原油顺序输送∏形管与支管混油段的分析

王 琪，施 雯，王 淳

原油顺序输送∏形管与支管混油段的分析

王 琪1，施 雯1，王 淳2

（1. 广东石油化工学院 广东 茂名 525000； 2. 中国石化销售有限公司辽宁石油分公司，辽宁 沈阳 110000）

针对目前原油顺序输送的混油问题，为了找出最佳切割点，已模拟了水平，竖直，停输等情况，但对于一些特殊管段的研究不够，通过模拟两种特殊管段－弯管补偿的∏形管和分支管二种情况。应用FLUENT软件以大庆和胜利油田油品为例建立原油管段顺序输送模型，得出了混油浓度变化图象和规律，即∏形管对混油有很大影响，增加了混油的长度存在拖尾现象，而分支管对混油的长度的影响较小可忽略不计。两种情况的结论分析有助于找出原油顺序输送的混油的最佳切割点。

顺序输送；混油段；∏形管；分支管；数值模拟

随着我国进口原油比例不断加大，各种原油之间所含杂质也大不一样，由此不同原油在炼化前的预处理工序也不一样，这就需要对不同原油进行分罐储存，因此，对热油管道顺序输送工艺的混油研究也是迫在眉睫。在热油管道的实际运行过程中，原油的切换在不同的弯头、法兰断面、泵阀的出口都极易形成混油；另外，管道的停输检修和间歇输送也是不可避免的，这不仅对正常切换油源带来极大的麻烦，同时还会对混油量产生较大的影响[1,2]。目前，对于特殊管段研究的很少，特别是对于热力补偿器∏形管和分支管的研究缺失，但其对于热油管道顺序输送中混油的形成和形态的变化具有实际的意义，同时还可为工程实际应用提供一定的理论指导。

1 物理模型

∏形管：热油管道的尺寸：弯管总长度L=20 m ，直径D=0.8 m，分5个直管段和4个弯头，5段直管各3.6 m，4个弯头各平均长0.5 m，弯头外圆直径1 m，内圆0.2 m,如图1左∏形管。

分支管：主管长度L=20 m ，直径D=0.8 m，支管直径0.6 m,如图1右分支管。

流动介质: 大庆原油和胜利原油等原油，操作温度为323 K原油的物理参数如表1所示:

前行油品：大庆；后行油品：胜利

2 数学模型

2.1 控制方程[3]

当以原油以流速 =2 m·s-1，管内流动为紊流。假设原油的粘性为常数、不可压流体，圆管光滑，则流动的控制方程如下

（1）质量守恒方程

（2）动量守恒方程

（3） 湍动能方程[4]：

2.2 定义混合组分相关物理性质

（1）密度[5]

混油段截面密度变化遵循简单的比例相加规律，即混油段密度为每种油品体积分数与其密度乘积之和

式中: ρA, ρB, ρM—分别为 A油品、B油品和混油的密度, kg·m-3；CB— B油品的体积分数。

（2）粘度

混油粘度不可以用简单的组分比例计算，但其组分仍接近于线性关系。

式中:VA，VB，VM—分别为 A油品、B油品和混油的运动粘度,m2·s-1；αA, αB— 待定因数。

（在本文中对于原油可取αA=0.819 9，αB=-0.896 4）。

3 ∏型弯管的混油

初始时刻开始输送第一种原油（大庆原油），到第10 s时刻第一种油品正好充满圆管模型，此时开始从入口输送第二种原油（柴胜利原油），一直到第20 s，第二种原油通过整个管道模型[6－8]结束。

在图2中，T =11 s, 两种油品交界处于直管段，通过对 Re的计算，流体处于紊流的状态，在紊流状态下交替输送油品时，沿管道截面的速度分布比层流均匀，紊流核心部分中流体的最大局部流速随雷诺数的增大而接近于液体的平均流速，一般是平均流速的1.18～1.25 倍。由于激烈的紊流扰动，使混油各截面上的油品浓度较为均匀，观察不到楔形油头的存在。T=12 s时弯管内的混油层正好到达第一个拐点，此时油品受到外转弯壁面的强大阻力，速度方向发生急剧变化，原本呈对称抛物线型的混油形态逐渐向内转弯一侧微微偏移；在拐弯之后，受到偏移的混油有头开始冲刷弯管外转弯壁面，在内转弯壁面出现一小段混油死角，如图T=13 s和T=14 s所示。由于死角内存留的前行油品很难被后行油品冲刷掉，同时根据能量守恒定律，对于一段油品而言，当它在壁面附近流动受到严重阻碍时，速度能头就会明显减小，为了保持总能量不变，壁面附近的流体动能将会大幅度向管内流体中心转移，导致管道中心油品速度能头大幅增加，大大加剧了混油长度。所以，在弯管内的混油经过拐弯之后，T=15 s，T=16 s，特别是T=17 s，T=18 s混油段再次进入竖直管段，胜利油品的密度大于大庆油品的密度使其混油速率加快[9]，所以在竖直段混油形态加剧，会变得更加细长，而且混油长度也会大幅增加。

4 分支管的混油

在分支管模拟实验中，如图3,T＝14 s和T＝15 s我们可以清晰的看到原来呈抛物线形状混油头由于顶部支管的分流作用，使部分混油进入支管内，于是混油头便被切割成两部分(如图,T＝16 s)，继续向前流动。在主管内，由于入口速度设为定值，由于中段的分流作用，速度减小，混油长度的变化率也明显减小；对于支管而言，由于流体方向的突然改变，则在原油冲刷的壁面另一侧形成混油死角(如图3,T＝17 s)。支管死角内的混油很难直接通过冲刷的方式除去，只能通过混油死角区域管壁处的回流作用，在后行油品中形成涡流并将其包围，在缓慢扩散、溶解中，逐渐将混油死角不断缩小至消失。

尽管在分支管内，顺序输送的油品会形成混油死角，而且在死油区消失之前会不断会有混油扩散出来，但是这些扩散出来的混油由于回流漩涡的存在，并不进入主管，只会沿着支管继续向前输送。因此对于主管而言，分支入口只是破坏了靠近分支一侧的混油形态，对混油长度的影响主要还是因支管分流导致的输送速度变化所引起，而混油死角内扩散出来的混油并不对主管产生影响(如图3,T＝18 s，T＝20 s)。在整个过程中在混油层的中心轴线位置，原油具有最大的流速，因此胜利油品能够以最快的速度朝轴向进行对流扩散，使混油头不断变细变长；而在管道的壁面位置，由于大庆油品与壁面存在着粘性附着力，在粘性附着力的作用下，壁面附近的大庆油品流动受到明显的阻碍，因此低流速下的大庆油品只能通过胜利油品的冲刷作用和径向对流扩散的形式缓慢除去，这就导致混油拖尾现象的产生。

5 结论与建议

根据数值模拟结果，对于π型弯管来说，管段对于混油产生很大的影响，增大了混油的长度，所以在判断切割点时要充分考虑它的因素影响。而对于支管来说对混油的影响很小在判断切割时可以忽略其影响。

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［7］ 赵会军, 张青松, 张国忠,等. 基于PHOENICS 的顺序输送大落差管道混油研究[J] . 江汉石油学院学报, 2008, 28(4) : 139-142.

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Analysis on Mixed Oil Segment in ∏ Shape Pipe and Branch Pipe During Batch Transportation of Crude Oil

WANG Qi1,SHI Wen1,WANG Chun2
（1. Guangdong Petroleum and Chemical College, Guangdong Maoming 525000, China; 2. Sinopec Sales Co., Ltd. Liaoning Branch, Liaoning Shenyang 110000，China）

For the problem of contamination in batch transportation of crude oil, simulation of the contamination in horizontal pipe and vertical pipe or during shutdown has been carried out in order to find out the best cutting point, but research on the contamination in special pipe section is not enough. In this paper, the contamination in two kinds of special sections including ∏ shape pipe and branch pipe was simulated with Daqing and Shengli crude oil as samples by FLUENT software, the crude oil batch transportation model was established, mixed oil concentration change image and laws were obtained. The results show that the ∏ shape tube has a great influence on the contamination, it can increase the length of the mixed oil and cause trailing phenomenon; influence of the branch pipe to the length of mixed oil is negligible. The conclusion of two cases can contribute to finding the best cutting point.

Batch transportation; Mixed oil segment; ∏shape pipe; Branch pipe; Numerical simulation

TE 832

： A

： 1671-0460（2015）05-1120-03

2014-11-14

王琪（1982-），女，广东茂名人，讲师，硕士，2005年毕业于辽宁石油化工大学油气储运专业，研究方向：从事油气储运教师工作。E-mail：13790914645@163.com。