成品油順序輸送管道變徑管混油數值模擬

吳玉國，孫百超，關貴興

成品油順序輸送管道變徑管混油數值模擬

吳玉國1，孫百超2，關貴興3

（1.遼寧石油化工大學石油天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001；2. 中國石油東北銷售公司調運處，遼寧 沈陽110013；3. 青海油田管道輸油處，青海 格爾木 816000）

在成品油順序輸送管道中，相鄰批次油品間會產生混油，影響混油的因素繁多，針對其中之一的變徑管進行了混油的數值模擬，希望能夠為混油的計算、監測和切割處理提供依據和幫助。

成品油；順序輸送；變徑管；混油；數值模擬

對于成品油順序輸送管道，在相鄰兩種油品接觸面處將產生一段混油。這段混油不符合產品的質量指標，造成一定的混油損失。因此，確保油品質量，減少混油損失是順序輸送的重要課題。混油量的計算是指導終點油品切割、終點油庫的經濟設計以及混油處理措施選擇等的重要依據。然而，影響混油的因素繁多，混油界面在管道中的運動又非常復雜，各公式都有一定的局限性，目前還沒有公認的與實際完全相符的混油計算公式。隨著我國大型成品油管道的陸續建設，研究各種因素對混油量的影響具有重要意義[1-2]。

1 數學模型

為減少混油損失，順序輸送管道在紊流流態下運行。對該紊流計算采用雷諾時均法，建立成品油順序輸送管道混油計算的時均控制方程組[3-4]：

連續性方程：

Reynolds方程：

質量輸運方程：

式中：xi，xj—空間坐標；

ui、uj—空間時均速度分量；

u′i、 u ′j—脈動速度分量；

ρ—密度；

p—壓力；

μ—層流動力粘度；

c′，c—后行油品的脈動濃度和體積時均濃度；

Pri（c）—層流Schmidt數。

紊流模型采用k-模型。

k方程：

在模型中，通過紊流粘性系數和紊流擴散系數的概念，將Reynolds應力項和脈動質量通量項分別與時均速度和時均濃度聯系起來，即:

其中，紊流粘性系數t和紊流擴散系數tΓ按如下方法計算：

以上式（4）-（9）即為冷熱原油順序輸送混油濃度k-紊流模型。

對以上數學模型的求解采用SIMPLEST算法，對方程的離散采用全隱二階迎風差分格式。邊界條件均采用附加源項法進行處理。

本文計算的順序輸送的2種油為93#汽油和0#柴油。密度(常溫)分別為720 kg/m3和800 kg/m3，運動粘度（常溫）分別為 4×10-6m2/s和 6×10-6m2/s。

混油段截面密度變化遵循比例相加規律，即混油段密度為每種油品體積分數與其密度乘積之和。

式中：ρΑ、 ρΒ、ρm—A油、B油和混油的密度；CA、CB—A油和B油的體積分數。

混油黏度不可以用簡單的組份比例計算，但其組份仍接近于線性關系[5-6]。

式中：υΑ、υΒ、υm—A油、B油和混油的運動粘度；

CA、CB—A油和B油的體積分數；

αA、αB—待定因素。

2 模擬計算結果及分析

采用 PHOENICS軟件建模并進行混油特性數值模擬計算。變徑管模型如圖1所示。

圖1 變徑管模型及網格Fig.1 Model and grid of variable diameter pipe

變徑前后管段長度均為5 m，變徑部分長度為0.18 m，管道直徑分別為0.5 m和0.3 m。計算區域為10.18 m×0.5 m×0.5 m，計算網格數為60×30×30，變徑處速度場變化劇烈，因此對網格進行了加密處理。為了進行對比分析，同時建立了一長度相同的單一管徑管道模型，如圖2所示。

圖2 單一管徑管模型及網格Fig.2 Model and grid of single-diameter pipe

初始條件：管內充滿前行油品且達到穩定狀態。

邊界條件：壁面無滑移，入口流體速度為1 m/s，出口設置為自由出口。

先行油品為93#汽油，后行油品為0#柴油，油品在入口處切換的時刻記為0 s。

變徑管按定流量、變流速計算，圖3所示為變徑管和單一管徑管內的油品流速分布情況。

圖3 管內油品流速分布Fig.3 The velocity distribution of oil in the pipe

很明顯單一管徑管內流速為一恒定值，從圖4（a）也能清楚的反映出來。而變徑管在直徑改變前后由于流通面積發生了變化，流速發生了改變，直徑由0.5 m減小為0.3 m，平均流速增至之前的3倍左右。模擬計算過程在兩種情況下完成，一是未考慮重力影響因素，二是考慮了重力影響因素。

圖4為未考慮重力影響因素的情況下管內不同時間混油情況的模擬結果。圖中 c1表示的是后行油品（0#柴油）的濃度。

圖4 管內不同時間混油情況可視圖Fig.4 Visual express of contamination in the pipe at different time

從圖4中可以看到，隨著時間的推移，混油段的長度越來越大，而且在這種情況下，無論是單一管徑管還是變徑管內，濃度分布在管道的徑向都是對稱的。對比圖4（a）和（b），在后行油品未到達變徑部分時，（a）和（b）是完全一致的；后行油品流經變徑部分之后，濃度分布可視圖發生了明顯的變化，混油前峰的“楔形”更尖了，混油長度變長。

圖5為考慮重力影響因素的情況下管內不同時間混油情況的模擬結果。將圖5與圖4進行對比，考慮了重力的影響因素后，濃度分布在管道徑向不再對稱，由于后行油品較重（密度大），“下沉”呈楔形插入前行油品（如果后行油品較輕則會“上浮”呈楔形插入前行油品）。隨著時間的推移，混油長度比未考慮重力影響因素情況下略有增加。而圖 5（a）和（b）對比，變徑管中前后行油品“分層”更為明顯，混油長度更大。

后行油品流經變徑部分之后，混油長度，分布特點都發生了變化，但是就混油量而言，因為流通面積減小（直徑由大變小的情況），混油量在經過變徑部分后的一小段時間內不會發生很大變化。在變徑后的小管徑管道內運行時間不斷延長后，由于雷諾數增加，按照混油的基礎理論混油量會減小。當然，本文的模擬只是對較短的一段管道進行模擬，旨在對變徑管混油的監測、計算研究提供幫助和參考。

圖5 管內不同時間混油情況可視圖（考慮重力）Fig.5 Visual express of contamination in the pipe at different time (gravity considered)

3 結束語

建立了成品油順序輸送管道混油計算的時均控制方程組，采用PHOENICS軟件對變徑管的混油情況進行了數值模擬，得出了變徑管中混油情況的可視圖及變徑管情況下流速和混油濃度的分布特點，為確定變徑管混油計算和檢測方法提供幫助和參考。

[1] 楊筱蘅. 輸油管道設計與管理[M]. 山東東營：中國石油大學出版社，2006: 120-303.

[2] 黃淑女,楊承漢. 成品油管道順序輸送變管徑混油量的計算[J].油氣儲運，2005，24(9)：26-28．

[3] 陶文銓. 數值傳熱學[M]. 2版.西安：西安交通大學出版社，2001:332-409.

[4] 吳子牛. 計算流體力學[M]. 北京：科學出版社，2001:70-76.

[5] 趙會軍,張青松,張國忠，等. 基于 PHOENICS順序輸送管道內兩種油品傳質數值研究[J]. 北京化工大學學報, 2006, 33(6):22-25.

[6] 蔣仕章,蒲家寧. 成品油順序輸送時混油粘度的計算與誤差分析[J]．油氣儲運,2003,22(2):16-19．

Numerical Simulation on Contaminated Oil in Variable Diameter Pipe of Products Batch Transportation Pipeline

WU Yu-guo1，SUN Bai-chao2，GUAN Gui-xing3
(1.College of Petroleum Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun113001, China；2.PetroChina Northeast Marketing Company, Liaoning Shenyang 110013, China;3. The Oil Pipeline Department of Qinghai Oil Field, Qinghai Golmud 816000 ,China）

In products batch transportation pipeline, two kinds of product oils may be mixed together. There are a lot of influencing factors on contaminated oil. In this paper，aiming at the variable diameter pipe, numerical simulation on contaminated oil was carried out，which can provide basis and reference for calculating, monitoring and cutting of the contaminated oil.

Product; Batch transportation; Variable diameter pipe; Contaminated oil; Numerical simulation

TE 832

A

1671-0460（2010）06-0681-03

2010-06-06

吳玉國（1977-），男，遼寧葫蘆島人，講師，博士研究生，2001年畢業于遼寧石油化工大學油氣儲運專業，從事油氣儲運技術研究工作。E-mail：wyg0413@126.com，電話：0413-6861820。