顺序输送混油规律的数值模拟

代堪亮，吴 明，王金汉，杨 柳，王 雷，高艳波，杜义朋，张纯静, 姚 尧

（1. 辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001； 2. 中国石油管道公司 沈阳调度中心，辽宁 沈阳 110031；3. 中国石油天然气股份有限公司抚顺石化分公司石油二厂, 辽宁 抚顺 113001）

CB—油品B的体积分数；

顺序输送混油规律的数值模拟

代堪亮1，吴 明1，王金汉2，杨 柳3，王 雷1，高艳波1，杜义朋1，张纯静1, 姚 尧1

（1. 辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001； 2. 中国石油管道公司 沈阳调度中心，辽宁 沈阳 110031；3. 中国石油天然气股份有限公司抚顺石化分公司石油二厂, 辽宁 抚顺 113001）

基于CFD中多相流（VOF）模型，采用有限体积法，建立了重油前轻油后及重油后轻油前顺序输送混油模型。以柴油和汽油为例，分别在0º、30º、45º、60º及90º 5种管道倾角情况下进行了数值模拟。研究表明：柴油前行，随着倾角的增加，混油带逐渐增加；汽油前行，随着倾角的增加，混油带逐渐缩短；柴油前行的混油带大于汽油前行的混油带；实际生产中，对于不同倾角管道顺序输送宜采用轻油在前、重油在后的顺序。

顺序输送；混油规律；多相流模型；数值模拟

当今社会输油管道单一油品的输送已经无法满足经济发展的需求，因此单一管道顺序输送多种油品已经成为一种主要的输油方式。在满足经济需求的同时，顺序输送过程愈发复杂，因此掌握输油管道顺序输送的运行规律（尤其是混油浓度的规律），对提高管道输送的安全运行、经济运行有着重要的现实意义。

国内外学者对混油过程进行了大量研究：Austin和Palfrey采集了大量的实验数据总结出Austin-Palfrey混油经验公式[1]；Freitas Rachid F.B.等人提出了一个新的计算混油模型，该模型考虑了流速随时间的变化以及管径的变化，得到了采用更加精确的轴向有效分散系数[2,3]；黄淑女运用扩散理论和Austin-Palfrey混油经验公式建立了不同管径下计算混油量的新模型[4];康正凌分析了重力对倾斜管道混油过程的影响[5]；赵会军运用PHOENICS对顺序输送大落差管道混油进行了研究[6]；杜明俊对冷热原油顺序输送过程混油浓度进行了数值模拟[7]；夏增艳建立了二维对流扩散模型，对顺序输送混油过程进行了数值分析，得到了不同流速下的顺序输送规律[8];钱宇分析了停输对冷热原油顺序输送混油的影响[9]；高清江分析了靖咸大落差成品油管道顺序输送的特点[10]。然而鲜有文献研究管道不同倾斜角度对成品油顺序输送过程混油规律的影响。基于此，本文针对不同倾角成品油管道顺序输送过程中混油规律这一问题，基于CFD中多相流（VOF）模型，利用有限体积法，分别对重油前轻油后及重油后轻油前顺序输送问题，在0°、30°、45°、60°及90°五种倾角管道情况下进行了数值模拟分析，以期为实际生产、设计提供一定的理论依据。

1 模型建立

1.1 物理模型的建立

选取管道与地面夹角0°、30°、45°、60°和90°(即图1中A、B、C、D、E 5种情况)5种情况建立模型并进行数值模拟，模拟区域采用四面体网格划分，考虑边界层影响，并进行局部加密进行网格划分，经检查后发现无负网格且分布合理，具体如图1所示。

图1 输油管道计算区域三维物理模型Fig.1 Three-dimensional physical model of calculation area of pipeline

1.2 数学模型的建立

1.2.1 控制方程

1.2.2 边界条件

入口边界：选择速度作为入口边界条件，并假设入口处截面速度均匀分布且垂直该面；

出口边界：选择自由出流作为出口边界条件。

1.2.3 初始条件

（1）重油前轻油后

选择重油作为基本相且体积比为1，轻油为第二相且体积比为0，待重油运行一段时间后，变换重油体积比为0，轻油体积比为1，继续计算实现顺序输送过程；

（2）轻油前重油后

选择轻油作为基本相且体积比为1，重油为第二相且体积比为0，待轻油运行一段时间后，变换轻油体积比为0，重油体积比为1，继续计算实现顺序输送过程。

1.2.4 物性参数的设置

（1）混油密度 在顺序输送过程中，混油带的密度变化规律遵循比例相加定律，即：

（2）混油粘度 在顺序输送过程中，混油粘度不能直接按比例计算，但组分接近线性关系[11]，具体公式如下：

其中：ρA、ρB、ρM—油品A、B和混油的密度，kg/m3；

CB—油品B的体积分数；

vA、vB、vM—分别为油品A、B和混油的运动粘度，m2/s；

aA、aB—为待定因子。

2 算例分析

模拟管长为10 m，管径为0.5 m，选取汽油和柴油两种油品进行顺序输送模拟，流速为1 m/s，两种油品具体物理参数如表1所示。

表1 两种油品的物理参数Table 1 Physical parameters of two kinds of oil

2.1 柴油前汽油后

分别针对0°、30°、45°、60°和90°进行了数值模拟，具体混油浓度如图2—图6。当倾角为0°时，随着时间的增加混油段呈狭长区域，尖锥状，且锥尖贴近上管壁，当汽油输送8 s时，汽油尖端已经接近管道尾部。此现象是由粘性力影响产生速度边界层，在边界层内，靠近管壁处速度逐渐减小，因而当柴油流过留有一定的柴油薄层，而汽油粘度小于柴油，柴油惯性大，因此仅带走柴油速度边界层内的一部分柴油，所以呈现狭长区域。随着倾角的逐渐增大，30°、45°和60°呈现出于0°近似的现象，混油区域狭长，尖锥状，锥尖靠近上管壁，所不同的是混油区域逐渐变长，主要是重力的影响。对于倾角90°时，随着运行时间的增加，混油带逐渐加长，重力方向和输油方向相同使得惯性大的柴油被带走较少部分，以及受粘性影响呈现出中间浓度大、四周小的现象，并呈均匀分布态势。

图2 倾角0°时混油浓度分布图Fig.2 Contaminated concentration distribution of inclination 0°

图3 倾角30°时混油浓度分布图Fig.3 Contaminated concentration distribution of inclination 30°

图4 倾角45°时混油浓度分布图Fig.4 Contaminated concentration distribution of inclination 45°

图5 倾角60°时混油浓度分布图Fig.5 Contaminated concentration distribution of inclination 60°

图6 倾角90°时混油浓度分布图Fig.6 Contaminated concentration distribution of inclination 90°

2.2 柴油后汽油前

分别针对0°、30°、45°、60°和90°进行了数值模拟，具体混油浓度如图7—图11。当倾角为0°时，随着输送时间的增加混油段呈现狭长区域，当汽油输送8s时，柴油尖端已经接近管道尾部。此现象是由于粘性力影响产生速度边界层，在边界层内，靠近管壁处速度逐渐减小，因而当汽油流过留有一定的汽油薄层，而汽油粘度小于柴油，带走靠近管道下部汽油速度边界层内的较多汽油，所以呈现狭长区域小于柴油前汽油后输送情况；在柴油中心区域速度等于来流速度，靠近管壁由于速度边界层的影响，使得速度逐渐减小，呈现出中间大、四周小的尖锥状；此外汽油密度小于柴油密度，加之重力影响导致速度边界层内汽油薄层较多汽油被柴油带走，进而呈现尖锥部靠近下管壁。随着倾角的逐渐增大，30°、45°和60°呈现出混油现象较相似，混油区域远小于0°情况。对于倾角90°时，随着运行时间的增加，混油量逐渐增多，但是混油带逐渐小于前4种情况，重力方向和输油方向相同使得惯性小的汽油被带走较大部分，以及受粘性的影响呈现出中间浓度大、四周小的现象，并呈均匀分布态势。

图7 倾角0°时混油浓度分布图Fig.7 Contaminated concentration distribution of inclination 0°

图8 倾角30°时混油浓度分布图Fig.8 Contaminated concentration distribution of inclination 30°

图9 倾角45°时混油浓度分布图Fig.9 Contaminated concentration distribution of inclination 45°

图10 倾角60°时混油浓度分布图Fig.10 Contaminated concentration distribution of inclination 60°

图11 倾角90°时混油浓度分布图Fig.11 Contaminated concentration distribution of inclination 90°

2.3 平均截面浓度

限于篇幅，本文仅以0°和90°倾角管道、不同的输油顺序进行浓度分析，如图12、图13所示。由图12可知，对于0°倾角管道，柴油前行混油浓度大于汽油前行混油浓度，这是由于柴油惯性力大、粘度大，加之重力影响，使得边界层内柴油被带走的量较少，汽油切入量较多，致使混油量大；而汽油前行恰恰相反，因而出现柴油前行混油浓度大于汽油前行混油浓度。

图12 倾角0°时各截面平均浓度曲线图Fig.12 Inclination 0° cross-section average concentration curve

对于90°倾角管道，受重力影响较大，对比0 °倾角管道，后者混油带较短，且柴油前行在前7米混油密度远大于汽油前行，而后出现汽油前行混油浓度大于柴油前行。这是因为柴油惯性力大、粘度大，加之重力影响较大，使得靠近边界层内油品被带走量较少，而汽油前行时，惯性力小、粘度小，大部分汽油被带走，因而出现柴油前行混油浓度大于汽油前行混油浓度。

图13 倾角90°时各截面平均浓度曲线图Fig.13 Inclination 90° cross-section average concentration curve

3 结 论

本文基于CFD中多相流（VOF）模型，利用有限体积法，建立了顺序输送混油模型，分别对柴油前汽油后输送与柴油后汽油前输送，在0°、30°、45°、60°及90°5种倾角管道情况下进行了混油数值模拟，研究表明：

（1）柴油前行，五种倾角输油管道混油带均呈狭长区域，随着倾角的增加，混油带逐渐增加，0 °、30°、45°和60°倾角管道混油带分布不均匀，靠近上管壁，而90°倾角管道混油带分布均匀；

（2）汽油前行，0°倾角管道混油带较长，随着倾角的增加，30°、45°和60°倾角管道的混油带逐渐缩短，且分布不均匀，靠近下管壁，90°倾角管道混油带最短，混油带分布均匀；

（3）柴油前行的混油带大于汽油前行的混油带；

（4）对于不同倾角顺序输送管道，宜采用重油后行，轻油前行，使得混油带降到最小，达到最优的目的。

［1］杨莜蘅,张国忠.输油管道设计与管理[M].北京:石油大学出版社,1996,161-185.

［2］Freitas Rachid F B, Carneriro de Araujo J H, Baptista R M. Predicting mixing volumes in serial transport in pipelines [J]. Journal of Fluids Engineering, 2002,124(2):528-534.

［3］De Freitas Rachid, Felipe Bastos, Carneiro De Araujo, et al. The influence of pipeline diameter variation on the mixing volume in batch transfers[J].International Pipeline Conference, ASME, 2002,5:997-1004.

［4］黄淑女,杨承汉.成品油管道顺序输送变管径混油量的计算[J].油气储运, 2005, 24(9):26-28.

［5］康正凌,宫敬,严大凡.管道顺序输送高差混油研究[J].石油学报,2003, 24(4): 94-98.

［6］赵会军,等.基于PHOENICS的顺序输送大落差管道混油研究[J].石油天然气学报,2006,28(4):139-143.

［7］杜明俊,马贵阳,许丹,等.冷热原油顺序输送过程混油浓度的数值模拟[J].油气储运,2010, 29(10): 730-733.

［8］夏增艳,刘青泉.顺序输送混油过程的二维数值分析[J].力学与实践, 2010, 32(6): 13-17.

［9］钱宇,吴明,杜明俊.停输对冷热原油顺序输送混油影响的数值模拟[J].辽宁石油化工大学学报,2011,31(1): 36-39.

［10］高江青,王岳,王飞飞,等.靖咸大落差成品油管道顺序输送的特点[J].管道技术与设备,2010,(2):4-6.

［11］蒋仕章,蒲家宁.管道顺序输送混油粘度的计算与分析[J].管道技术与设备,2003,(3):39-41.

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，辽宁抚顺人，辽宁石油化工大学在读硕士，研究方向：油品的顺序输送。E-mail：dkl_miao@163.com。