長輸管道中介質流體場特性分析方法

袁 良

（塔里木油田分公司英買油氣開發部）

原油輸送以鐵路輸送、水力輸送、航空輸送、公路輸送及管道輸送等方法為主。 其中管道輸送的安全系數高，成本低，輸送效率與輸送容積大，屬于原油輸送的核心方法［1］。 伴隨工業的快速發展，我國原油輸送工程量顯著遞增，傳輸路程也由短變長，導致傳輸環境日益復雜［2］。長輸管道中介質流體場特性對原油輸送質量和輸送特性存在核心影響，因此研究長輸管道中介質流體場特性具有重要的現實意義［3］。

1 原油流量干擾分析

1.1 流量計系數

按照GB 9109.5—1988《原油動態計量油量計算》的規定，油品凈重量NNW的計算式為：

式中 Dpi——原油體積壓力修正系數，%；

DW——原油含水系數，%；

GW——油品自標準體積換算到空氣里的重量換算系數；

NF——流量計系數；

U1——油品在計量溫度下的體積，cm3；

UCF——油品體積溫度修正系數；

β20——原油在標準溫度時的密度，g/cm3。

1.2 流量計系數的合成因素

流量計系數的合成因素Nt為：

式中 Dll——工作液體溫度修正系數；

Dls——體積管材料溫度修正系數；

Dps——體積管材料壓力修正系數；

E——體積管測量區間的內徑，m；

F——體積管材料的彈性模量，MPa；

Gp——工作液體的壓縮系數；

hm、hs——流量計與體積管上液體的溫度，℃；

qm、qs——流量計與體積管上的壓力［4，5］，MPa；

U20——體積管在標準溫度時的體積，cm3；

δl、δs——工作液體與體積管的體膨脹系數。

綜上所述，流量計系數的干擾因素分別是工作介質的溫度、油品性質和體積管的溫度修正系數、壓力等。

2 管道計量輸差分析

2.1 誤差的源頭和差值計算

原油質量nc的計算式為：

式中 V——含水度，%。

則油品質量誤差c的計算式為：

式中 α——流量計壁厚。

2.2 標準體積U20的計算

標準體積U20的計算式為：

式中 H——原油體積系數；

Q——流量計的工作壓力，Pa；

Ut——流量計計量的體積。

2.3 密度β20的誤差影響因素

密度β20的誤差由以下4種因素構成：

a. 視密度檢測的誤差c1=±0.047%；

b. 真溫度誤差c2=±0.012%；

c. 原油密度計換算表的誤差c3=±0.059%；

d. 空氣浮力系數值的誤差c4=±0.04%。

3 長輸管道工作介質流體場特性分析

3.1 連續性

長輸油管道工作過程中在分析原油的流動連續性時，質量守恒方程也叫連續性方程［6］，表達式為：

式中 h——溫度系數；

vi——流體速度，t/h；

Zn——源項；

β——密度，g/cm3。

方程（12）為質量守恒方程的常規模式，可在可壓縮流動與非可壓縮流動中使用［7，8］。

在慣性坐標系j方向上的動量守恒方程是：

式中 ?j——應力張量，N；

βfj、Gj——j方向上重力體積力與外界體積力，N。

3.2 動量方程

湍流流動基本方程組融合湍流模型與合適的初始邊界條件，構成定解問題［9］。之后將構建的方程組實施離散并使用合理的數值方法與處理方法，便能夠得到實際問題的數值解［10，11］。

使用η-ζ模型進行長輸油管道工作介質流體動量運算分析， 其原理為通過紊動能η與紊動能耗散度ζ來描述流體湍流粘性系數 （流體的有效粘性系數為流體分子粘性系數與湍流粘性系數之和）［12］。 具體方程式為：

式中 Dε——流體湍流粘性系數；

Fb、Fk——由浮力、平均梯度引起的湍流動能，kJ；

XM——在可壓縮湍流中過渡擴散出現的變動；

εj——粘性系數。

湍動與紊動能耗散度的運輸方程為：

式中 YM——脈動參數；

εe——紊流時均參數。

有效粘度模型的計算公式為：

綜上所述，長輸油管道工作介質流體場特性主要分為工作介質流體連續性和動量方程兩部分，因此由這兩部分便可實現長輸油管道工作介質流體場特性的全面分析。

4 實驗分析

中國石油克拉瑪依石化公司原油長輸管道的交接點設有8個在線流量計與1個旋流器，筆者將所提方法應用在8個流量計中， 分析該長輸管道中原油流體場特性。

4.1 原油特性分析

長輸管道中的原油特性分析結果如圖1所示。 分析圖1可知，當長輸管道的首站長輸管道流量高于38t/h時， 末站收油計量流量變動較小；若長輸管道的首站長輸管道流量低于38t/h，則末站收油計量流量變動顯著。

圖1 原油特性分析結果

4.2 介質速度分析

采用筆者所提方法對長輸油管道工作介質流體場特性進行分析， 得到介質軸向速度曲線、切向速度曲線如圖2、3所示。

圖2 介質軸向速度曲線

圖3 介質切向速度曲線

當介質進入長輸管道時，由于長輸管道內徑的約束， 會讓液體介質的旋轉速度得以提升，導致液體介質出現渦流。 運行時，貼近管道軸線范圍的徑向壓力最小， 邊壁上的徑向壓力最大，且因為長輸管道底流口徑較小，導致液體介質不能全部流出。 為此，在長輸管道的旋流器上端設置一個溢流口， 讓一些油滴往壓力小的軸心上運行，從而衍生出內旋流，最后經過溢流管輸出。 因為水的密度較大，承受的離心力較高，因此水向旋流器的邊壁移動并與油相分離，且在后續原油的推動過程中順著底流輸出。 圖2、3中，長輸管道內部流體運動由內旋與外旋構成，當介質流場長度為-0.09m與0.09m時， 軸向速度相較于切向速度更快，外旋流體向底流出口運行；切向速度極低，內旋流體向溢流出口運行。

4.3 介質分離效率

當旋流器的入口形式分別是圓形和矩形時，長輸管道中介質流體（油、水）的分離效率見表1。

表1 不同入口形式下長輸管道中介質流體的分離效率

由表1可知，旋流器入口形式是矩形時分離效率較高， 矩形入口時不同溢流出口直徑下長輸管道中介質流體的分離效率見表2。

表2 不同出口直徑下長輸管道中介質流體的分離效率

由表2可知，溢流出口直徑為5.0mm時，分離效率較高， 但考慮到實際分離過程管道壓損、流體流速等因素的影響， 選取溢流出口直徑為5.5mm， 得到不同旋流腔長度下長輸管道中介質流體的分離效率，并列于表3。

表3 不同旋流腔長度下長輸管道中介質流體的分離效率

4.4 標準體積計算

將長輸管道上的旋流器入口形式設成矩形、溢流出口直徑為5.5mm、 旋流腔長度為71mm，測試長輸管道中介質標準體積的計算誤差是否符合原油傳輸需求，以標準體積計算誤差為測試標準，結果如圖4所示。 結合表1～3與圖4可知，采用筆者所提方法對該長輸管道中介質流體場特性進行分析后，該長輸管道原油傳輸的標準體積計算結果與實際測量結果十分接近， 在24h的測量時間內，計算誤差最大值出現在6h時，為55m3。 由此可見，筆者所提方法對長輸管道原油傳輸問題的研究具有一定價值。

圖4 標準體積計算結果

4.5 粘性系數計算

為了詳細分析筆者所提方法在探討長輸管道中介質流體場特性時的效果，以粘性系數為測試指標，測試筆者所提方法對管道中粘性系數的計算準確性，結果如圖5所示。 由圖5可知，管道粘性系數計算結果與實際粘性系數測量結果誤差極小，由此可見，筆者所提方法能夠準確計算管道計量輸差，對后續長輸管道中介質流體場特性的分析存在積極影響。

圖5 粘性系數結果曲線

5 結束語

筆者提出一種長輸管道中介質流體場特性分析方法，經實驗驗證分析可知，當首站長輸管道原油流量高于38t/h時，末站收油流量無明顯變動；當首站長輸管道流量低于38t/h時，末站收油流量變動顯著。 筆者所提方法在探討長輸管道中介質流體場特性時，對管道的標準體積與粘性系數的計算誤差均在可應用范圍內， 計算精度高，說明筆者所提方法對長輸管道中介質流體場特性的分析結果存在可信度，對長輸管道輸油效率具有積極作用，對長輸管道中介質流體場特性探討具有參考價值。