U型管內成品油順序輸送混油濃度三維數值計算

王 爽，王 岳

U型管內成品油順序輸送混油濃度三維數值計算

王 爽，王 岳

（遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院, 遼寧 撫順 113001）

針對成品油流經U型管道時彎管附近混油量問題。分別對U彎管開口向上和向下的情況進行分析，通過多相流模型和混油控制方程對所研究的問題進行三維數值計算，研究了0#柴油和90#汽油不同順序輸送時彎管處水力瞬變對混油量的影響。得出結論：U型彎管開口向上時，后輸送柴油比先輸送柴油混油段短，且管道中所選截面混油的質量分數較小；U型彎管開口向下時，后輸送汽油比先輸送汽油混油段長，且管道中所選截面的混油量質量分數較小。所以在彎管處進行成品油順序輸送時后輸送柴油先輸送汽油會減少混油量。

成品油；順序輸送；混油量；數值計算；水力瞬變

順序輸送就是在同一管道內按一定順序不間斷的輸送幾種油品，以達到管道的最大使用價值。但這其中必然存在油品的摻混問題，使輸送成本大大提高，如何減少混油量就成為研究的關鍵。迄今為止，各國學者對混油量的計算做了大量研究工作，并給出了諸多混油量的計算方法[1-3]，其中大部分都是由擴散理論推導出來[4]，再經實驗修正或由實測數據歸納而得出的經驗公式。由于影響混油的因素較多，混油界面在管道內的運動又非常復雜，目前，還不能完全得出與實際相符的混油計算公式[5-8]。因此，數值模擬計算就顯得尤為重要，數值模擬是求解復雜流動換熱問題的有效方法，對于復雜的混油問題更為有效。

通過對混油理論的深入研究和現場實測數據對比分析，從多相流模型出發，建立順序輸送混油控制方程，研究了不同的輸送順序，以及通過彎管時水力瞬變對混油濃度的影響。可為進一步研究冷熱原油順序輸送提供一定的理論基礎。

1 相關模型的建立

1.1 物理模型

把0#柴油和90#汽油兩種油品作為順序輸送的研究對象，倆種油品的基本性質如表1。

本文針對成品油順序流經向上U型管開口向上和向下兩種情況進行三維數值計算，其幾何圖形以U型開口向上為例，如圖1，輸送方向為由左到右。

1.2 數學模型

順序輸送控制方程

成品油交替輸送時在交界面處油品會發生不規則的脈動，屬于湍流流動。當油品流經彎管時不同密度的油品其重力不同所以在動量方程中要考慮重力對混油的影響。其相關方如下：

連續性方程：

其中：αq為q相流體在單元體積中的體積分數，mpq為p相到q相的質量變，mqp為q相到p相的質量變化。

湍動能的k方程：

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2 數值計算及結果分析

2.1 U型彎管開口向上的情況

圖2以相同的運行速度先輸送汽油一段時間后再輸送柴油一段時間之后彎管處的混油量云圖三維顯示。圖3以相同的運行速度先輸送柴油一段時間后再輸送汽油一段時間之后彎管處的混油量云圖三維顯示。對比圖2和圖3可以看出：前行汽油后行柴油時，柴油楔入到汽油中的量與圖2中的輸送情況相比要少很多，而先輸送汽油后輸送柴油與此的得到的結果恰好相反。分析其原因可能為柴油的密度和粘度相對柴油來說會比柴油大很多。

圖4為與圖2中輸送情況相對應的所選各個界面處的柴油平均質量分數，圖5為與圖3中輸送情況相對應的所選各個界面處的汽油平均質量分數。從圖4中可看出，所選各截面濃度變化較為平緩，而圖5中變化相對圖4數據波動更為明顯，且在x方向接近9.4 m處，圖4中柴油的截面的濃度小于5e-05,圖5中汽油的截面的濃度大于5e-05，由此可以看出后行汽油時的混油量較大。

2.2 U型彎管開口向下的情況

圖6以相同的運行速度先輸送汽油一段時間后再輸送柴油一段時間之后彎管處的混油量云圖三維顯示。圖7以相同的運行速度先輸送柴油一段時間后再輸送汽油一段時間之后彎管處的混油量云圖三維顯示。對比圖6和圖7可以看出：當U型彎管開口向下時，流體沿管道向下流動，圖6與圖7相比油尾相對較短，后行柴油時混油界面短而且較為集中，分析其原因可能為柴油的粘度高，在經過彎管時的壓力和速度變化的都不是很明顯，而汽油的粘度小，所以變化較明顯。

圖8 為與圖6中輸送情況相對應的所選各個界面處的柴油平均質量分數，圖9為與圖7中輸送情況相對應的所選各個界面處的汽油平均質量分數。從圖8中可以看出柴油的所選各截面的濃度變化相對較慢。而圖9后行汽油的各界面的平均濃度變化與圖8中的輸送情況相比更為均勻，且后行柴油的情況出現了平均質量分數為0的情況。后行汽油的濃度要遠大于柴油濃度，這說明柴油的濃度受彎管的水力瞬變影響較小，汽油所受的影響較大，且出現后行柴油的濃度要大于后行汽油的濃度的情況，這說明后行柴油時混合界面比較集中。

3 結論及建議

建議對于成品油管道的順序輸送輸送且彎管個數較多時，采取前輸送汽油，后輸送柴油的輸送方式。

［1］杜明俊，馬貴陽，許丹，等.冷熱原油順序輸送過程混油濃度的數值模擬[J]油氣儲運，2010，29（10）:730-733.

［2］李濤，楊廣志，宮圓圓，等.成品油順序輸送混油段的數值模擬[J]青島科技大學學報（自然科學版），2013,34:69-73.

［3］趙會軍，張青松，張國忠，等.停輸對順序輸送管道混油影響的PHOENTCS模擬[J].西南石油大學學報,2007,29(4):149-157.

［4］趙會軍．成品油管道順序輸送特性研究[D]．東營:中國石油大學儲運與建筑工程學院，2008:17-20.

［5］梁永圖.成品油管道順序輸送運行優化研究:學位論文[D].北京：石油大學,2001:18-22.

［6］趙會軍，張青松，趙書華，等.數值管道兩種油品順序輸送傳質數值研究[J].油氣儲運,2007,26（11）:26-29

［7］谷俊標：順序輸送管道不同工況下混油量的計算[J]，油氣田地面工程 ，2005，24(3):75-80.

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

Three-dimensional Numerical Computation of Blending Concentration in U-Tube During Batch Transportation of Refined Oil Products

WANG Shuang，WANG Yue
（College of Petroleum Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China）

The problems of contaminated volume in elbow near U- pipeline under U-tube upward or downward opening were researched. Three-dimensional numerical calculation was carried out by multiphase flow model and contamination control equations，effect of hydraulic transient at the elbow on contaminated volume during batch transportation of 0#diesel and gasoline 90#with different sequence was investigated. The results show that, when the U-Tube opening up, contaminated oil segment while transporting diesel later is shorter than that while transporting diesel first, and mass fraction of contaminated oil at selected pipeline section is less; when U-Tube opening downward, contaminated oil segment while transporting gasoline later is longer than that while transporting gasoline first, and mass fraction of contaminated oil at selected pipeline section is less，so the sequence of batch transportation should be to transport gasoline first and then transport diesel.

Refined oil product; Batch transportation; Contaminated volume; Numerical simulation; Hydraulic transient

TE 832

： A

： 1671-0460（2015）05-1079-03

2014-12-01

王爽（1989-），遼寧撫順人，遼寧石油化工大學在讀碩士，從事成品油順序輸送的研究。郵箱1563240118@qq.com。