長(zhǎng)輸管道中介質(zhì)流體場(chǎng)特性分析方法

袁 良

（塔里木油田分公司英買油氣開發(fā)部）

原油輸送以鐵路輸送、水力輸送、航空輸送、公路輸送及管道輸送等方法為主。 其中管道輸送的安全系數(shù)高，成本低，輸送效率與輸送容積大，屬于原油輸送的核心方法［1］。 伴隨工業(yè)的快速發(fā)展，我國(guó)原油輸送工程量顯著遞增，傳輸路程也由短變長(zhǎng)，導(dǎo)致傳輸環(huán)境日益復(fù)雜［2］。長(zhǎng)輸管道中介質(zhì)流體場(chǎng)特性對(duì)原油輸送質(zhì)量和輸送特性存在核心影響，因此研究長(zhǎng)輸管道中介質(zhì)流體場(chǎng)特性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義［3］。

1 原油流量干擾分析

1.1 流量計(jì)系數(shù)

按照GB 9109.5—1988《原油動(dòng)態(tài)計(jì)量油量計(jì)算》的規(guī)定，油品凈重量NNW的計(jì)算式為：

式中 Dpi——原油體積壓力修正系數(shù)，%；

DW——原油含水系數(shù)，%；

GW——油品自標(biāo)準(zhǔn)體積換算到空氣里的重量換算系數(shù)；

NF——流量計(jì)系數(shù)；

U1——油品在計(jì)量溫度下的體積，cm3；

UCF——油品體積溫度修正系數(shù)；

β20——原油在標(biāo)準(zhǔn)溫度時(shí)的密度，g/cm3。

1.2 流量計(jì)系數(shù)的合成因素

流量計(jì)系數(shù)的合成因素Nt為：

式中 Dll——工作液體溫度修正系數(shù)；

Dls——體積管材料溫度修正系數(shù)；

Dps——體積管材料壓力修正系數(shù)；

E——體積管測(cè)量區(qū)間的內(nèi)徑，m；

F——體積管材料的彈性模量，MPa；

Gp——工作液體的壓縮系數(shù)；

hm、hs——流量計(jì)與體積管上液體的溫度，℃；

qm、qs——流量計(jì)與體積管上的壓力［4，5］，MPa；

U20——體積管在標(biāo)準(zhǔn)溫度時(shí)的體積，cm3；

δl、δs——工作液體與體積管的體膨脹系數(shù)。

綜上所述，流量計(jì)系數(shù)的干擾因素分別是工作介質(zhì)的溫度、油品性質(zhì)和體積管的溫度修正系數(shù)、壓力等。

2 管道計(jì)量輸差分析

2.1 誤差的源頭和差值計(jì)算

原油質(zhì)量nc的計(jì)算式為：

式中 V——含水度，%。

則油品質(zhì)量誤差c的計(jì)算式為：

式中 α——流量計(jì)壁厚。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)體積U20的計(jì)算

標(biāo)準(zhǔn)體積U20的計(jì)算式為：

式中 H——原油體積系數(shù)；

Q——流量計(jì)的工作壓力，Pa；

Ut——流量計(jì)計(jì)量的體積。

2.3 密度β20的誤差影響因素

密度β20的誤差由以下4種因素構(gòu)成：

a. 視密度檢測(cè)的誤差c1=±0.047%；

b. 真溫度誤差c2=±0.012%；

c. 原油密度計(jì)換算表的誤差c3=±0.059%；

d. 空氣浮力系數(shù)值的誤差c4=±0.04%。

3 長(zhǎng)輸管道工作介質(zhì)流體場(chǎng)特性分析

3.1 連續(xù)性

長(zhǎng)輸油管道工作過(guò)程中在分析原油的流動(dòng)連續(xù)性時(shí)，質(zhì)量守恒方程也叫連續(xù)性方程［6］，表達(dá)式為：

式中 h——溫度系數(shù)；

vi——流體速度，t/h；

Zn——源項(xiàng)；

β——密度，g/cm3。

方程（12）為質(zhì)量守恒方程的常規(guī)模式，可在可壓縮流動(dòng)與非可壓縮流動(dòng)中使用［7，8］。

在慣性坐標(biāo)系j方向上的動(dòng)量守恒方程是：

式中 ?j——應(yīng)力張量，N；

βfj、Gj——j方向上重力體積力與外界體積力，N。

3.2 動(dòng)量方程

湍流流動(dòng)基本方程組融合湍流模型與合適的初始邊界條件，構(gòu)成定解問題［9］。之后將構(gòu)建的方程組實(shí)施離散并使用合理的數(shù)值方法與處理方法，便能夠得到實(shí)際問題的數(shù)值解［10，11］。

使用η-ζ模型進(jìn)行長(zhǎng)輸油管道工作介質(zhì)流體動(dòng)量運(yùn)算分析， 其原理為通過(guò)紊動(dòng)能η與紊動(dòng)能耗散度ζ來(lái)描述流體湍流粘性系數(shù) （流體的有效粘性系數(shù)為流體分子粘性系數(shù)與湍流粘性系數(shù)之和）［12］。 具體方程式為：

式中 Dε——流體湍流粘性系數(shù)；

Fb、Fk——由浮力、平均梯度引起的湍流動(dòng)能，kJ；

XM——在可壓縮湍流中過(guò)渡擴(kuò)散出現(xiàn)的變動(dòng)；

εj——粘性系數(shù)。

湍動(dòng)與紊動(dòng)能耗散度的運(yùn)輸方程為：

式中 YM——脈動(dòng)參數(shù)；

εe——紊流時(shí)均參數(shù)。

有效粘度模型的計(jì)算公式為：

綜上所述，長(zhǎng)輸油管道工作介質(zhì)流體場(chǎng)特性主要分為工作介質(zhì)流體連續(xù)性和動(dòng)量方程兩部分，因此由這兩部分便可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)輸油管道工作介質(zhì)流體場(chǎng)特性的全面分析。

4 實(shí)驗(yàn)分析

中國(guó)石油克拉瑪依石化公司原油長(zhǎng)輸管道的交接點(diǎn)設(shè)有8個(gè)在線流量計(jì)與1個(gè)旋流器，筆者將所提方法應(yīng)用在8個(gè)流量計(jì)中， 分析該長(zhǎng)輸管道中原油流體場(chǎng)特性。

4.1 原油特性分析

長(zhǎng)輸管道中的原油特性分析結(jié)果如圖1所示。 分析圖1可知，當(dāng)長(zhǎng)輸管道的首站長(zhǎng)輸管道流量高于38t/h時(shí)， 末站收油計(jì)量流量變動(dòng)較??；若長(zhǎng)輸管道的首站長(zhǎng)輸管道流量低于38t/h，則末站收油計(jì)量流量變動(dòng)顯著。

圖1 原油特性分析結(jié)果

4.2 介質(zhì)速度分析

采用筆者所提方法對(duì)長(zhǎng)輸油管道工作介質(zhì)流體場(chǎng)特性進(jìn)行分析， 得到介質(zhì)軸向速度曲線、切向速度曲線如圖2、3所示。

圖2 介質(zhì)軸向速度曲線

圖3 介質(zhì)切向速度曲線

當(dāng)介質(zhì)進(jìn)入長(zhǎng)輸管道時(shí)，由于長(zhǎng)輸管道內(nèi)徑的約束， 會(huì)讓液體介質(zhì)的旋轉(zhuǎn)速度得以提升，導(dǎo)致液體介質(zhì)出現(xiàn)渦流。 運(yùn)行時(shí)，貼近管道軸線范圍的徑向壓力最小， 邊壁上的徑向壓力最大，且因?yàn)殚L(zhǎng)輸管道底流口徑較小，導(dǎo)致液體介質(zhì)不能全部流出。 為此，在長(zhǎng)輸管道的旋流器上端設(shè)置一個(gè)溢流口， 讓一些油滴往壓力小的軸心上運(yùn)行，從而衍生出內(nèi)旋流，最后經(jīng)過(guò)溢流管輸出。 因?yàn)樗拿芏容^大，承受的離心力較高，因此水向旋流器的邊壁移動(dòng)并與油相分離，且在后續(xù)原油的推動(dòng)過(guò)程中順著底流輸出。 圖2、3中，長(zhǎng)輸管道內(nèi)部流體運(yùn)動(dòng)由內(nèi)旋與外旋構(gòu)成，當(dāng)介質(zhì)流場(chǎng)長(zhǎng)度為-0.09m與0.09m時(shí)， 軸向速度相較于切向速度更快，外旋流體向底流出口運(yùn)行；切向速度極低，內(nèi)旋流體向溢流出口運(yùn)行。

4.3 介質(zhì)分離效率

當(dāng)旋流器的入口形式分別是圓形和矩形時(shí)，長(zhǎng)輸管道中介質(zhì)流體（油、水）的分離效率見表1。

表1 不同入口形式下長(zhǎng)輸管道中介質(zhì)流體的分離效率

由表1可知，旋流器入口形式是矩形時(shí)分離效率較高， 矩形入口時(shí)不同溢流出口直徑下長(zhǎng)輸管道中介質(zhì)流體的分離效率見表2。

表2 不同出口直徑下長(zhǎng)輸管道中介質(zhì)流體的分離效率

由表2可知，溢流出口直徑為5.0mm時(shí)，分離效率較高， 但考慮到實(shí)際分離過(guò)程管道壓損、流體流速等因素的影響， 選取溢流出口直徑為5.5mm， 得到不同旋流腔長(zhǎng)度下長(zhǎng)輸管道中介質(zhì)流體的分離效率，并列于表3。

表3 不同旋流腔長(zhǎng)度下長(zhǎng)輸管道中介質(zhì)流體的分離效率

4.4 標(biāo)準(zhǔn)體積計(jì)算

將長(zhǎng)輸管道上的旋流器入口形式設(shè)成矩形、溢流出口直徑為5.5mm、 旋流腔長(zhǎng)度為71mm，測(cè)試長(zhǎng)輸管道中介質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)體積的計(jì)算誤差是否符合原油傳輸需求，以標(biāo)準(zhǔn)體積計(jì)算誤差為測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果如圖4所示。 結(jié)合表1～3與圖4可知，采用筆者所提方法對(duì)該長(zhǎng)輸管道中介質(zhì)流體場(chǎng)特性進(jìn)行分析后，該長(zhǎng)輸管道原油傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)體積計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果十分接近， 在24h的測(cè)量時(shí)間內(nèi)，計(jì)算誤差最大值出現(xiàn)在6h時(shí)，為55m3。 由此可見，筆者所提方法對(duì)長(zhǎng)輸管道原油傳輸問題的研究具有一定價(jià)值。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)體積計(jì)算結(jié)果

4.5 粘性系數(shù)計(jì)算

為了詳細(xì)分析筆者所提方法在探討長(zhǎng)輸管道中介質(zhì)流體場(chǎng)特性時(shí)的效果，以粘性系數(shù)為測(cè)試指標(biāo)，測(cè)試筆者所提方法對(duì)管道中粘性系數(shù)的計(jì)算準(zhǔn)確性，結(jié)果如圖5所示。 由圖5可知，管道粘性系數(shù)計(jì)算結(jié)果與實(shí)際粘性系數(shù)測(cè)量結(jié)果誤差極小，由此可見，筆者所提方法能夠準(zhǔn)確計(jì)算管道計(jì)量輸差，對(duì)后續(xù)長(zhǎng)輸管道中介質(zhì)流體場(chǎng)特性的分析存在積極影響。

圖5 粘性系數(shù)結(jié)果曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者提出一種長(zhǎng)輸管道中介質(zhì)流體場(chǎng)特性分析方法，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析可知，當(dāng)首站長(zhǎng)輸管道原油流量高于38t/h時(shí)，末站收油流量無(wú)明顯變動(dòng)；當(dāng)首站長(zhǎng)輸管道流量低于38t/h時(shí)，末站收油流量變動(dòng)顯著。 筆者所提方法在探討長(zhǎng)輸管道中介質(zhì)流體場(chǎng)特性時(shí)，對(duì)管道的標(biāo)準(zhǔn)體積與粘性系數(shù)的計(jì)算誤差均在可應(yīng)用范圍內(nèi)， 計(jì)算精度高，說(shuō)明筆者所提方法對(duì)長(zhǎng)輸管道中介質(zhì)流體場(chǎng)特性的分析結(jié)果存在可信度，對(duì)長(zhǎng)輸管道輸油效率具有積極作用，對(duì)長(zhǎng)輸管道中介質(zhì)流體場(chǎng)特性探討具有參考價(jià)值。