順序輸送混油規(guī)律的數(shù)值模擬

代堪亮，吳 明，王金漢，楊 柳，王 雷，高艷波，杜義朋，張純靜, 姚 堯

（1. 遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001； 2. 中國石油管道公司 沈陽調(diào)度中心，遼寧 沈陽 110031；3. 中國石油天然氣股份有限公司撫順石化分公司石油二廠, 遼寧 撫順 113001）

CB—油品B的體積分?jǐn)?shù)；

順序輸送混油規(guī)律的數(shù)值模擬

代堪亮1，吳 明1，王金漢2，楊 柳3，王 雷1，高艷波1，杜義朋1，張純靜1, 姚 堯1

（1. 遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001； 2. 中國石油管道公司 沈陽調(diào)度中心，遼寧 沈陽 110031；3. 中國石油天然氣股份有限公司撫順石化分公司石油二廠, 遼寧 撫順 113001）

基于CFD中多相流（VOF）模型，采用有限體積法，建立了重油前輕油后及重油后輕油前順序輸送混油模型。以柴油和汽油為例，分別在0o、30o、45o、60o及90o 5種管道傾角情況下進(jìn)行了數(shù)值模擬。研究表明：柴油前行，隨著傾角的增加，混油帶逐漸增加；汽油前行，隨著傾角的增加，混油帶逐漸縮短；柴油前行的混油帶大于汽油前行的混油帶；實際生產(chǎn)中，對于不同傾角管道順序輸送宜采用輕油在前、重油在后的順序。

順序輸送；混油規(guī)律；多相流模型；數(shù)值模擬

當(dāng)今社會輸油管道單一油品的輸送已經(jīng)無法滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，因此單一管道順序輸送多種油品已經(jīng)成為一種主要的輸油方式。在滿足經(jīng)濟(jì)需求的同時，順序輸送過程愈發(fā)復(fù)雜，因此掌握輸油管道順序輸送的運行規(guī)律（尤其是混油濃度的規(guī)律），對提高管道輸送的安全運行、經(jīng)濟(jì)運行有著重要的現(xiàn)實意義。

國內(nèi)外學(xué)者對混油過程進(jìn)行了大量研究：Austin和Palfrey采集了大量的實驗數(shù)據(jù)總結(jié)出Austin-Palfrey混油經(jīng)驗公式[1]；Freitas Rachid F.B.等人提出了一個新的計算混油模型，該模型考慮了流速隨時間的變化以及管徑的變化，得到了采用更加精確的軸向有效分散系數(shù)[2,3]；黃淑女運用擴(kuò)散理論和Austin-Palfrey混油經(jīng)驗公式建立了不同管徑下計算混油量的新模型[4];康正凌分析了重力對傾斜管道混油過程的影響[5]；趙會軍運用PHOENICS對順序輸送大落差管道混油進(jìn)行了研究[6]；杜明俊對冷熱原油順序輸送過程混油濃度進(jìn)行了數(shù)值模擬[7]；夏增艷建立了二維對流擴(kuò)散模型，對順序輸送混油過程進(jìn)行了數(shù)值分析，得到了不同流速下的順序輸送規(guī)律[8];錢宇分析了停輸對冷熱原油順序輸送混油的影響[9]；高清江分析了靖咸大落差成品油管道順序輸送的特點[10]。然而鮮有文獻(xiàn)研究管道不同傾斜角度對成品油順序輸送過程混油規(guī)律的影響?；诖?，本文針對不同傾角成品油管道順序輸送過程中混油規(guī)律這一問題，基于CFD中多相流（VOF）模型，利用有限體積法，分別對重油前輕油后及重油后輕油前順序輸送問題，在0°、30°、45°、60°及90°五種傾角管道情況下進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，以期為實際生產(chǎn)、設(shè)計提供一定的理論依據(jù)。

1 模型建立

1.1 物理模型的建立

選取管道與地面夾角0°、30°、45°、60°和90°(即圖1中A、B、C、D、E 5種情況)5種情況建立模型并進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬區(qū)域采用四面體網(wǎng)格劃分，考慮邊界層影響，并進(jìn)行局部加密進(jìn)行網(wǎng)格劃分，經(jīng)檢查后發(fā)現(xiàn)無負(fù)網(wǎng)格且分布合理，具體如圖1所示。

圖1 輸油管道計算區(qū)域三維物理模型Fig.1 Three-dimensional physical model of calculation area of pipeline

1.2 數(shù)學(xué)模型的建立

1.2.1 控制方程

1.2.2 邊界條件

入口邊界：選擇速度作為入口邊界條件，并假設(shè)入口處截面速度均勻分布且垂直該面；

出口邊界：選擇自由出流作為出口邊界條件。

1.2.3 初始條件

（1）重油前輕油后

選擇重油作為基本相且體積比為1，輕油為第二相且體積比為0，待重油運行一段時間后，變換重油體積比為0，輕油體積比為1，繼續(xù)計算實現(xiàn)順序輸送過程；

（2）輕油前重油后

選擇輕油作為基本相且體積比為1，重油為第二相且體積比為0，待輕油運行一段時間后，變換輕油體積比為0，重油體積比為1，繼續(xù)計算實現(xiàn)順序輸送過程。

1.2.4 物性參數(shù)的設(shè)置

（1）混油密度 在順序輸送過程中，混油帶的密度變化規(guī)律遵循比例相加定律，即：

（2）混油粘度 在順序輸送過程中，混油粘度不能直接按比例計算，但組分接近線性關(guān)系[11]，具體公式如下：

其中：ρA、ρB、ρM—油品A、B和混油的密度，kg/m3；

CB—油品B的體積分?jǐn)?shù)；

vA、vB、vM—分別為油品A、B和混油的運動粘度，m2/s；

aA、aB—為待定因子。

2 算例分析

模擬管長為10 m，管徑為0.5 m，選取汽油和柴油兩種油品進(jìn)行順序輸送模擬，流速為1 m/s，兩種油品具體物理參數(shù)如表1所示。

表1 兩種油品的物理參數(shù)Table 1 Physical parameters of two kinds of oil

2.1 柴油前汽油后

分別針對0°、30°、45°、60°和90°進(jìn)行了數(shù)值模擬，具體混油濃度如圖2—圖6。當(dāng)傾角為0°時，隨著時間的增加混油段呈狹長區(qū)域，尖錐狀，且錐尖貼近上管壁，當(dāng)汽油輸送8 s時，汽油尖端已經(jīng)接近管道尾部。此現(xiàn)象是由粘性力影響產(chǎn)生速度邊界層，在邊界層內(nèi)，靠近管壁處速度逐漸減小，因而當(dāng)柴油流過留有一定的柴油薄層，而汽油粘度小于柴油，柴油慣性大，因此僅帶走柴油速度邊界層內(nèi)的一部分柴油，所以呈現(xiàn)狹長區(qū)域。隨著傾角的逐漸增大，30°、45°和60°呈現(xiàn)出于0°近似的現(xiàn)象，混油區(qū)域狹長，尖錐狀，錐尖靠近上管壁，所不同的是混油區(qū)域逐漸變長，主要是重力的影響。對于傾角90°時，隨著運行時間的增加，混油帶逐漸加長，重力方向和輸油方向相同使得慣性大的柴油被帶走較少部分，以及受粘性影響呈現(xiàn)出中間濃度大、四周小的現(xiàn)象，并呈均勻分布態(tài)勢。

圖2 傾角0°時混油濃度分布圖Fig.2 Contaminated concentration distribution of inclination 0°

圖3 傾角30°時混油濃度分布圖Fig.3 Contaminated concentration distribution of inclination 30°

圖4 傾角45°時混油濃度分布圖Fig.4 Contaminated concentration distribution of inclination 45°

圖5 傾角60°時混油濃度分布圖Fig.5 Contaminated concentration distribution of inclination 60°

圖6 傾角90°時混油濃度分布圖Fig.6 Contaminated concentration distribution of inclination 90°

2.2 柴油后汽油前

分別針對0°、30°、45°、60°和90°進(jìn)行了數(shù)值模擬，具體混油濃度如圖7—圖11。當(dāng)傾角為0°時，隨著輸送時間的增加混油段呈現(xiàn)狹長區(qū)域，當(dāng)汽油輸送8s時，柴油尖端已經(jīng)接近管道尾部。此現(xiàn)象是由于粘性力影響產(chǎn)生速度邊界層，在邊界層內(nèi)，靠近管壁處速度逐漸減小，因而當(dāng)汽油流過留有一定的汽油薄層，而汽油粘度小于柴油，帶走靠近管道下部汽油速度邊界層內(nèi)的較多汽油，所以呈現(xiàn)狹長區(qū)域小于柴油前汽油后輸送情況；在柴油中心區(qū)域速度等于來流速度，靠近管壁由于速度邊界層的影響，使得速度逐漸減小，呈現(xiàn)出中間大、四周小的尖錐狀；此外汽油密度小于柴油密度，加之重力影響導(dǎo)致速度邊界層內(nèi)汽油薄層較多汽油被柴油帶走，進(jìn)而呈現(xiàn)尖錐部靠近下管壁。隨著傾角的逐漸增大，30°、45°和60°呈現(xiàn)出混油現(xiàn)象較相似，混油區(qū)域遠(yuǎn)小于0°情況。對于傾角90°時，隨著運行時間的增加，混油量逐漸增多，但是混油帶逐漸小于前4種情況，重力方向和輸油方向相同使得慣性小的汽油被帶走較大部分，以及受粘性的影響呈現(xiàn)出中間濃度大、四周小的現(xiàn)象，并呈均勻分布態(tài)勢。

圖7 傾角0°時混油濃度分布圖Fig.7 Contaminated concentration distribution of inclination 0°

圖8 傾角30°時混油濃度分布圖Fig.8 Contaminated concentration distribution of inclination 30°

圖9 傾角45°時混油濃度分布圖Fig.9 Contaminated concentration distribution of inclination 45°

圖10 傾角60°時混油濃度分布圖Fig.10 Contaminated concentration distribution of inclination 60°

圖11 傾角90°時混油濃度分布圖Fig.11 Contaminated concentration distribution of inclination 90°

2.3 平均截面濃度

限于篇幅，本文僅以0°和90°傾角管道、不同的輸油順序進(jìn)行濃度分析，如圖12、圖13所示。由圖12可知，對于0°傾角管道，柴油前行混油濃度大于汽油前行混油濃度，這是由于柴油慣性力大、粘度大，加之重力影響，使得邊界層內(nèi)柴油被帶走的量較少，汽油切入量較多，致使混油量大；而汽油前行恰恰相反，因而出現(xiàn)柴油前行混油濃度大于汽油前行混油濃度。

圖12 傾角0°時各截面平均濃度曲線圖Fig.12 Inclination 0° cross-section average concentration curve

對于90°傾角管道，受重力影響較大，對比0 °傾角管道，后者混油帶較短，且柴油前行在前7米混油密度遠(yuǎn)大于汽油前行，而后出現(xiàn)汽油前行混油濃度大于柴油前行。這是因為柴油慣性力大、粘度大，加之重力影響較大，使得靠近邊界層內(nèi)油品被帶走量較少，而汽油前行時，慣性力小、粘度小，大部分汽油被帶走，因而出現(xiàn)柴油前行混油濃度大于汽油前行混油濃度。

圖13 傾角90°時各截面平均濃度曲線圖Fig.13 Inclination 90° cross-section average concentration curve

3 結(jié) 論

本文基于CFD中多相流（VOF）模型，利用有限體積法，建立了順序輸送混油模型，分別對柴油前汽油后輸送與柴油后汽油前輸送，在0°、30°、45°、60°及90°5種傾角管道情況下進(jìn)行了混油數(shù)值模擬，研究表明：

（1）柴油前行，五種傾角輸油管道混油帶均呈狹長區(qū)域，隨著傾角的增加，混油帶逐漸增加，0 °、30°、45°和60°傾角管道混油帶分布不均勻，靠近上管壁，而90°傾角管道混油帶分布均勻；

（2）汽油前行，0°傾角管道混油帶較長，隨著傾角的增加，30°、45°和60°傾角管道的混油帶逐漸縮短，且分布不均勻，靠近下管壁，90°傾角管道混油帶最短，混油帶分布均勻；

（3）柴油前行的混油帶大于汽油前行的混油帶；

（4）對于不同傾角順序輸送管道，宜采用重油后行，輕油前行，使得混油帶降到最小，達(dá)到最優(yōu)的目的。

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Numerical Simulation of Mixing Law in Batch Transportion Pipeline

DAI Kan-liang1，WU Ming1，WANG Jin-han2，YANG Liu3，WANG Lei1，GAO Yan-bo1，DU Yi-peng1，ZHANG Chun-jing1，YAO Yao1
（1. College of Petroleum Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China；2. China Petroleum Pipeline Company Shenyang Dispatching Center, Liaoning Shenyang 110031, China；3. PetroChina Fushun Petrochemical Company No.2 Refinery, Liaoning Fushun 113001, China）

Based on CFD multiphase flow (VOF) model, mathematical model of blended oil in batch transportation was established by finite volume method. Taking diesel and gasoline for example, numerical simulation analysis was finished under conditions of five different inclinations (0o, 30o, 45o, 60o, 90o).The results show that the mixed length increases gradually with increase of the angle under the condition of diesel-forward; and while gasoline is forward, the mixed length decreases gradually with increase of the angle; the mixed volume of the diesel-forward is larger than that of the gasoline-forward; for batch transportion pipelines with different inclinations, light oil should be forward.

Batch transportation; Mixing law; Multiphase flow model; Numerical

TE 832

A

1671-0460（2012）11-1259-05

2012-06-13

代堪亮（1983-），男，遼寧撫順人，遼寧石油化工大學(xué)在讀碩士，研究方向：油品的順序輸送。E-mail：dkl_miao@163.com。