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(guó)石化銷(xiāo)售有限公司遼寧石油分公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000）

針對(duì)目前原油順序輸送的混油問(wèn)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(duì)于一些特殊管段的研究不夠，通過(guò)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(duì)混油有很大影響，增加了混油的長(zhǎng)度存在拖尾現(xiàn)象，而分支管對(duì)混油的長(zhǎng)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(guó)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(duì)不同原油進(jìn)行分罐儲(chǔ)存，因此，對(duì)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(guò)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(duì)正常切換油源帶來(lái)極大的麻煩，同時(shí)還會(huì)對(duì)混油量產(chǎn)生較大的影響[1,2]。目前，對(duì)于特殊管段研究的很少，特別是對(duì)于熱力補(bǔ)償器∏形管和分支管的研究缺失，但其對(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)的控制方程如下

（1）質(zhì)量守恒方程

（2）動(dòng)量守恒方程

（3） 湍動(dòng)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(jiǎn)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(jiǎn)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(dòng)粘度,m2?s-1；αA, αB— 待定因數(shù)。

（在本文中對(duì)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(kāi)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(kāi)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(guò)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(guò)對(duì) 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(dòng)，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(duì)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(kāi)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(duì)于一段油品而言，當(dāng)它在壁面附近流動(dòng)受到嚴(yán)重阻礙時(shí)，速度能頭就會(huì)明顯減小，為了保持總能量不變，壁面附近的流體動(dòng)能將會(huì)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(zhǎng)度。所以，在彎管內(nèi)的混油經(jīng)過(guò)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(huì)變得更加細(xì)長(zhǎng)，而且混油長(zhǎng)度也會(huì)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(lái)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(dòng)。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(zhǎng)度的變化率也明顯減??；對(duì)于支管而言，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(guò)沖刷的方式除去，只能通過(guò)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(huì)形成混油死角，而且在死油區(qū)消失之前會(huì)不斷會(huì)有混油擴(kuò)散出來(lái)，但是這些擴(kuò)散出來(lái)的混油由于回流漩渦的存在，并不進(jìn)入主管，只會(huì)沿著支管繼續(xù)向前輸送。因此對(duì)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(duì)混油長(zhǎng)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(lái)的混油并不對(duì)主管產(chǎn)生影響(如圖3,T＝18 s，T＝20 s)。在整個(gè)過(guò)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(duì)流擴(kuò)散，使混油頭不斷變細(xì)變長(zhǎng)；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(dòng)受到明顯的阻礙，因此低流速下的大慶油品只能通過(guò)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(duì)于π型彎管來(lái)說(shuō)，管段對(duì)于混油產(chǎn)生很大的影響，增大了混油的長(zhǎng)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(duì)于支管來(lái)說(shuō)對(duì)混油的影響很小在判斷切割時(shí)可以忽略其影響。

［1］蒲家寧.管道順序輸送混油分析中的的若干問(wèn)題[J].油氣儲(chǔ)運(yùn),2000,19(2):21-24.

［2］景建莊.國(guó)內(nèi)外成品油管道順序輸送研究[J].管道技術(shù)與設(shè)備,1995,5:34-42.

［3］吳先策.順序輸送管道混油的分析與計(jì)算[J].管道技術(shù)與設(shè)備,1996(5）:11-13.

［4］ 劉強(qiáng),王樹(shù)立,李恩田,等.利用湍流模式理論模擬順序輸送混油過(guò)程[J].油氣儲(chǔ)運(yùn),2006,5(11):22-26.

［5］ 趙會(huì)軍, 張青松, 張國(guó)忠,等. 基于PHOENICS 順序輸送管道混油濃度的計(jì)算[ J] . 油氣儲(chǔ)運(yùn), 2007, 26(2) : 43- 46.

［6］ 張青松, 王宏, 陸炎洪. PH OENTCS 豎直模擬順序輸送管道混油濃度[ J] . 天然氣與石油, 2007, 25( 3) : 13- 15.

［7］ 趙會(huì)軍, 張青松, 張國(guó)忠,等. 基于PHOENICS 的順序輸送大落差管道混油研究[J] . 江漢石油學(xué)院學(xué)報(bào), 2008, 28(4) : 139-142.

［8］康正凌,宮敬,嚴(yán)大凡.管道順序輸送高差混油研究[J].石油學(xué)報(bào),2003,24(4):94-98.

［9］ 徐曉琴,劉蘇,黃坤,等.成品油庫(kù)管輸混油頭處理技術(shù)綜述[J]. 天然氣與石油, 2009, 27( 6) : 18- 21.

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(chǔ)運(yùn)專業(yè)，研究方向：從事油氣儲(chǔ)運(yùn)教師工作。E-mail：13790914645@163.com。