支线作业对主管线运行工况影响的数值模拟

王文武，刘德俊

模拟与计算

支线作业对主管线运行工况影响的数值模拟

王文武，刘德俊

（辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001）

顺序输送成品油管道先后所输油品物性互异，由于不同地区对能源的需求存在差异，沿线存在分输或注入的支管。当支线进行作业时，支线以后的主管道油品流速及压力等运行工况将发生变化。应用软件对算例进行模拟，分析不同的分输或注入量对支点后的主管道运行工况的影响。为今后顺序输送管道的投产运行提供理论依据。

顺序输送；支线作业；运行工况；影响；数值模拟

由于顺序输送[1,4]管线先后输送物性不同的油品，沿线不同炼油厂将沿途输入或输出一定量的成品油[5]，输入或输出油品量的大小影响着前行油品的运行参数，输出量过多会导致油品混油段[6]的增加，从而将带来一定的经济损失。当不存在支线运行时，各管段的运行工况一定。随着社会的发展，各地区对能源的需求不同，导致顺序输送主管线存在分输或注入的支线较多，当分输或注入后行油品时，将使分输点或注入点之后的管内压力及速度场发生变化。通过对分输或注入某后行油品时管内前行油品的变化进行数值模拟，得出前行油品的压力及流速的变化情况。顺序输送管道所输油品是直接进入市场的成品油，对油品的质量有严格要求，所以准确分析分输或注入后行油品对其前行油品运行参数影响具有重要意义。

1 建立模型

1.1物理模型

以输送0#柴油[7]管道为研究对象，主管道直径为500 mm，长10 m，流速为2 m/s,支管直径为200 mm，长2 m，流速为1 m/s,对模型进行四边形网格划分，如图1、2、3。

图1 无分支二维管道网格划分模型Fig.1 Two dimensional mesh model of pipeline without branch

图2 存在一个分支的二维管道网格划分模型Fig.2 Two dimensional mesh model of pipeline with one branch

图3 存在两个分支的二维管道网格划分模型Fig.3 Two dimensional mesh model of pipeline with two branches

1.2 数学模型

管道输送油品控制方程包括动量方程、连续性方程[8]，管内油品流态为湍流，运用k–ε方程[9]湍流模型模拟管道在不同数量分支时的运行情况，考虑到油流近壁面的粘性效应，在近壁面处建立了流动边界层。

由于管道模型模拟水平状态的运行参数，故不考虑由重力方向的参数变化，动量方程如下：

式中：ρ为流体密度，kg/m³；μ为流体的动力粘度，Pa·s；υ为速度矢量，m/s；p为液体内应力张量，Pa。

连续性方程：

式中：υx为x方向速度矢量，m/s；υy为y方向速度矢量，m/s。

k–ε运输方程：

式中：Gk为因平均速度梯度引起的湍流动能产生项；Gb为因浮力影响引起的湍流动能产生项；YM为可压缩湍流脉动对总的耗散率的影响；μt为湍流粘度，Pa·s；υi、υj为时均速度，m/s；C1ε、C2ε、C3ε为经验常数，默认值分别为1.44、1.92、0.09；Sε、SK为用户定义的源项。

1.3 初始条件及边界条件

3种模型的主管道流速均为2 m/s，支管流速为1 m/s，由于模拟的只有水平方向，所以不考虑重力引起的参数变化，管道入口采用velocity-inlet边界[10]，出口采用outflow边界。

2 数值模拟结果及分析

2.1 无支管的主管线

管内流速为2 m/s，0#柴油管道运行稳定时的压力云图见图4，压力变化曲线见图5。由图4、图5可以看出，当无支管的管线运行时压力基本呈线性变化。

图4 0#柴油管道运行稳定时的压力云图Fig.4 Drawing of 0# diesel oil pipeline pressure during stable running

图5 0#柴油管道运行稳定时的压力曲线图Fig.5 Curve of 0# diesel oil pipeline pressure during stable running

2.2 有一根支管的主管线

图6 有一根支管的0#柴油管道运行稳定时的压力云图Fig.6 Drawing of 0# diesel oil pressure in pipeline with one branch during stable running

图7 有一根支管的0#柴油管道运行稳定时压力曲线图Fig.7 Curve of 0# diesel oil pressure in pipeline with one branch during stable running

干管流速为2 m/s，支管流速为1 m/s，0#柴油管道运行稳定时的压力云图见图 6，压力变化曲线见图7。由图6、图7可以看出，在支管附近的后行段油品压力值逐渐增加，对应支管位置的压力骤增，随后压力呈直线下降直至趋于平稳。

2.3 有两根支管的主管线

图8 有两根支管的0#柴油管道运行稳定时的压力云图Fig.8 Drawing of 0# diesel oil pressure in pipeline with two branches during stable running

干管流速为2 m/s，支管流速为1 m/s，0#柴油管道运行稳定时的压力云图见图 8，压力变化曲线见图9。由图8、图9可以得出，在各支管附近的后行段油品压力值均逐渐增加，对应支管位置的压力都瞬间骤增，随后压力呈直线下降直至趋于平稳。

3 结 论

通过对单根主管线、存在一根支管线及两根支管线的输油管道进行数值模拟可以得出：

（1）只有干管运行时，压力变化基本成线性逐渐下降，压力变化趋于稳定。

（2）有一根支管的干管运行时，支管处的压力突然增大，之后又在反作用力的作用下压力骤然下降，之后又逐渐上升直至趋于平稳变化。

（3）有两根支管的干管运行时，各个支管处的压力分别突然增大，之后又在反作用力的作用下压力骤然下降，之后又逐渐呈大幅度波动着上升直至趋于平稳变化。

图9 0#柴油管道运行稳定时的压力曲线图Fig.9 Curve of 0# diesel oil pressure in pipeline with two branches during stable running

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Impact of Oil Branch Pipeline Operation on Running Properties of Main Pipeline

WANG Wen-wu, LIU De-jun
(College of Petroleum Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China)

There are different oil products in running of sequential transportation pipeline, and these branch pipelines are used to subtract some oil from the main pipeline or trickle some oil into the main pipeline due to the different demand between different regions. When these branch pipelines work, the flow velocity and pressure in the main pipeline behind the branches will change. In this paper, the software was used to simulate the examples, effect of branch pipelines running on the main pipeline was analyzed, which could provide theoretical basis for planning sequential transportation scheme.

Sequential transportation; Branch pipeline operation; Running properties; Impact; Mathematical simulation

TE 832

： A

： 1671-0460（2015）03-0783-03

2014-11-12

王文武（1975-），男，辽宁抚顺人，讲师，硕士，2006年毕业于兰州理工大学结构工程专业，土木工程方向：从事教学工作。E-mail：41116521@qq.com。