儲罐用浮動式油品調(diào)和裝置性能與優(yōu)化分析

劉智銘 謝禹鈞 馮玉琢 馮 斌

（1.遼寧石油化工大學(xué)機械工程學(xué)院； 2.遼寧誠實工程管理有限公司；3.撫順煉化配件廠）

儲罐內(nèi)油品分層是一個不容忽視的問題，油品分層的原因大致有兩種：油品密度的不同和油品自身組分分布不均［1］。 目前的解決辦法是在儲罐內(nèi)設(shè)置攪拌器進(jìn)行調(diào)和［2］，調(diào)和以后既可以提高油品的性能，使之符合客戶的要求，又能夠提高罐容的利用率，延長了清罐周期，最大限度獲得社會效益和經(jīng)濟效益［3］。 國內(nèi)常用的攪拌器主要有側(cè)向伸入式攪拌器與旋轉(zhuǎn)噴射式攪拌器，兩者相比，后者安裝簡便且能大幅降低成本，可避免一定的安全隱患，但對于大型儲罐，旋轉(zhuǎn)噴射式攪拌器的噴射距離有局限性，在儲罐邊緣存在明顯的死角區(qū)域，并伴隨噴嘴高速旋轉(zhuǎn)，儲罐內(nèi)部會產(chǎn)生局部負(fù)壓，易造成浮盤局部變形，影響油罐的正常運行［4～9］。筆者研發(fā)的浮動式油品調(diào)和裝置，與傳統(tǒng)的側(cè)向伸入式攪拌器和旋轉(zhuǎn)噴射式攪拌器相比，不僅安裝簡單，容易操作，而且不需要外力驅(qū)動，安全高效。筆者現(xiàn)將FLUENT 15.0作為求解器進(jìn)一步分析該調(diào)和裝置的應(yīng)用和混合效果。

1 浮動式油品調(diào)和裝置

儲罐用浮動式油品調(diào)和裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由浮筒、彈簧托架、雙支座、總抽出管、集合管、樞軸裝置、分支抽出管（S304不銹鋼）、抽油孔、萬向?qū)л喓徒饘佘浌芙M成。 分支抽出管的個數(shù)可根據(jù)儲罐尺寸大小確定，一般1～12個。 樞軸裝置為雙鉸鏈結(jié)構(gòu)，鉸鏈兩側(cè)均設(shè)置了轉(zhuǎn)動和固定兩個法蘭座：轉(zhuǎn)動法蘭座內(nèi)側(cè)與金屬軟管的轉(zhuǎn)動端密封連接，其外側(cè)與分支抽出管底部焊接在一起； 固定法蘭座與金屬軟管固定端密封連接，其外側(cè)與分支抽出管法蘭密封連接在一起，形成轉(zhuǎn)動接頭。 浮筒安裝在分支抽出管的頂部，在空罐時整個裝置靜置在罐內(nèi)，分支抽出管依托在彈簧支架上，入料時能夠隨著儲罐內(nèi)油面的上升而上升，輸送時隨著儲罐內(nèi)油面的下降而下降［10］。 升降轉(zhuǎn)角范圍在0～60°之間，確保調(diào)和裝置在儲罐內(nèi)不同液位時，按照約定的比例抽取各層油品。

圖1 儲罐用浮動式油品調(diào)和裝置結(jié)構(gòu)簡圖

儲罐用浮動式油品調(diào)和裝置安裝在儲罐內(nèi)部，一端與罐體的出油管相連，另一端與和出油口等高的集合管相連，集合管具有分流和匯集的作用，并與多支具有隨液面自動起落功能的分支抽出管轉(zhuǎn)動端相連，抽出管的另一端在油料的浮力作用下隨著液面的升降而升降，無需其他動力支持。 通過設(shè)計計算，在每個分支浮動抽出管的管壁水平方向兩側(cè)，設(shè)置了兩排直徑自上往下逐漸變小的吸油圓孔，確保每對吸油圓孔的進(jìn)油體積流量都相等。

浮動式油品調(diào)和裝置工作過程中，由于浮筒的浮力使分支抽出管可以隨著儲罐內(nèi)液面的升降而獨立上下浮動，不同液位的油料在同一時間從抽油孔進(jìn)入分支抽出管中，在外部輸送泵的作用下，油料在分支抽出管內(nèi)進(jìn)行初步混合，隨即到達(dá)集合管處匯合， 在管路中進(jìn)一步地調(diào)和，保證油料均質(zhì)化輸出。

2 數(shù)值模擬

2.1 流動的基本控制方程

儲罐用浮動式油品調(diào)和裝置的調(diào)和過程為多相流的湍流流動過程， 多相流模型采用混合（Mixture）模型，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。 主要控制方程有連續(xù)性方程、動量守恒方程和湍流（kε）方程［11］，分別為：

式中 C1ε——經(jīng)驗常數(shù)，取值1.44；

C2ε——經(jīng)驗常數(shù)，取值1.92；

Gk——由平均速度梯度引起的湍動能；

p——壓強，Pa；

t——時間，s；

ux、uy、uz——x、y、z3個方向的速度分量，m/s；

ρ——流體密度，kg/m3；

τxi、τyi、τzi——粘性應(yīng)力分量，Pa；

μ——黏度，Pa·s；

μt——動力黏度，Pa·s；

σk——湍動能對應(yīng)的普朗特數(shù)，取值1.0；

εk——湍動耗散率對應(yīng)的普朗特數(shù)，取值1.3。

2.2 模型的建立

按照立式儲罐的實際尺寸建立模型，該儲罐直徑為28m，高度為17m。 儲罐用浮動式油品調(diào)和裝置安裝在距離儲罐底部800mm的位置，設(shè)有一支分支抽出管，規(guī)格為DN300mm×15440mm，在抽出管上水平方向開有20對抽油孔（每側(cè)各20個），孔 徑 從22.98～149.30mm 不 等， 每 對 孔 間 距 為500mm。

2.3 網(wǎng)格劃分

利用ICEM-CFD軟件建立二維模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對浮動式油品調(diào)和裝置的入口和出口進(jìn)行局部加密，既保證計算的精準(zhǔn)度也減少模擬的計算量，便于在FLUENT中進(jìn)行求解，劃分模型網(wǎng)格如圖2所示，最后網(wǎng)格數(shù)量為40萬。

圖2 浮動式油品調(diào)和裝置模型網(wǎng)格

2.4 初始條件

選擇輸油量Q=200m3/h=0.05556m3/s， 計算得每個抽油孔進(jìn)口流量為0.001 40m3/s，正常工作溫度20℃，流體材料的物性參數(shù)見表1。

表1 原油物性參數(shù)

在初始狀態(tài)下， 假設(shè)5種組分的油品以分層的形式填充整個儲罐［12］，且在重力作用下，密度最小的原油位于儲罐的頂部，密度最大的原油位于儲罐的底部。

2.5 邊界條件

抽油孔為模型入口， 定義為質(zhì)量流量入口；出口定義為壓力出口； 其余邊壁類型默認(rèn)為WALL，固體壁面為無滑移光滑界面，上面為自由液面， 不考慮罐底沉積情況， 選用FLUENT 15.0作為求解器， 同時給予9.81m/s2的重力加速度，這樣的邊界條件定義方式可以使得儲罐內(nèi)的初始條件更加接近實際情況。

3 計算結(jié)果與分析

利用FLUENT軟件分析計算儲罐用浮動式油品調(diào)和裝置的調(diào)和性能，提取模擬數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理和對比。

3.1 速度場分布

由流速分布矢量圖（圖3）可見，不同液位的油料在輸送泵作用下，通過抽油孔的同時等流量進(jìn)入分支抽出管內(nèi)，依靠自身的動力在管內(nèi)進(jìn)行自動均勻混合，在頂部流速很小，越靠近底部流速越大，最大值2.57m/s，并且靠近儲罐底部的原油進(jìn)入抽油孔內(nèi)的流動趨勢比儲罐上方的好。

圖3 分支抽出管內(nèi)的流速分布矢量圖

3.2 出口油密度平均值

經(jīng)過模擬計算，5種密度的油品經(jīng)調(diào)和裝置后出口油密度平均值為868.12kg/m3（圖4），理論出口油密度平均值為860kg/m3，兩者相差較大?？梢?，開孔面積大小是出口油密度平均值的影響因素之一， 需優(yōu)化設(shè)計分支抽出管上的開孔面積，確保輸油的質(zhì)量。

3.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的結(jié)果分析

為了能始終吸取不同密度組分的油料，有效保證輸油質(zhì)量的穩(wěn)定性，需要優(yōu)化在分支抽出管上的開孔面積，開孔面積越精準(zhǔn)，得到的出口油密度平均值越精確。 以抽油孔為基準(zhǔn)值時，出口油密度平均值誤差較大，因此在保證輸油量一定的前提下，優(yōu)化設(shè)計了兩組抽油孔的面積。

圖4 模擬調(diào)和裝置出口油密度平均值

圖5所示為優(yōu)化分支浮動抽出管開孔面積后的管內(nèi)流速分布矢量圖。 與優(yōu)化設(shè)計之前相比，方案1和2的分支抽出管的整體流速變大，但是流速整體趨勢基本沒有變化， 從抽出管頂部到底部，速度逐漸增大，頂部流速基本為0m/s，在靠近抽出管底部位置速度最大。

圖5 優(yōu)化后分支抽出管內(nèi)的流速分布矢量圖

優(yōu)化前出口油密度平均值為868.12kg/m3，使用方案1優(yōu)化后為864.34kg/m3，使用方案2優(yōu)化后為862.15kg/m3，整個運行系統(tǒng)保持在相對更加穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，優(yōu)化后的出口油密度平均值誤差明顯減小，更加接近理論值。

4 結(jié)論

4.1 利用CFD技術(shù)對新型儲罐用浮動式油品調(diào)和裝置進(jìn)行數(shù)值模擬， 得到的流場與實際相吻合，并能有效反映調(diào)和裝置內(nèi)的流動狀態(tài)。

4.2 儲罐用浮動式油品調(diào)和裝置能夠?qū)迌?nèi)的分層油料進(jìn)行有效的均勻調(diào)和，且無需其他動力，極大地節(jié)省了利用其他攪拌方式所帶來的高成本。

4.3 在保證輸油量和每個抽油孔等流量抽取的情況下， 調(diào)和裝置的抽油孔面積優(yōu)化設(shè)計時，分支浮動抽出管上的開孔面積越精確，出口油密度平均值誤差越小，調(diào)和裝置的穩(wěn)定性越高。