CFD軟件在油氣儲運工程領域的應用

宋 博，王衛強，孟凡力，張曉博

（遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院， 遼寧 撫順 113001 ）

CFD軟件在油氣儲運工程領域的應用

宋 博，王衛強，孟凡力，張曉博

（遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院， 遼寧 撫順 113001 ）

隨著CFD技術的逐漸發展和CFD軟件應用的不斷成熟，CFD軟件在油氣儲運工程領域的應用越來越普及。對此有必要對CFD軟件在油氣儲運領域的應用現狀進行歸納總結，主要介紹了CFD軟件的基本原理，計算流程以及常用的軟件舉例；分別敘述了CFD軟件在管道順序輸送、管道運行安全、油罐等方面上的應用，并對CFD軟件存在的不足進行簡單概括分析，對于今后CFD軟件在油氣儲運領域更進一步的應用具有重要意義。

CFD軟件；油氣儲運；數值模擬

油氣儲運就是指石油、天然氣及其他油氣產品的儲存與運輸。在石油化工行業，它是聯接油氣生產、資源加工、產品運輸、商品銷售等諸環節的重要紐帶。該領域主要包括油氣集輸與礦場加工、油氣長距離運輸、轉運樞紐站的儲存和裝卸、終點分配油庫（或配氣站）的營銷、煉油廠和石化廠的油氣儲運等[1]。近年來隨著石油化工行業的迅速崛起，油氣儲運行業也得到了高速發展。因此僅僅依靠簡單的理論分析和試驗研究已經滿足不了日漸發展的行業需求，所以必須采取更加有力的措施來解決油氣儲運領域遇到的各種難題。CFD軟件針對這種情況下為解決遇到的實際問題提供了便利條件，推動了油氣儲運行業的發展。

CFD軟件(Computational Fluid Dynamics），中文是計算流體力學，它是基于現代CFD技術開發出來的數值模擬應用軟件， 主要用來模擬仿真實際的流體流動情況。CFD軟件是現代流體力學，數值計算和計算機科學三者良好結合的產物。計算流體力學是基于離散化的數值計算方法，利用電子計算機對流體相對于不同固體邊界的內外流場進行數值實驗、計算機模擬和分析研究，以解決各種實際問題，屬于流體力學的一個分支[2,3]。流體力學問題是油氣儲運工程中遇到的關鍵問題。因為流體具有復雜的流動性，理論分析無法求出的全部詳細的解析解，但計算流體力學（CFD）迅速的興起以及CFD軟件的靈活運用，很好地克服了理論分析與實驗研究的弱點，數值模擬形象地再現了流動情況，為解決油氣儲運工程領域中的重點和難點問題提供了解決方法。

CFD軟件具有適應性強、適用面廣、操作方便快捷等優點。所有CFD軟件的總體結構包括；前處理、求解器、后處理三部分組成。與之分別對應的三部分應用程序模塊為前處理器、求解器以及后處理器，各部分均有其獨特的作用[3]，如表1所示。

表1 CFD的程序模塊Table 1 The program modules of CFD software

圖1所示的是CFD軟件的計算流程。

圖1 CFD軟件的計算流程圖Fig.1 The calculation process of CFD software

目前世界上廣泛應用的CFD軟件有很多（如CFX、Fluent、Phoenics、Star-CD、FIDAP等），除了Fluent、FIDAP是美國公司開發的軟件外，其它三個均為英國公司的產品。油氣儲運工程領域中較為常用的CFD軟件有Phoenics、Fluent、CFX等。

1 CFD軟件在油氣儲運工程領域上的應用現狀

1.1 CFD軟件在管道順序輸送中的應用

在同一種管道內，按一定批量和次序連續輸送不同種類的油品，這種輸送方式稱為順序輸送。管道順序輸送是油品的主要運輸方式[4]。輸油管道在順序輸送的過程中可能會遇到多種情況，例如油品的混輸問題、管路安全停輸時間等問題。近年來，越來越多的研究者利用CFD軟件應用在成品油順序輸送上，模擬成品油順序輸送的油品的混油問題以及確定安全停輸時間等實際問題，為以后的管道優化運行提供方便條件。

趙海燕[5]利用FLUENT軟件，經過多次調整，建立順序輸送的混油模型，應用FLUENT軟件中的求解器對順序輸送的傳質擴散問題進行模擬計算，并分析了不同工況下對順序輸送混油的影響，為更深入研究油品輸送工藝提供了理論依據和指導，也為FLUENT軟件在今后管道順序輸送模擬中的開發和應用做出貢獻。

劉揚[6]等以地勢較復雜的慶哈（大慶-哈爾濱）埋地輸油管道為例，并以停輸最危險管段為研究對象，為確定該管段的安全停輸時間進行分析。首先建立該埋地輸油管路停輸后的非穩態傳熱模型，利用CFD軟件模擬原油溫降規律，在求解出停輸后的溫度場和流場的基礎上對結果進行分析，以預測該管段的合理的停輸時間。預測結果為慶哈輸油管線以后的安全生產運行提供理論依據和指導。

1.2 CFD軟件在管道運行安全中的應用

管道輸送是石油，天然氣最經濟、最合理的運輸方式。油氣輸送管道在經過長時間的服役后會因為內外部作用，腐蝕、管材本身和施工質量等因素發生泄露進而引起火災和爆炸事故造成重大損失。所以管道的安全運行也尤為重要。腐蝕、泄露、爆炸是管道運行過程中經常遇到的。為防止此類事故出現，CFD軟件可以根據的相應情況進行仿真模擬，從而把損失程度降低到最小。

李一慶[7]等人借助CFD 軟件對中西部地區天然氣集輸管道的泄漏擴散進行了數值模擬，對比分析了不同風速、泄露傾角對泄露擴散的影響以及天然氣泄露擴散過程分布規律和危險區大小，為天然氣管道的實際生產運行和緊急救援提供參考。

李亮[8]等以遼河油田柱氣管線為例，運用CFD軟件對彎管中的多相流沖刷腐蝕進行數值模擬，并對不同角度彎管的多相流參數及腐蝕進行分析。通過觀察彎管云圖可以得出隨著彎曲程度的增加液相和顆粒相分布和壁面磨損區域后移且數值慢慢變大。

秦政先[9]針對天然氣管道，利用FLUENT軟件對管道進行天然氣泄露擴散和爆炸數值模擬和后果分析。總結出天然氣管道泄露后的擴散和爆炸規律，模擬結果完全符合擴散、著火爆炸理論，驗證了選用的模型，方法的準確性。為今后天然氣管道的事故預防、事故研究、以及應急救援等方面提供了技術支持。

1.3 CFD軟件在油罐問題中的應用

油罐是重要的石油儲備設施，油品在儲運作業中難免會發生油氣泄露的情況，此時不但會造成經濟損失，污染環境、人員傷亡，嚴重的還會發生爆炸、二次污染情況發生，事故造成后果往往是無法彌補的。所以近年來很多研究人員利用CFD軟件研究油罐的泄露，油罐的爆炸、罐內油溫溫降等多種情況為以后的油罐的安全設計、運行管理提供了理論借鑒。

鄭志偉[10]等利于CFD軟件模擬了立式油罐罐底滲漏油品的滲流場分布，首先建立符合實際的幾何模型，經過網格劃分及相應的邊界條件設定，利用CFD軟件中的FLUENT研究分析不同滲透量、滲透位置、油品對滲流場的影響。為以后油罐罐底的滲漏研究及油品污染危害后果評價提供了一定的幫助。

趙祥迪[11]等人借助CFD軟件針對埋地油罐的油氣爆炸危險性進行了事故模擬研究。以某加油站埋地管道為例，按照實際油罐情況建模，運用一種基于CFD技術開發的FLACS軟件對不同油氣爆炸濃度下的埋地油罐以及油氣爆炸后的破壞情況進行分析研究。埋地油罐中油氣爆炸發生、發展規律及爆炸壓力的影響對油罐安全防護、為國內提供相對缺乏的數據資料具有重要意義。

郭曉峰[12]利用FLUENT軟件對儲罐的溫降過程進行了數值模擬。首先分析了錦州石化公司商業儲罐區的實際數據，以原油儲罐為研究對象，建立相應的數學模型，得出模擬結果，觀察不同高度下油罐溫降溫度的分布云圖，同時與實際數據進行比較，得出環境溫差可以導致原油密度發生變化進而造成對流換熱加快散熱速度。分析結果為以后的儲罐設計提供了數據支持。

2 CFD軟件的不足

雖然CFD軟件在很多領域的應用廣泛，但相對而言CFD軟件還是一個比較年輕的軟件，在油氣儲運工程領域的理論技術上、前處理階段上、結果驗證等方面還存在很多不足之處。

流體力學問題是油氣儲運方面的難點問題，流體力學的數學提法是基于非常復雜的多維非線性的偏微分方程組，例如N-S方程。N-S方程是現代流體力學的主干方程，幾乎所有涉及到粘性流體流動問題的分析研究工作都是以該方程為基礎的，但它的求解過程非常困難和復雜[13]。只有在某些特別簡單的運動情況中才能求得解析解。非線性的偏微分方程組數值解法的理論基礎薄弱，這就使得目前為止N-S方程本身還是一個沒有解的難題，所以CFD軟件在理論上就存在先天不足。

目前使用商用CFD軟件模擬復雜流場問題時，消耗在幾何建模和網格生成上的時間常常大于實際CFD軟件計算的時間。建模速度和網格質量對CFD軟件的計算效率和精度有著重要影響。所以計算精確、高效省時的前處理器是對整個過程尤為重要。CFD軟件只提供相對簡單的幾何建模功能，但對于復雜的流體運動模型就需要借助專用的CAD軟件（如Pro/ENGINEER）來完成幾何建模過程。網格生成是一個“漫長而枯燥”的工作過程。完成這項繁雜的工作極為耗時且容易出錯。因此，完善CFD的幾何建模功能、簡化網格生成量、減少網格生成的工作量、提高網格對復雜的流體模型自適應能力以及幾何建模功能的靈活性等對于CFD軟件在油氣儲運領域今后的應用具有重要意義。

CFD軟件的模擬結果一般采用與實驗數據進行對比來驗證CFD軟件的可信度問題。但目前還存在很多問題在實驗結果上，比如，某些實驗結果本身就不是十分精確，這與CFD模擬比較就會出現偏差。還有就是可用的，精確的實驗數據并不多，尤其是在復雜的流動情況下的實驗結果更是寥寥無幾。所以這是影響CFD結果可信度的重要原因。

3 結束語

隨著石油化工行業的蓬勃發展，CFD軟件在油氣儲運領域上還有很大的發展前景。基于CFD軟件的數值模擬同試驗研究相比，有其獨特的優勢：運行成本低、計算高效省時，運算結果精確、氣候條件干擾性小、實驗數據的全面性等方面。雖然CFD軟件具有很多的優點，但是還不能完全代替試驗研究，所以在以后的實際應用中還需根據相應的實際情況將已有的理論分析、試驗研究、和仿真模擬三者有效地結合起來進行考慮。

［1］嚴大寬.油氣儲運工程[M].北京：中國石化出版社，1996:1-5.

［2］王福軍.CFD軟件原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004:185-253.

［3］朱紅鈞，林元華，謝龍漢.流體分析及仿真實用教程[M].北京：人民郵電出版社，2010:37-42.

［4］楊莜蘅.輸油管道設計與管理[M].東營：中國石油大學出版社，2005:1-3.

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［6］劉 揚，袁亮等.慶哈埋地管道安全停輸時間模擬[J]. 油氣儲運, 2009, 28( 4):16-18.

［7］ 李一慶. 坡面天然氣管道泄漏擴散數值模擬[J]. 當代化工，2013,03（3）:339- 342．

［8］李亮，申龍涉,等.彎管中多相流沖刷腐蝕數值模擬][J].遼寧石油化工大學學報，2014,34（3）:48-52．

［9］秦政先.天然氣管道泄露擴散及爆炸數值模擬研究[D].成都.西南石油學院,2007:74-77

［10］鄭志偉，趙利軍,等.基于Fluent 模擬立式油罐罐底滲漏油品的滲流場分布[J].廣東化工，2010,37（11）：255-257.

［11］趙祥迪，袁紀武,等.基于CFD 技術的埋地油罐油氣爆炸后果模擬研究[J].工業安全與保護，2012,38（7）:31- 36.

［12］郭曉峰.基于Fluent軟件的儲罐溫降計算研究[D].大連:大連海事大學,2012:38-51.

［13］馬貴陽.工程流體力學[M].北京:石油工業出版社，2009:86-92.

Application of CFD software in Oil & Gas Storage and Transportation Engineering

SONG Bo，WANG Wei-qiang，MENG Fan-li，ZHANG Xiao-bo
（College of Petroleum and Natural Gas Engineering,Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China）

With the rapid development of CFD technology, CFD software becomes more and more mature, and application of CFD software in the oil &gas storage and transportation engineering field is becoming more and more popular. In this paper, application status of CFD software in the field of oil & gas storage and transportation engineering was introduced as well as its basic principle and working process. Besides, application of CFD software in three aspects including pipeline transportation, the safe operation of pipeline, and the oil tank was discussed. And shortcomings of the existing CFD software were analyzed.

CFD; Oil & gas storage and transportation engineering; Numerical simulation

TE 82

： A

： 1671-0460（2015）02-0310-03

2014-09-12

宋博（1990-），男，遼寧阜新人，遼寧石油化工大學油氣儲運工程專業在讀碩士研究生，研究方向：油氣長距離管輸技術。E-mail：lshsongbo@163.com。