基于FLUENT的原油儲罐浮球式自動切水器數(shù)值模擬

姜東方

中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊

1. 引言

石油是現(xiàn)代工業(yè)的血液，為保障國家能源安全，保證原油供給充足應(yīng)加快原油儲備能力建設(shè)，增強我國在國際原油貿(mào)易中的話語權(quán)，為此我國多地興建大批的原油戰(zhàn)略儲庫和商業(yè)儲庫[1]。

原油在存儲、運輸、加工等過程其所含水分會對相應(yīng)設(shè)施造成極大影響[2]，因此，在原油儲存過程中切水作業(yè)占有重要地位[3]。長期以來，儲罐原油切水作業(yè)主要由人工進(jìn)行，效率低，風(fēng)險大，易發(fā)跑油、沖塔，甚至爆炸等安全事故，對人身健康及自然環(huán)境構(gòu)成重大威脅，浮球式自動切水器可實現(xiàn)連續(xù)脫水，節(jié)能環(huán)保，克服了人工操作的諸多弊端，可極大提高原油儲罐切水作業(yè)的效率[4]。

目前，對自動切水器的使用研究僅限于工程經(jīng)驗和生產(chǎn)作業(yè)過程中的數(shù)據(jù)積累分析，缺乏仿真數(shù)值模擬研究。通過對自動切水器進(jìn)行仿真數(shù)值模擬，可為使用單位提供工程仿真模擬分析數(shù)據(jù)，有利于提高原油儲罐自動脫水器的選型、安裝、調(diào)試的準(zhǔn)確性，有助于提高運維管理的效率[5]。

2. 數(shù)值模擬原理及主要參數(shù)

2.1. 數(shù)值模擬原理

原油與水在密度、顏色、粘度、電導(dǎo)率、微波吸收、導(dǎo)光性和超聲波回波等方面存在特性差異[6] [7]，利用原油與水存在密度和粘度特性差異[8]，對原油儲罐浮球式自動切水器進(jìn)行數(shù)值模擬，進(jìn)而對自動切水器的整個工作過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

2.2. 主要參數(shù)

以中-俄原油管道俄羅斯來油為參考[9]，對原油的含水率進(jìn)行了實測得到其含水率為0.057%，并對某儲備庫罐容為5 × 104m3的原油儲罐進(jìn)行了實測，得到罐底水層高度為0.86 m，自動切水器設(shè)計流量為10 m3/h，原油物性參數(shù)見表1。

Table 1. Main physical parameters of Russian crude oil表1. 俄羅斯原油的主要物性參數(shù)表

自動切水器設(shè)備結(jié)構(gòu)見圖1。

Figure 1. Structure diagram of automatically dehydration facility圖1. 自動切水器結(jié)構(gòu)示意圖

設(shè)備參數(shù)見表2。

Table 2. Main parameters of automatically dehydration facility表2. 自動切水器主要參數(shù)

3. 流體動力學(xué)數(shù)值模擬

3.1. 數(shù)值模擬的前提條件

影響切水器內(nèi)液體流動場的因素包括：原油的密度和粘度；空心浮球的體積、密度和壁厚；自動切水器進(jìn)口管徑和安裝高度，排水口管徑；自動切水器回油管管徑、長度和安裝高度；回油摩阻等[10] [11]。由此設(shè)定以下數(shù)值模擬條件：

1) 自動切水器內(nèi)部的液體流動是一個隨時間變化的瞬態(tài)過程；

2) 自動切水器使用蒸汽伴熱，內(nèi)部液體溫度與儲罐內(nèi)液體溫度相同，因此不用考慮溫度場變化；

3) 空心浮球在體積、密度一定的前提下，F(xiàn)LUENT 模擬時將其認(rèn)為是均勻球體，可計算出當(dāng)量密度，該密度應(yīng)介于原油密度和水密度之間。

3.2. 預(yù)估算設(shè)備安裝參數(shù)

根據(jù)工程實際，為了確定安裝數(shù)據(jù)，數(shù)值模擬前應(yīng)預(yù)估算以下參數(shù)：1) 經(jīng)計算自動切水器進(jìn)口流速為0.4 m/s；

2) 回油過程中，估算回油管長度為2.5 m；

3) 暫定進(jìn)水管安裝高度高于罐底環(huán)梁0.15 m；

4) 經(jīng)摩阻計算，暫定回油管的安裝高度高于罐底環(huán)梁1 m。

在各項參數(shù)給出的前提下，分別以自動切水器中浮球上浮、浮球下沉和回油過程為例，建立二維動網(wǎng)格模型進(jìn)行數(shù)值模擬。

3.3. 數(shù)學(xué)模型的建立

本文中對自動切水器的FLUENT 仿真模擬，采用的是多相流VOF、湍流k-ε模型和二維動網(wǎng)格模型[12]。

3.3.1. 多相流VOF 模型

VOF 是跟蹤流場內(nèi)流體流動的方法[13]，數(shù)值模擬考慮流場的變化使用VOF 的容積比率方程、密度屬性方程和動量方程。

α：容積比率；t：時間；ρ：密度；μ：運動粘度；ν：體積；g：重力加速度；P：壓力；S：源項；F外作用力。

3.3.2. 湍流標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型

湍流標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型具有適用范圍廣及精度高等優(yōu)點，因此在工程流場的模擬計算中應(yīng)用廣泛。在湍流均勻連續(xù)性方程和雷諾方程的基礎(chǔ)上，建立湍流動能k 的輸送方程，并在k 方程的基礎(chǔ)上引入耗散率ε 方程，形成了標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型[14]。

k：湍流動能；ε：耗散率；μ：運動粘度；u：流速；σ：層流邊層厚度；C：鋼管粗糙度。

3.3.3. 動網(wǎng)格模型

FLUENT 動網(wǎng)格模型用于計算運動邊界問題，可模擬流域形狀隨時間變化的情況，在計算之前要先定義體網(wǎng)格的初始狀態(tài)[15]。本文中對自動切水器的回油過程和浮球的起降過程就是利用該模型實現(xiàn)的。

3.4. 物理模型的建立和網(wǎng)格劃分

物理模型見圖2。

Figure 2. Physical model of automatically dehydration facility圖2. 自動切水器物理模型

自動切水器數(shù)值模擬網(wǎng)格劃分見圖3。

Figure 3. Mesh generation of automatically dehydration facility圖3. 自動切水器網(wǎng)格劃分

3.5. 液體速度場數(shù)值模擬及結(jié)果分析

3.5.1. 浮球上浮模擬結(jié)果及分析

隨著原油和水持續(xù)進(jìn)入自動切水器，由于密度差異，原油連續(xù)向切水器上部運動，水不斷在切水器底部匯集，當(dāng)浮球重量小于液體浮力時，浮球上浮，下方的排水口開始排水，F(xiàn)LUENT 模擬得到了此程中某時刻流體的體積、壓力和速度分布云圖，見圖4。

Figure 4. Fluid volume, pressure and velocity distribution cloud map圖4. 流體體積、壓力和速度分布云圖

浮球上浮時排水口被打開水從下方排出，從以上圖中可以清晰地看到自動切水器內(nèi)部油水分層情況、壓力分布情況和速度分布情況，可知回油管和排水管內(nèi)的壓力較小，排水口液體流速較大。

3.5.2. 浮球下沉模擬結(jié)果及分析

隨著水不斷被排出，液體浮力持續(xù)減小，當(dāng)浮球重量大于液體浮力時，浮球下沉到切水器底部封閉排水口，經(jīng)模擬得到此過程中某時刻流體的體積、壓力和速度分布云圖，見圖5。

Figure 5. Fluid volume, pressure and velocity distribution cloud map圖5. 流體體積、壓力和速度分布云圖

浮球下沉關(guān)閉排水口，從以上圖中可以看出排水口處壓力最小，為一個大氣壓；排水口處液體的流速為零，表明浮球沉到切水罐底部時排水口沒有液體流出，浮球?qū)ε潘诘拿芊庑阅茌^好。

3.5.3. 回油過程模擬及結(jié)果分析

經(jīng)過一段時間運行，自動切水器內(nèi)近乎充滿原油，當(dāng)原油儲罐沉降水再次進(jìn)入自動切水器時，由油水密度不同而產(chǎn)生的壓力差使得自動切水器中的原油回流進(jìn)入大罐，經(jīng)模擬得到流體的體積、壓力和速度分布云圖，見圖6。

Figure 6. Fluid volume, pressure and velocity distribution cloud map圖6. 流體體積、壓力和速度分布云圖

回油過程中原油經(jīng)回油管回流儲罐，從以上圖中可看到隨著密度和液位高度的不同，壓力逐漸變化，回油管中的壓力小于儲罐底部壓力，因此原油才能回流到儲罐中?；赜凸苤幸后w流速較大，排水口被浮球封閉，流速為零。

4. 結(jié)論

通過對自動切水器進(jìn)行數(shù)值模擬，驗證了該設(shè)備設(shè)計參數(shù)的合理性，明確了進(jìn)水管安裝高度及回油管的安裝高度的正確性，驗證了排水口和浮球的接觸面密封性能良好，表明使用自動切水器進(jìn)行原油儲罐切水作業(yè)是切實可行的，為今后原油儲罐自動脫水設(shè)備的選型、安裝和調(diào)試提供了經(jīng)驗借鑒。