罐區(qū)匯油管結(jié)構(gòu)形式對吹掃效果影響的數(shù)值模擬研究

王子文,陳少銳,白浩然

中建安裝集團(tuán)有限公司,江蘇南京 210046

某油庫新建潤滑油罐及其工藝管道的安裝工程為二期擴(kuò)建項目，在工藝管道施工圖中，采用了一根匯油管插接多根干管與多座油罐連接的工藝，但因排管不當(dāng)，在匯油管段插接多根干管時形成了等徑管道平面正交的“十”字連接，且匯油管段兩端采用鋼板焊接封閉，又使匯油管兩端存在一定長度的“盲腸”。在實際施工中，為了盡量降低上述缺陷對焊接質(zhì)量和工藝性能的影響，設(shè)計錯位接管避免了“十”字連接，采用成品三通取代插管三通減小了匯油管兩側(cè)“盲腸”的長度，但仍未達(dá)到常規(guī)流體管道安裝時應(yīng)避免“盲腸”[1]的工藝要求。由于管道安裝后必需進(jìn)行清洗吹掃，且項目投運后每次收發(fā)油作業(yè)結(jié)束也需及時掃線，故研究管道“盲腸”對吹掃效果的實際影響顯得尤為必要。因此，利用FLUENT軟件對匯油管上支管兩種連接方式和匯油管“盲腸”對空氣吹掃效果的影響進(jìn)行數(shù)值模擬研究，可對該油庫匯油管連接方式的設(shè)計優(yōu)化提供一定的理論基礎(chǔ)和技術(shù)指導(dǎo)。

1 匯油管幾何模型

在工藝管道施工圖設(shè)計中，儲罐區(qū)間采用一根DN200管道作為匯油管，平接多個插入式三通與各支管相連接。匯油管左右側(cè)分別留有0.125、0.25 m的直管段，形成了管道上的“盲腸”，如圖1所示。圖1中，X1、X2分別為DN200出油口和進(jìn)油口，S1為DN50壓縮空氣吹掃接口，S2～S5為DN200與干管相連的連接管道，S6為DN80油泵備用接管。

圖1 施工圖上匯油管與支管連接方式

圖2 實際施工中匯油管與支管連接方式

在實際施工中，采用成品三通取代插管三通，減小了兩側(cè)“盲腸”的長度（左右分別為0.1 m、0.09 m），同時采取錯位接管，避免了X1與S2“十”字焊縫的出現(xiàn)，因此調(diào)整了部分支管位置，如圖2所示。為方便研究，原S6管在設(shè)計變更中改為X3，其余編號不變。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 控制模型

2.2 網(wǎng)格劃分

為簡化模型，將裝置的三維模型簡化為二維模型，選用經(jīng)過所有管道圓心的剖面作為計算模型。采用ICEM-CFD軟件對二維剖面模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格。將施工圖模型定義為模型A，將現(xiàn)場實際施工模型定義為模型B。

2.3 初始條件

模型中介質(zhì)流動狀態(tài)為氣液兩相流動，氣相為壓縮空氣，液相為潤滑油，由于管道吹掃的推薦壓力為0.6～0.8 MPa，最大不得超過1.0 MPa（操作壓力），故具體工況參數(shù)見表1。管道入口為S1支管，設(shè)置速度入口為邊界條件，出口為S2、S3、S4、S5支管，邊界條件采用自由出流（outflow）條件。選取混合相模型和Standardk-ε湍流模型進(jìn)行油氣兩相二維瞬態(tài)模擬，采用壓力基和分離求解器。壁面條件采用無滑移邊界條件和標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法。由于匯油管存在0.3%的坡度并坡向儲罐，故重力加速度折算到Y(jié)軸上的分速度為-0.029 43 m/s2。

表1 工況參數(shù)

2.4 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

為了減小網(wǎng)格數(shù)量對計算結(jié)果的影響及提高模擬的效率，采用網(wǎng)格無關(guān)性驗證對網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行篩選。模型A選取網(wǎng)格數(shù)在5×103～3.1×104范圍內(nèi)5個不同數(shù)量的網(wǎng)格，模型B選取網(wǎng)格數(shù)在8×103～7.5×104范圍內(nèi)5個不同數(shù)量的網(wǎng)格，在相同初始條件和邊界條件下分別進(jìn)行模擬。對比不同網(wǎng)格數(shù)目對管道內(nèi)壓降計算的影響，結(jié)果如圖3所示。通過對比分析可以發(fā)現(xiàn)：模型A當(dāng)網(wǎng)格數(shù)目大于1.4×104時，模型B在網(wǎng)格數(shù)目大于2×104時，壓降受網(wǎng)格數(shù)目變化的影響較小。故模型A選用網(wǎng)格數(shù)目為2×104的網(wǎng)格，模型B選用網(wǎng)格數(shù)目為3.4×104的網(wǎng)格，以同時確保計算高效率性和結(jié)果高精確性。

圖3 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

3 結(jié)果與討論

為了更好地展現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)形式的匯油管其吹掃效果的區(qū)別，分別對油相體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律和速度場規(guī)律兩個方面展開討論。

3.1 油相體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律

3.1.1 時間對油相體積分?jǐn)?shù)分布的影響

以0.6 MPa工況為例，分析模型A在不同時間下油相體積分?jǐn)?shù)分布，見圖4。從圖4可以看出，隨著時間增加，壓縮空氣從左至右推動管內(nèi)油相向各支管出口排出。當(dāng)壓縮空氣進(jìn)入S2、S3、S4支管時，氣相緊靠支管壁右側(cè)進(jìn)入，并在各支管壁左側(cè)形成渦流，隨著時間推移，渦流不斷攜帶油相排出，最終使支管內(nèi)部油相排空。

圖4 0.6 MPa工況下模型A不同時間油相體積分?jǐn)?shù)分布

由于氣相和液相的密度相差較大，在同一空間內(nèi)的質(zhì)量相差也很大。根據(jù)牛頓第二定律，質(zhì)量輕的物體會比較容易被加速和運動，慣性力較大，而質(zhì)量較重的物體則比較難被拖拽，其加速度、速度和慣性力也較低[4]。其次，空氣初始速度為20 m/s，管內(nèi)油相初始狀態(tài)為靜態(tài)，被壓縮空氣吹掃推動，氣液兩相之間巨大的速度差產(chǎn)生速度滑移。綜合以上兩個原因，導(dǎo)致氣相進(jìn)入S2、S3、S4支管時，氣相被甩到支管內(nèi)壁右側(cè)進(jìn)入支管。

從圖4（d）可以看出，氣相進(jìn)入S5支管時是貼著支管左側(cè)內(nèi)壁進(jìn)入，與前面三個支管不同，這是由于S5支管的右側(cè)無出口，是一段管道“盲腸”，其內(nèi)部殘油無法流動，如同一層較厚的液膜，在氣相流動方向如同一個厚盲板，使S5支管位置的T形三通僅呈現(xiàn)彎頭的作用。并且經(jīng)過前段的損耗，壓縮空氣的動能也降低很多，無法影響右側(cè)“盲腸”內(nèi)部的穩(wěn)定狀態(tài)，僅在氣液交界面處少量攜帶油相，這才出現(xiàn)S5支管位置氣相流道在支管左側(cè)內(nèi)壁出現(xiàn)并逐漸向右側(cè)推進(jìn)的現(xiàn)象。圖4中還可以看出，在0.25 s時，左側(cè)“盲腸”內(nèi)出現(xiàn)渦流，隨著時間推移不斷攜帶油相排出，并于5 s時左側(cè)“盲腸”內(nèi)油相完全排出無殘留。

以0.6 MPa工況為例，分析模型B不同時間下油相體積分?jǐn)?shù)分布，見圖5。

圖5 0.6 MPa入口壓力下模型B不同時間油相體積分?jǐn)?shù)分布

與模型A相比，由于連接形式的變化，模型B右側(cè)僅有少量油相存在，這是由于模型B將模型A中非出流口的最右側(cè)支管向中間位置移動，使主管右側(cè)末端距出流口間距減少，從而縮短“盲腸”段，提高吹掃效率。在0.25～0.5 s時，主管內(nèi)壁出現(xiàn)多個渦流，S2、S3、S4支管左側(cè)內(nèi)壁上的渦流也更為明顯。在圖5（a）中，X1和S2支管正對主管內(nèi)壁位置都出現(xiàn)渦流，并有明顯的渦核，說明流動初始階段，管內(nèi)湍流強(qiáng)度較大，氣相、液相界面擾動劇烈。隨著時間增加，流動的持續(xù)進(jìn)行，主管內(nèi)油相含量降低，兩個渦流逐漸消散。當(dāng)流動5 s時，主管左側(cè)“盲腸”內(nèi)仍有少量油相存在，S3支管內(nèi)也存在少量油相未被吹掃干凈。

3.1.2 入口壓力對油相體積分?jǐn)?shù)分布的影響

圖6為不同入口壓力下模型A內(nèi)部油相體積分?jǐn)?shù)分布圖。可以看出，隨著入口壓力的增加，左側(cè)“盲腸”內(nèi)部殘留油相逐漸減少，而在0.6 MPa下出現(xiàn)左側(cè)盲腸內(nèi)無殘油的現(xiàn)象，但X1支管內(nèi)殘油量遠(yuǎn)高于其他5種工況。由于X1和X2為油罐的進(jìn)出口，其內(nèi)部殘油會隨著每次油罐進(jìn)油、發(fā)油作業(yè)而流動，不會長時間殘存在管道內(nèi)，故可認(rèn)為0.6 MPa的工況為模型A空氣吹掃的最佳壓力。除此以外，模型A右側(cè)“盲腸”和S6支管內(nèi)部始終保持滿油相的狀態(tài)，并且初始壓力的變化并未對其產(chǎn)生顯著影響，僅對油相與氣相間的界面位置產(chǎn)生一定的影響。故可推斷S6支管和右側(cè)“盲腸”存在設(shè)計缺陷。

圖6 不同入口壓力工況下模型A油相體積分?jǐn)?shù)分布

圖7為不同入口壓力下模型B內(nèi)部油相體積分?jǐn)?shù)分布圖，可以看出隨著壓力的增大，主管左側(cè)“盲腸”和S3支管內(nèi)部殘油都被吹掃干凈，但主管右側(cè)“盲腸”和S5支管右側(cè)內(nèi)壁上的殘油并未隨著壓力的增加產(chǎn)生顯著變化，并且X3支管內(nèi)油相無法被吹掃排出。故可在模型B基礎(chǔ)上給出兩點改進(jìn)建議：第一，由于S5支管與主管同徑，可將S5位置的T形三通改為彎頭，從而使原模型B主管右側(cè)“盲腸”內(nèi)殘油問題直接消除；第二，X3支管為泵的備用接口，正常生產(chǎn)過程中使用較少，在模型B中是水平方向布置，若將X3支管豎直方向抬起一定角度，當(dāng)空氣吹掃過程中X3支管內(nèi)殘油所受重力作用大于氣液間的表面張力，則殘油可自行流入主管內(nèi)隨壓縮空氣排出。另外，模型B在實際生產(chǎn)使用過程中建議將空氣吹掃的壓力保持在0.8～1.0 MPa。

圖7 不同入口壓力下模型B油相體積分?jǐn)?shù)分布

3.2 速度場規(guī)律

圖8為模型A內(nèi)部速度矢量圖。

圖8 不同壓力下模型A內(nèi)部速度矢量/（m·s-1）

S1支管是壓縮空氣進(jìn)口，由于與主管呈90°正交關(guān)系，壓縮空氣在進(jìn)入主管時與內(nèi)壁產(chǎn)生碰撞向四周彈開，由于渦流和壓差的存在，氣相流動方向改變，逐漸變?yōu)榕c主管方向一致。這一過程中氣相產(chǎn)生巨大的能量損耗，原初始速度為20 m/s的壓縮空氣在主管內(nèi)碰撞內(nèi)壁改變流動方向過程后的速度僅為初始速度的一半。并且由于模型A的S1支管和S2支管距離較近，氣相在主管內(nèi)改變流動方向后又與S2支管內(nèi)壁與主管相接的夾角處發(fā)生二次碰撞，氣相往S2支管和主管右側(cè)分流，兩分支內(nèi)壓縮空氣的速度又降低一半。除此以外，由于氣相在夾角處發(fā)生二次碰撞，造成S2支管內(nèi)出現(xiàn)局部回流現(xiàn)象。這一回流現(xiàn)象僅在0.6 MPa工況下效果較弱，這也是上文中模型A在0.6 MPa工況下吹掃效果優(yōu)于其他工況的原因。圖9為0.6 MPa工況下模型A主支管內(nèi)部各位置速度分布圖，可以看出流動過程中動能損失過大，S1支管與S2、S3、S4、S5支管內(nèi)流速相差較多，S3支管甚至出現(xiàn)了流速接近零的點。

圖9 0.6 MPa工況下模型A主支管內(nèi)部各位置速度分布

圖10為模型B內(nèi)部速度矢量圖，可以看出雖然模型B連接方式改變，但壓縮空氣進(jìn)入主管產(chǎn)生巨大能量損耗的現(xiàn)象依然存在。由于S1與S2支管距離較遠(yuǎn)，壓縮空氣在主管內(nèi)轉(zhuǎn)向后未出現(xiàn)模型A的二次碰撞，故雖S1和S2支管距離較遠(yuǎn)，但S2支管內(nèi)速度較模型A仍可保持較好的平均速度和衰減速率。

圖10 不同壓力下模型B內(nèi)部速度矢量/（m·s-1）

圖11為0.6 MPa工況下模型B主支管內(nèi)部各位置速度分布圖，與模型A相似，壓縮空氣在主管內(nèi)速度衰減較快。故可針對壓縮空氣入口支管進(jìn)行優(yōu)化，模型A和模型B中壓縮空氣入口支管（S1支管）與主管都是呈90°垂直關(guān)系，可將S1支管傾斜一定角度，為方便施工和后期運維，可采用30°～45°的傾斜角度斜插布置，以減小氣相進(jìn)入主管時與管壁碰撞產(chǎn)生的動能損耗。

圖11 0.6 MPa工況下模型B主支管內(nèi)部各位置速度分布

4 結(jié)束語

（1）模型A結(jié)構(gòu)設(shè)計存在缺陷，0.5～1.0 MPa工況下壓縮空氣都無法排出右側(cè)“盲腸”內(nèi)的殘油。模型B實際使用中需將空氣吹掃壓力調(diào)至0.8～1.0 MPa范圍內(nèi)，方可排出左側(cè)“盲腸”內(nèi)全部油相。無論采用哪種模型，若油泵的備用接口支管水平布置，其內(nèi)部油相均無法排出。

（2）壓縮空氣進(jìn)入?yún)R油管時會與主管內(nèi)壁產(chǎn)生碰撞造成動能損失，其中壓縮空氣在模型A中會與S2支管管壁夾角處發(fā)生二次碰撞，并在S2支管內(nèi)形成局部回流現(xiàn)象。

（3）模型B整體效果優(yōu)于模型A，但模型B結(jié)構(gòu)形式可做進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計，分三個方面：第一，S5支管位置的T形三通改為彎頭；第二，泵的備用接口X3支管從原水平布置改為豎直方向抬起一定角度；第三，S1支管從原與主管水平方向正交改為傾斜30°～45°水平斜插。

（4）輸油工藝管道設(shè)計時，應(yīng)注重相關(guān)節(jié)點的考慮，盡量避免“盲腸”的存在，減少低點（液袋）和高點（氣袋）。