喂芎头种Ч芏N情況。應(yīng)用FLUENT軟件以大慶和勝利油田油品為例建立原油管段順序輸送模型，得出了混油濃度變化圖象和規(guī)律，即∏形管對混油有很大影響，增加了混油的長度存在拖尾現(xiàn)象，而分支管對混油的長度的影響較小可忽略不計(jì)。兩種情況的結(jié)論分析有助于找出原油順序輸送的混油的最佳切割點(diǎn)。

順序輸送；混油段；∏形管；分支管；數(shù)值模擬

隨著我國進(jìn)口原油比例不斷加大，各種原油之間所含雜質(zhì)也大不一樣，由此不同原油在煉化前的預(yù)處理工序也不一樣，這就需要對不同原油進(jìn)行分罐儲存，因此，對熱油管道順序輸送工藝的混油研究也是迫在眉睫。在熱油管道的實(shí)際運(yùn)行過程中，原油的切換在不同的彎頭、法蘭斷面、泵閥的出口都極易形成混油；另外，管道的停輸檢修和間歇輸送也是不可避免的，這不僅對正常切換油源帶來極大的麻煩，同時(shí)還會對混油量產(chǎn)生較大的影響[1,2]。目前，對于特殊管段研究的很少，特別是對于熱力補(bǔ)償器∏形管和分支管的研究缺失，但其對于熱油管道順序輸送中混油的形成和形態(tài)的變化具有實(shí)際的意義，同時(shí)還可為工程實(shí)際應(yīng)用提供一定的理論指導(dǎo)。

1 物理模型

∏形管：熱油管道的尺寸：彎管總長度L=20 m ，直徑D=0.8 m，分5個(gè)直管段和4個(gè)彎頭，5段直管各3.6 m，4個(gè)彎頭各平均長0.5 m，彎頭外圓直徑1 m，內(nèi)圓0.2 m,如圖1左∏形管。

分支管：主管長度L=20 m ，直徑D=0.8 m，支管直徑0.6 m,如圖1右分支管。

流動介質(zhì): 大慶原油和勝利原油等原油，操作溫度為323 K原油的物理參數(shù)如表1所示:

前行油品：大慶；后行油品：勝利

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 控制方程[3]

當(dāng)以原油以流速 =2 m?s-1，管內(nèi)流動為紊流。假設(shè)原油的粘性為常數(shù)、不可壓流體，圓管光滑，則流動的控制方程如下

（1）質(zhì)量守恒方程

（2）動量守恒方程

（3） 湍動能方程[4]：

2.2 定義混合組分相關(guān)物理性質(zhì)

（1）密度[5]

混油段截面密度變化遵循簡單的比例相加規(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?m-3；CB— B油品的體積分?jǐn)?shù)。

（2）粘度

混油粘度不可以用簡單的組分比例計(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)動粘度,m2?s-1；αA, αB— 待定因數(shù)。

（在本文中對于原油可取αA=0.819 9，αB=-0.896 4）。

3 ∏型彎管的混油

初始時(shí)刻開始輸送第一種原油（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，第二種原油通過整個(gè)管道模型[6－8]結(jié)束。

在圖2中，T =11 s, 兩種油品交界處于直管段，通過對 Re的計(jì)算，流體處于紊流的狀態(tài)，在紊流狀態(tài)下交替輸送油品時(shí)，沿管道截面的速度分布比層流均勻，紊流核心部分中流體的最大局部流速隨雷諾數(shù)的增大而接近于液體的平均流速，一般是平均流速的1.18～1.25 倍。由于激烈的紊流擾動，使混油各截面上的油品濃度較為均勻，觀察不到楔形油頭的存在。T=12 s時(shí)彎管內(nèi)的混油層正好到達(dá)第一個(gè)拐點(diǎn)，此時(shí)油品受到外轉(zhuǎn)彎壁面的強(qiáng)大阻力，速度方向發(fā)生急劇變化，原本呈對稱拋物線型的混油形態(tài)逐漸向內(nèi)轉(zhuǎn)彎一側(cè)微微偏移；在拐彎之后，受到偏移的混油有頭開始沖刷彎管外轉(zhuǎn)彎壁面，在內(nèi)轉(zhuǎn)彎壁面出現(xiàn)一小段混油死角，如圖T=13 s和T=14 s所示。由于死角內(nèi)存留的前行油品很難被后行油品沖刷掉，同時(shí)根據(jù)能量守恒定律，對于一段油品而言，當(dāng)它在壁面附近流動受到嚴(yán)重阻礙時(shí)，速度能頭就會明顯減小，為了保持總能量不變，壁面附近的流體動能將會大幅度向管內(nèi)流體中心轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致管道中心油品速度能頭大幅增加，大大加劇了混油長度。所以，在彎管內(nèi)的混油經(jīng)過拐彎之后，T=15 s，T=16 s，特別是T=17 s，T=18 s混油段再次進(jìn)入豎直管段，勝利油品的密度大于大慶油品的密度使其混油速率加快[9]，所以在豎直段混油形態(tài)加劇，會變得更加細(xì)長，而且混油長度也會大幅增加。

4 分支管的混油

在分支管模擬實(shí)驗(yàn)中，如圖3,T＝14 s和T＝15 s我們可以清晰的看到原來呈拋物線形狀混油頭由于頂部支管的分流作用，使部分混油進(jìn)入支管內(nèi)，于是混油頭便被切割成兩部分(如圖,T＝16 s)，繼續(xù)向前流動。在主管內(nèi)，由于入口速度設(shè)為定值，由于中段的分流作用，速度減小，混油長度的變化率也明顯減?。粚τ谥Ч芏?，由于流體方向的突然改變，則在原油沖刷的壁面另一側(cè)形成混油死角(如圖3,T＝17 s)。支管死角內(nèi)的混油很難直接通過沖刷的方式除去，只能通過混油死角區(qū)域管壁處的回流作用，在后行油品中形成渦流并將其包圍，在緩慢擴(kuò)散、溶解中，逐漸將混油死角不斷縮小至消失。

盡管在分支管內(nèi)，順序輸送的油品會形成混油死角，而且在死油區(qū)消失之前會不斷會有混油擴(kuò)散出來，但是這些擴(kuò)散出來的混油由于回流漩渦的存在，并不進(jìn)入主管，只會沿著支管繼續(xù)向前輸送。因此對于主管而言，分支入口只是破壞了靠近分支一側(cè)的混油形態(tài)，對混油長度的影響主要還是因支管分流導(dǎo)致的輸送速度變化所引起，而混油死角內(nèi)擴(kuò)散出來的混油并不對主管產(chǎn)生影響(如圖3,T＝18 s，T＝20 s)。在整個(gè)過程中在混油層的中心軸線位置，原油具有最大的流速，因此勝利油品能夠以最快的速度朝軸向進(jìn)行對流擴(kuò)散，使混油頭不斷變細(xì)變長；而在管道的壁面位置，由于大慶油品與壁面存在著粘性附著力，在粘性附著力的作用下，壁面附近的大慶油品流動受到明顯的阻礙，因此低流速下的大慶油品只能通過勝利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。

5 結(jié)論與建議

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，對于π型彎管來說，管段對于混油產(chǎn)生很大的影響，增大了混油的長度，所以在判斷切割點(diǎn)時(shí)要充分考慮它的因素影響。而對于支管來說對混油的影響很小在判斷切割時(shí)可以忽略其影響。

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Analysis on Mixed Oil Segment in ∏ Shape Pipe and Branch Pipe During Batch Transportation of Crude Oil

WANG Qi1,SHI Wen1,WANG Chun2
（1. Guangdong Petroleum and Chemical College, Guangdong Maoming 525000, China; 2. Sinopec Sales Co., Ltd. Liaoning Branch, Liaoning Shenyang 110000，China）

For the problem of contamination in batch transportation of crude oil, simulation of the contamination in horizontal pipe and vertical pipe or during shutdown has been carried out in order to find out the best cutting point, but research on the contamination in special pipe section is not enough. In this paper, the contamination in two kinds of special sections including ∏ shape pipe and branch pipe was simulated with Daqing and Shengli crude oil as samples by FLUENT software, the crude oil batch transportation model was established, mixed oil concentration change image and laws were obtained. The results show that the ∏ shape tube has a great influence on the contamination, it can increase the length of the mixed oil and cause trailing phenomenon; influence of the branch pipe to the length of mixed oil is negligible. The conclusion of two cases can contribute to finding the best cutting point.

Batch transportation; Mixed oil segment; ∏shape pipe; Branch pipe; Numerical simulation

TE 832

： A

： 1671-0460（2015）05-1120-03

2014-11-14

王琪（1982-），女，廣東茂名人，講師，碩士，2005年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)油氣儲運(yùn)專業(yè)，研究方向：從事油氣儲運(yùn)教師工作。E-mail：13790914645@163.com。