不同傾角下成品油順序輸送混油數(shù)值模擬

何顯榮 張引弟 楊建平 伍麗娟

1．長江大學石油工程學院，湖北武漢430100;

2．中國石油遼河油田公司SAGD開發(fā)項目管理部，遼寧盤錦124010

不同傾角下成品油順序輸送混油數(shù)值模擬

何顯榮1張引弟1楊建平2伍麗娟1

1．長江大學石油工程學院，湖北武漢430100;

2．中國石油遼河油田公司SAGD開發(fā)項目管理部，遼寧盤錦124010

為了能更好地認識管道成品油順序輸送停輸時混油段變化特性，應用Fluent軟件組分輸送模型，對不同傾角下的成品油順序輸送停輸進行了數(shù)值模擬，并對模擬結(jié)果和導出數(shù)據(jù)進行分析。研究結(jié)果表明:停輸時，重力和油品間的密度差是造成混油段特性變化的主要因素，管道傾角越大，柴油在重力勢能高處時產(chǎn)生的自然對流使混油段長度明顯增大且所需時間更短，汽油在重力勢能高處時，管道傾角的增大對混油段的增加有抑制作用且混油段濃度分層與管道傾角一致。研究結(jié)果對減少和預防停輸時混油段的產(chǎn)生和增加有一定借鑒作用。

順序輸送;停輸;不同傾角;混油特性;數(shù)值模擬

0 前言

成品油順序輸送過程中由于種種原因會造成管道停輸［1－2］，而輸送管道常經(jīng)過地形復雜有較大落差的地段［3］，一般為減少混油段產(chǎn)生，管道會在紊流狀態(tài)下運行，其雷諾數(shù)一般大于104［4－5］。而當管道停輸時，管道內(nèi)油品容易出現(xiàn)層流［6］，管道中心區(qū)域與管壁附近流速差增加，使混油段增加［7］，如蘇聯(lián)的古比雪夫—勃克斯克成品油管段，停輸幾小時的混油量比連續(xù)輸送216 h形成的混油量還要多1倍［8］。而在不同傾角和輸送順序下，油品間由于物性參數(shù)不同會使混油特性發(fā)生怎樣變化。在前人研究中，對管道順序輸送模擬大多采用VOF模型［9－11］，此模型多適用于兩種不同相態(tài)流體存在自由分界面的流動情況模擬，對兩種相同相態(tài)油品間混油特性的模擬效果并不理想［12］。針對以上問題，本文采用Fluent軟件組分輸送(Species Transport)模型，建立了成品油順序輸送控制方程，就不同傾角和輸送順序下管道停輸對混油段特性進行模擬分析，對管道停輸時混油段的控制提供理論指導。

1 模型建立

1.1 數(shù)學模型

管道中混油濃度分布隨時間而變化，故對管道紊流計算采用雷諾時均法［13］，通過Boussinesq假設(shè)，引入脈動造成的Reynolds應力和質(zhì)量輸送流率。選用物質(zhì)擴散模型，在考慮重力條件下，建立管道輸送與停輸?shù)臅r均控制方程組求得。

1.1.1 連續(xù)性方程

1.1.3 質(zhì)量輸送方程

式中:xi、xj為空間坐標;ui、uj為空間時均速度變量，m/s; u'i、u'j為脈動速度分量，m/s;ρ為密度，kg/m3;gi為質(zhì)量力矢量，m/s2;P為壓力，Pa;μ為層流動力黏度，Pa· s;c'為前行油品脈動濃度，%;c為前行油品的體積時均濃度，%;Pri(c)為層流Schmidt數(shù)。

1.1.4 物質(zhì)擴散模型

Fluent中對物質(zhì)擴散守恒方程求解i組分的質(zhì)量擴散速率的方程［14］為:

式中:μt為紊流黏度，Pa·s;Di，m為物質(zhì)i的擴散系數(shù); Sct為紊流Schmidt數(shù)，默認值取0.7;γi為物質(zhì)i的質(zhì)量分數(shù)，%。

式(1)～(4)應用于Fluent軟件中，對不同傾角下管道混油停輸工況進行模擬計算。

1.2 物理模型

“哦，翠絲，僵尸人吧？”艾瑞克說著，突然咧嘴假笑了一下，這笑扯動唇環(huán)，環(huán)孔一下子被拉寬了，那樣子讓我畏縮了一下，“我倒要看看，你能撐多久。”

本文主要討論在不同傾角下停輸管道中混油段變化特性的影響，以管徑為0.5 m，管長為10 m的管道作為研究對象，在傾角下管道內(nèi)油品的重力分解圖見圖1。

圖1 傾角下管道內(nèi)油品重力分解圖

1.3 油品參數(shù)

以常見的0#柴油和90#汽油作為輸送油品［15］，其物性參數(shù)見表1。

表1 油品物性參數(shù)

2 數(shù)值模擬

利用Fluent軟件模擬組分為成品汽油和柴油的順序輸送，應用PISO算法實現(xiàn)對壓力速度耦合數(shù)值計算求解，選擇雙方程湍流模型及標準固壁無滑移邊界條件，默認操作壓力，忽略溫度影響。管道進口條件設(shè)為速度進口，速度均設(shè)為1 m/s;管道出口條件設(shè)為自由出口。不同傾角下重力因素的影響由x、y軸的重力分量替代。在前行油品充滿管道的情況下，輸送后行油品。油品初始速度均為1 m/s，考慮重力因素(不同傾角下)。當混油段行進至管內(nèi)3 m時，油品停止輸送(設(shè)此時t=0 s)。

2.1 有無重力下管道停輸模擬

首先研究重力對混油特性在水平管內(nèi)的變化情況，先輸汽油后輸柴油。管道充滿汽油后，柴油在管道內(nèi)行進3 s時停輸(t=0 s)，混油變化情況和混油濃度分布見圖2。

圖2 有無重力下水平管道各時間點的停輸模擬

由圖2知，不考慮重力的情況下未停輸t1=0 s時，在混油段任一截面的中心部位，濃度分布都較均勻，管壁處的層流邊界層存在較大濃度梯度，與理論描述一致［16－17］，停輸后，由于濃度差導致分子擴散作用明顯，混油沿徑向和軸向具有濃度差的地方進行擴散，管壁處的層流邊界層濃度梯度逐漸平衡，混油段徑向濃度差逐漸減小，整個混油段變得均勻，混油段長度逐漸增長一段時間后停止;考慮重力的情況下未停輸t2=0 s時，由于重力和不同油品間密度差，使得密度大的后行柴油下沉，密度小的前行汽油上浮，停輸t2=5 s時，這種對流效果更加明顯，很快就在管內(nèi)形成較長的混油段。

為了更清晰地體現(xiàn)混油濃度沿管線的分布情況，有無重力因素管道停輸時，混合油品沿管道中心軸向分布濃度從模擬結(jié)果中導出。

圖3為混合油品沿管道中心軸向分布濃度，圖3中無重力停輸t1=5 s時，混油段由于慣性作用，混油段濃度還往前運行了一小段，而在停輸t1=10 s后，管道內(nèi)剩余紊流波動消失，油品逐漸穩(wěn)定，依靠濃度差的分子擴散作用，兩種油品之間開始向管內(nèi)四周進行分子擴散，t1=20 s之后，混油沿管道中心軸向濃度曲線基本不再發(fā)生變化，擴散速率隨時間延長逐漸平緩，這是因為分子擴散所引起的濃度變化已近極限;有重力停輸t2=0 s時，混油沿管道中心軸向濃度相比同時刻無重力情況時，混油段前部濃度大，后部濃度小，這是因為重力使前行汽油上浮后行柴油下沉，混油段延長，混油濃度特性傾斜，在停輸后，這種依靠重力作用產(chǎn)生的對流效果愈發(fā)明顯，在t2=3、5 s時，管道內(nèi)混油沿管道中心軸向濃度迅速擴散且增幅明顯，說明停輸時重力對混油量的影響很大，有必要進行詳細分析。

圖3 混合油品沿管道中心軸向分布濃度

2.2 不同傾角下未停輸?shù)臄?shù)值模擬

不同傾角下，油品順序輸送未停輸時，混油段特性也有所不同。模擬了傾角為30°、45°、60°、90°下管道未停輸?shù)那闆r，混合油品濃度沿混油管道中心徑向分布，模擬結(jié)果見圖4～5。

前行汽油后行柴油未停輸時，后行柴油向下嵌入前行汽油中，隨著傾角增大，重力在管道徑向的作用力逐漸減弱，使得柴油沿管道徑向下沉嵌入汽油的趨勢減小，混油段濃度在管道中心徑向上越均勻，混油段濃度分層與管道傾角角度大體一致，混油段長度隨傾角增大略有減小;前行柴油后行汽油未停輸時，后行汽油上浮嵌入到前行柴油中，混油頭偏離管道中心，在不同傾角下，混油尾長度和濃度變化并不明顯，說明重力對紊流輸送時的影響很小，這與理論一致［18－20］，傾角為90°時，混油濃度沿管道截面分布均勻，與前行汽油后行柴油的情況相比，由于柴油的黏度比汽油大得多，在管壁邊界層處濃度變化梯度明顯。

兩種輸送順序下對比可知，在有傾角的紊流輸送時，前行柴油后行汽油的混油比前行汽油后行柴油形成的混油量要多，這是由于前行柴油后行汽油時，后行汽油嵌入前行柴油中，管道紊流輸送加劇了混油段的增長。

圖4 不同傾角下管道停輸前混油特性模擬結(jié)果

圖5 混油段中心濃度沿管道徑向分布圖

2.3 不同傾角下停輸后的數(shù)值模擬

1)當前行汽油后行柴油的管道停輸時，不同傾角下管道內(nèi)混油段混油特性模擬見圖6，混合油品濃度沿管道中心徑向分布見圖7。

處于高重力勢能的是質(zhì)量較輕的汽油，較重的柴油處于低重力勢能處，不同傾角下混油段沒有明顯的由于重力引發(fā)的對流情況，但管道內(nèi)剩余的紊流脈動和分子間的擴散作用使混油段擴散有明顯波動，隨著傾角增大，重力分量偏向軸向方向，混油濃度在管道中心徑向上趨于平穩(wěn)，混油段長度也隨之減小?；煊投坞S著停輸時間增長，混油段濃度逐漸分層且分層角度與管道傾斜角度基本一致，此時混油段長度維持穩(wěn)定，管道傾角增加對混油段增長起抑制作用。

圖6 前行汽油后行柴油時不同傾角下管道停輸后混油特性模擬

圖7 前行汽油后行柴油時不同傾角下停輸管道徑向混油濃度

2)當前行柴油后行汽油的管道停輸時，不同傾角下管道內(nèi)混油特性模擬見圖8?；煊蜐舛妊毓艿乐行妮S向分布見圖9。

前行柴油處于重力勢能高處，后行汽油處于重力勢能低處，未停輸時，混油段受重力的影響使柴油滲流到汽油液層之下，混油段長度比前行輸汽油后行輸柴油時長(見圖4)，不同傾角下管道中混油段長度大致相同。停輸1 s時，不同傾角下混油段長度差距不明顯，停輸3 s時，傾角越大，下沉到后行汽油中的混油頭越大，混油段擴散速度也越快，擴散范圍越廣，當傾角90°時，混油擴散方式略有不同，混油沿管壁向下延伸，在管道中心軸處，混油濃度相比其他傾角下反而較小，起始混油段長度比其他傾角時小，但混油段擴散速度明顯比其他傾角時快。因此在前行柴油后行汽油時，傾角增加對停輸管道混油段增長起促進作用。

圖8 前行柴油后行汽油時不同傾角下管道停輸后混油特性模擬

圖9 前行柴油后行汽油不同傾角下管道中心軸向混油濃度

3 結(jié)論

1)導致順序輸送管道停輸混油段增長的主要因素在于重力作用下油品間的密度差引起的自然對流，不考慮重力時，停輸管道混油量的增加主要是由于油品間濃度差導致的分子擴散造成的，這種混油量的增速緩慢，且在一段時間后，分子擴散達到極限，混油段長度將不再變化。

2)管道未停輸，前行汽油后行柴油時，柴油嵌入前行汽油中，混油段濃度分層基本與管道傾角一致，混油段長度隨傾角增大而略有減小;前行柴油后行汽油時，混油段長度和濃度變化不明顯，混油段濃度分布隨傾角增大而愈發(fā)均勻。傾角管道紊流輸送時，前行汽油后行柴油所形成的混油量比前行柴油后行汽油所形成混油量要多，這是由于前行輸柴油后行輸汽油時，后行汽油嵌入前行柴油中，管道紊流輸送又加劇了混油段的增長。

3)管道停輸后，前行汽油后行柴油時，傾角越大，混油段長度越小，混油段濃度分布越均勻，紊流脈動越不明顯，混油段濃度分層角度與管道傾角基本一致，傾角增加對停輸管道混油段增長起抑制作用;在前行柴油后行汽油時，柴油向下嵌入汽油中，混油形成自然對流，管道傾角越大，下嵌的混油頭濃度越大，混油段增速越快。

4)如需對輸送管道停輸時，使密度較小的油品處于重力勢能高處，密度較大的油品處于重力勢能低處，可以有效地減小停輸造成的混油量增大。

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中國石油工程建設(shè)公司海外再攬大單

阿爾及利亞首都阿爾及爾當?shù)貢r間2016年11月6日，中國石油工程建設(shè)公司與阿爾及利亞國家石油公司正式簽約阿爾及爾煉廠改擴建項目，項目合同簽約價5.6億美元。這是繼10月在伊拉克攬得殼牌2.8億美元工程大單之后，中國石油工程建設(shè)公司在國際市場開發(fā)上取得的又一亮眼成績。

阿爾及利亞國家石油公司是非洲第一大石油公司，其子公司阿爾及爾煉油廠始建于1964年，主要處理來自阿國南部沙漠地區(qū)的原油。2010年，隨著油價高企，阿爾及利亞為增加對歐洲及國內(nèi)市場的成品油供應，擬對煉廠的常壓蒸餾裝置、氣體廠、催化重整裝置等設(shè)施進行翻新改建，同時新建一些裝置，擴建后的年處理能力將達360×104t。

石油石化產(chǎn)品收入占阿國國家財政預算的95%、國際貿(mào)易收入的65%，是阿國重要經(jīng)濟命脈。在當前世界經(jīng)濟復蘇乏力、國際油價低谷徘徊的大環(huán)境下，阿爾及利亞也遭遇嚴重的經(jīng)濟發(fā)展問題。因此，阿國希望加快煉廠改擴建工程進度，盡快投產(chǎn)，增加石油石化產(chǎn)品的對外出口，減緩國際石油價格下跌對阿國經(jīng)濟的沖擊。

中國石油工程建設(shè)公司自2004年進入阿爾及利亞市場，先后成功實施了凝析油煉廠、圖瓦油田項目和水利部的水泵站項目，目前正在執(zhí)行阿爾及利亞國家石油公司油泵站項目。通過4個項目的實施，中國石油工程建設(shè)公司在阿國積累了豐富的EPC項目經(jīng)驗，憑借在工期、成本和質(zhì)量安全等方面的優(yōu)異業(yè)績和顯著優(yōu)勢，在阿國樹立了良好的品牌形象，成為受邀參加項目投標并最終戰(zhàn)勝韓國的三星、韓華等競爭對手，成功中標。

(曾妍摘自中國石油新聞網(wǎng))

10.3969/j．issn．1006－5539.2016.06.004

2016－05－27

中國石油科技創(chuàng)新基金(2015 D－5006－0603);長江青年科技創(chuàng)新團隊基金(2015 cqt 01)

何顯榮(1992－)，男，湖北荊州人，碩士研究生，主要從事多相輸送及流體傳質(zhì)傳熱。