采用當(dāng)量管徑計(jì)算順序輸送變徑管路混油量的方法

李永軍 朱國(guó)承 徐笑鷗

1西安長(zhǎng)慶科技工程有限責(zé)任公司

2中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司定向井技術(shù)服務(wù)分公司

在一條管道中按一定順序連續(xù)輸送多種油品的輸送方法稱為順序輸送。順序輸送主要用于輸送成品油，混油是油品順序輸送的必然產(chǎn)物。在順序輸送油品的管道設(shè)計(jì)或生產(chǎn)過(guò)程中，如何跟蹤混油，減少混油，處理混油是研究的主要問(wèn)題，而混油量的計(jì)算是指導(dǎo)終點(diǎn)油品切割、混油處理方式選擇、批次及罐容優(yōu)化等的關(guān)鍵依據(jù)。國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)資料中介紹的混油量計(jì)算公式很多，目前應(yīng)用最多的是奧斯?。ˋustin）和柏爾弗萊（Palfrey）總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)公式，但該公式只適用于等徑管路的混油量計(jì)算，而實(shí)際上，大多數(shù)輸油管道都是由不同管徑、不同長(zhǎng)度的管段組成的，以適應(yīng)增加泵站間距、調(diào)整泵站位置、平衡翻越點(diǎn)后的剩余能量等工藝需要[1]。針對(duì)這種變徑管路，提出采用當(dāng)量管徑計(jì)算混油量的一種方法以供探討。

1 采用當(dāng)量管徑計(jì)算的分析

順序輸送管道除了管路附件及支管等造成的局部混油、初始混油、誤操作或事故狀態(tài)下的意外混油外，正常輸送條件下，沿程混油為主要混油。根據(jù)混油機(jī)理可知，流態(tài)對(duì)沿程混油量的多少影響非常大，層流流態(tài)下管道截面上流速分布的不均勻性會(huì)形成非常大的混油量，而在紊流流態(tài)下管道截面的流速分布比層流均勻，混油量形成相對(duì)較少，這也是各種文獻(xiàn)資料建議成品油順序輸送管道應(yīng)在雷諾數(shù)較高的紊流區(qū)內(nèi)輸油時(shí)流速盡可能大一些的主要原因[2]。

輸油管道常用列賓宗公式進(jìn)行沿程摩阻計(jì)算。從水力學(xué)可知，雷諾數(shù)是流態(tài)劃分的標(biāo)準(zhǔn)，不同流態(tài)有其對(duì)應(yīng)的系數(shù)β和流態(tài)指數(shù)m值。由列賓宗公式和Austin-Palfrey 混油量計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式可以看出，沿程摩阻和混油長(zhǎng)度均與管路長(zhǎng)度、流量、管徑、油品的運(yùn)動(dòng)黏度和流態(tài)有關(guān)，并且流速、管徑和管路長(zhǎng)度是影響混油的主要因素[3]。由此可以得出，沿程混油除了分子擴(kuò)散的物理特性起作用外，水力特性的作用是最主要的[2]。

對(duì)于變徑管路，油品流速在變徑的連接處呈階躍式變化，使得混油量的計(jì)算變得復(fù)雜，如果把變徑管路簡(jiǎn)化為等徑管路問(wèn)題，就可以采用Austin-Palfrey 經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行混油量計(jì)算，也使計(jì)算得以簡(jiǎn)化[4-5]。另外，通過(guò)對(duì)列賓宗公式和Austin-Palfrey經(jīng)驗(yàn)公式中的參數(shù)進(jìn)行分析，在其他條件都相同的情況下，管徑對(duì)摩阻、混油量的影響最大，因此提出采用當(dāng)量管徑計(jì)算順序輸送變徑管路的混油量。以三種不同管徑、不同長(zhǎng)度管段組成的變徑管道為例進(jìn)行計(jì)算方法介紹。

2 當(dāng)量管徑計(jì)算

設(shè)主管段的管內(nèi)徑為d0，長(zhǎng)度為L(zhǎng)0，流量為q0，變徑管的管內(nèi)徑分別為d1、d2，長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)1、L2，流進(jìn)各連接點(diǎn)的流量分別為q1、q2，中間無(wú)分輸點(diǎn)，全線的總沿程摩阻H為各段沿程摩阻的總和，即

根據(jù)水動(dòng)力學(xué)連續(xù)性方程可知，變徑管路各連接點(diǎn)處流進(jìn)和流出的流量相等，若流量用Q表示，則有

按照列賓宗公式計(jì)算，各段的沿程摩阻為

式中：h0、h1、h2分別為主管段和變徑管段的沿程摩阻，m；q0、q1、q2分別為主管段和變徑管段的流量，m3/s；L0、L1、L2分別為主管段和變徑管段的長(zhǎng)度，m；d0、d1、d2分別為主管段和變徑管段的管內(nèi)徑，m；Q為油品在管路中的體積流量，m3/s；β為流態(tài)系數(shù)，根據(jù)流態(tài)確定；m為流態(tài)指數(shù)，根據(jù)流態(tài)確定；ν為油品的運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s。

結(jié)合長(zhǎng)輸管道的實(shí)踐設(shè)計(jì)，輸油管道的流態(tài)一般都處于水力光滑區(qū)。因此，將公式（3）、（4）、（5）代入（1），全線的總沿程摩阻H為[6]

令Dd為d0、d1、d2三種管徑的當(dāng)量管徑，則油品通過(guò)當(dāng)量管徑長(zhǎng)度所產(chǎn)生的總沿程摩阻損失與通過(guò)三種不同管徑長(zhǎng)度所產(chǎn)生的總沿程摩阻損失相同。由公式（6）可得[7]

由公式（7）可推導(dǎo)出當(dāng)量管徑計(jì)算公式

3 變徑管路混油量計(jì)算

采用Austin-Palfrey 經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行混油量計(jì)算，計(jì)算公式如下[8]。

當(dāng)Re＞Rej時(shí)：

當(dāng)Re＜Rej時(shí)：

式中：C為混油長(zhǎng)度，m；d為管道內(nèi)徑，m；L為管道長(zhǎng)度，m；Re為混油雷諾數(shù)；Rej為臨界雷諾數(shù)。

將當(dāng)量管徑Dd引入公式（9）、（10）中，則變徑管路的混油量計(jì)算式為

當(dāng)Re＞Rej時(shí)：

當(dāng)Re＜Rej時(shí)：

混油雷諾數(shù)Re和臨界雷諾數(shù)Rej同樣采用當(dāng)量管徑計(jì)算，即

式中：Dd為管路當(dāng)量?jī)?nèi)徑，m；v為油品在當(dāng)量管路內(nèi)徑的平均流速，m/s；νm為混油運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s；e 為自然對(duì)數(shù)的底，e=2.718。

4 算例

某變徑成品油順序輸送管道，主管長(zhǎng)度L0=10 km，管內(nèi)徑d0=406 mm，第一段變徑管長(zhǎng)度L1=51 km，管內(nèi)徑d1=410 mm，第二段變徑管長(zhǎng)度L2=113 km，管內(nèi)徑d2=363 mm，順序輸送0#柴油、90#汽油和93#汽油，輸量Q=758 m3/h，油品的運(yùn)動(dòng)黏度見(jiàn)表1。

表1 油品的運(yùn)動(dòng)黏度Tab.1 Kinematic viscosity of oil

經(jīng)判斷，流態(tài)處于水力光滑區(qū)，故按照公式（6）、（8）進(jìn)行計(jì)算，選取0#柴油的運(yùn)動(dòng)黏度，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 沿程摩阻及當(dāng)量管徑Tab.2 Friction resistance and equivalent diameter

按照Austin-Palfrey 經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算混油的運(yùn)動(dòng)黏度，按照公式（13）、（14）的計(jì)算結(jié)果判斷后采用公式（11）或（12）進(jìn)行混油量計(jì)算，批次排序?yàn)椋?#柴油—90#汽油—93#汽油，一個(gè)批次循環(huán)各混油界面的混油量計(jì)算結(jié)果及實(shí)際運(yùn)行混油量見(jiàn)表3。

由表3 可知，采用當(dāng)量管徑計(jì)算變徑管道的混油量，其計(jì)算值與實(shí)際值誤差在1%以內(nèi)，具有較好的混油量預(yù)判效果。

表3 一個(gè)批次循環(huán)各混油界面的混油量Tab.3 Mixed oil volume at each mixed oil interface in a batch cycle

5 結(jié)論

（1）經(jīng)過(guò)算例分析，采用當(dāng)量管徑計(jì)算的某變徑成品油順序輸送管道的混油長(zhǎng)度基本為管路總長(zhǎng)度的0.5%左右，符合文獻(xiàn)資料介紹的要求，紊流狀態(tài)順序輸送時(shí)，其混油長(zhǎng)度一般占管路長(zhǎng)度的0.5%～1%，或混油體積量占管道總體積的0.5%～1.0%[9]，說(shuō)明采用該方法計(jì)算順序輸送變徑管路混油量是適宜的。

（2）沿程摩阻計(jì)算時(shí)，運(yùn)動(dòng)黏度取順序輸送油品中最黏油品的黏度，因?yàn)檎麄€(gè)管道的通過(guò)能力將受到最黏油品批量所充滿的管段的通過(guò)能力的限制，特別是當(dāng)這種最黏油品的批量體積大于泵站間管段的容積時(shí)。

（3）該計(jì)算方法是在不分順序輸送變徑管路的前提下提出的，以三種不同管徑、不同長(zhǎng)度組成的變徑管路為例，對(duì)于多于或少于三段的變徑管路同樣適用。若中間有分輸站的順序輸送管道，將分輸點(diǎn)后流量減小的因素考慮進(jìn)去，也可以參考本方法進(jìn)行計(jì)算。

（4）在實(shí)際生產(chǎn)中，影響混油量的因素很多，除流態(tài)、管徑之外，地形高差、批次順序、批量、首站初始混油量、中間泵站、站內(nèi)管道閥門(mén)、管件等因素都會(huì)造成混油量的增加[10]，因此，該計(jì)算方法還需進(jìn)一步研究。