不同倾角下成品油顺序输送混油数值模拟

何显荣 张引弟 杨建平 伍丽娟

1．长江大学石油工程学院，湖北武汉430100;

2．中国石油辽河油田公司SAGD开发项目管理部，辽宁盘锦124010

不同倾角下成品油顺序输送混油数值模拟

何显荣1张引弟1杨建平2伍丽娟1

1．长江大学石油工程学院，湖北武汉430100;

2．中国石油辽河油田公司SAGD开发项目管理部，辽宁盘锦124010

为了能更好地认识管道成品油顺序输送停输时混油段变化特性，应用Fluent软件组分输送模型，对不同倾角下的成品油顺序输送停输进行了数值模拟，并对模拟结果和导出数据进行分析。研究结果表明:停输时，重力和油品间的密度差是造成混油段特性变化的主要因素，管道倾角越大，柴油在重力势能高处时产生的自然对流使混油段长度明显增大且所需时间更短，汽油在重力势能高处时，管道倾角的增大对混油段的增加有抑制作用且混油段浓度分层与管道倾角一致。研究结果对减少和预防停输时混油段的产生和增加有一定借鉴作用。

顺序输送;停输;不同倾角;混油特性;数值模拟

0 前言

成品油顺序输送过程中由于种种原因会造成管道停输［1－2］，而输送管道常经过地形复杂有较大落差的地段［3］，一般为减少混油段产生，管道会在紊流状态下运行，其雷诺数一般大于104［4－5］。而当管道停输时，管道内油品容易出现层流［6］，管道中心区域与管壁附近流速差增加，使混油段增加［7］，如苏联的古比雪夫—勃克斯克成品油管段，停输几小时的混油量比连续输送216 h形成的混油量还要多1倍［8］。而在不同倾角和输送顺序下，油品间由于物性参数不同会使混油特性发生怎样变化。在前人研究中，对管道顺序输送模拟大多采用VOF模型［9－11］，此模型多适用于两种不同相态流体存在自由分界面的流动情况模拟，对两种相同相态油品间混油特性的模拟效果并不理想［12］。针对以上问题，本文采用Fluent软件组分输送(Species Transport)模型，建立了成品油顺序输送控制方程，就不同倾角和输送顺序下管道停输对混油段特性进行模拟分析，对管道停输时混油段的控制提供理论指导。

1 模型建立

1.1 数学模型

管道中混油浓度分布随时间而变化，故对管道紊流计算采用雷诺时均法［13］，通过Boussinesq假设，引入脉动造成的Reynolds应力和质量输送流率。选用物质扩散模型，在考虑重力条件下，建立管道输送与停输的时均控制方程组求得。

1.1.1 连续性方程

1.1.3 质量输送方程

式中:xi、xj为空间坐标;ui、uj为空间时均速度变量，m/s; u'i、u'j为脉动速度分量，m/s;ρ为密度，kg/m3;gi为质量力矢量，m/s2;P为压力，Pa;μ为层流动力黏度，Pa· s;c'为前行油品脉动浓度，%;c为前行油品的体积时均浓度，%;Pri(c)为层流Schmidt数。

1.1.4 物质扩散模型

Fluent中对物质扩散守恒方程求解i组分的质量扩散速率的方程［14］为:

式中:μt为紊流黏度，Pa·s;Di，m为物质i的扩散系数; Sct为紊流Schmidt数，默认值取0.7;γi为物质i的质量分数，%。

式(1)～(4)应用于Fluent软件中，对不同倾角下管道混油停输工况进行模拟计算。

1.2 物理模型

“哦，翠丝，僵尸人吧？”艾瑞克说着，突然咧嘴假笑了一下，这笑扯动唇环，环孔一下子被拉宽了，那样子让我畏缩了一下，“我倒要看看，你能撑多久。”

本文主要讨论在不同倾角下停输管道中混油段变化特性的影响，以管径为0.5 m，管长为10 m的管道作为研究对象，在倾角下管道内油品的重力分解图见图1。

图1 倾角下管道内油品重力分解图

1.3 油品参数

以常见的0#柴油和90#汽油作为输送油品［15］，其物性参数见表1。

表1 油品物性参数

2 数值模拟

利用Fluent软件模拟组分为成品汽油和柴油的顺序输送，应用PISO算法实现对压力速度耦合数值计算求解，选择双方程湍流模型及标准固壁无滑移边界条件，默认操作压力，忽略温度影响。管道进口条件设为速度进口，速度均设为1 m/s;管道出口条件设为自由出口。不同倾角下重力因素的影响由x、y轴的重力分量替代。在前行油品充满管道的情况下，输送后行油品。油品初始速度均为1 m/s，考虑重力因素(不同倾角下)。当混油段行进至管内3 m时，油品停止输送(设此时t=0 s)。

2.1 有无重力下管道停输模拟

首先研究重力对混油特性在水平管内的变化情况，先输汽油后输柴油。管道充满汽油后，柴油在管道内行进3 s时停输(t=0 s)，混油变化情况和混油浓度分布见图2。

图2 有无重力下水平管道各时间点的停输模拟

由图2知，不考虑重力的情况下未停输t1=0 s时，在混油段任一截面的中心部位，浓度分布都较均匀，管壁处的层流边界层存在较大浓度梯度，与理论描述一致［16－17］，停输后，由于浓度差导致分子扩散作用明显，混油沿径向和轴向具有浓度差的地方进行扩散，管壁处的层流边界层浓度梯度逐渐平衡，混油段径向浓度差逐渐减小，整个混油段变得均匀，混油段长度逐渐增长一段时间后停止;考虑重力的情况下未停输t2=0 s时，由于重力和不同油品间密度差，使得密度大的后行柴油下沉，密度小的前行汽油上浮，停输t2=5 s时，这种对流效果更加明显，很快就在管内形成较长的混油段。

为了更清晰地体现混油浓度沿管线的分布情况，有无重力因素管道停输时，混合油品沿管道中心轴向分布浓度从模拟结果中导出。

图3为混合油品沿管道中心轴向分布浓度，图3中无重力停输t1=5 s时，混油段由于惯性作用，混油段浓度还往前运行了一小段，而在停输t1=10 s后，管道内剩余紊流波动消失，油品逐渐稳定，依靠浓度差的分子扩散作用，两种油品之间开始向管内四周进行分子扩散，t1=20 s之后，混油沿管道中心轴向浓度曲线基本不再发生变化，扩散速率随时间延长逐渐平缓，这是因为分子扩散所引起的浓度变化已近极限;有重力停输t2=0 s时，混油沿管道中心轴向浓度相比同时刻无重力情况时，混油段前部浓度大，后部浓度小，这是因为重力使前行汽油上浮后行柴油下沉，混油段延长，混油浓度特性倾斜，在停输后，这种依靠重力作用产生的对流效果愈发明显，在t2=3、5 s时，管道内混油沿管道中心轴向浓度迅速扩散且增幅明显，说明停输时重力对混油量的影响很大，有必要进行详细分析。

图3 混合油品沿管道中心轴向分布浓度

2.2 不同倾角下未停输的数值模拟

不同倾角下，油品顺序输送未停输时，混油段特性也有所不同。模拟了倾角为30°、45°、60°、90°下管道未停输的情况，混合油品浓度沿混油管道中心径向分布，模拟结果见图4～5。

前行汽油后行柴油未停输时，后行柴油向下嵌入前行汽油中，随着倾角增大，重力在管道径向的作用力逐渐减弱，使得柴油沿管道径向下沉嵌入汽油的趋势减小，混油段浓度在管道中心径向上越均匀，混油段浓度分层与管道倾角角度大体一致，混油段长度随倾角增大略有减小;前行柴油后行汽油未停输时，后行汽油上浮嵌入到前行柴油中，混油头偏离管道中心，在不同倾角下，混油尾长度和浓度变化并不明显，说明重力对紊流输送时的影响很小，这与理论一致［18－20］，倾角为90°时，混油浓度沿管道截面分布均匀，与前行汽油后行柴油的情况相比，由于柴油的黏度比汽油大得多，在管壁边界层处浓度变化梯度明显。

两种输送顺序下对比可知，在有倾角的紊流输送时，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，这是由于前行柴油后行汽油时，后行汽油嵌入前行柴油中，管道紊流输送加剧了混油段的增长。

图4 不同倾角下管道停输前混油特性模拟结果

图5 混油段中心浓度沿管道径向分布图

2.3 不同倾角下停输后的数值模拟

1)当前行汽油后行柴油的管道停输时，不同倾角下管道内混油段混油特性模拟见图6，混合油品浓度沿管道中心径向分布见图7。

处于高重力势能的是质量较轻的汽油，较重的柴油处于低重力势能处，不同倾角下混油段没有明显的由于重力引发的对流情况，但管道内剩余的紊流脉动和分子间的扩散作用使混油段扩散有明显波动，随着倾角增大，重力分量偏向轴向方向，混油浓度在管道中心径向上趋于平稳，混油段长度也随之减小。混油段随着停输时间增长，混油段浓度逐渐分层且分层角度与管道倾斜角度基本一致，此时混油段长度维持稳定，管道倾角增加对混油段增长起抑制作用。

图6 前行汽油后行柴油时不同倾角下管道停输后混油特性模拟

图7 前行汽油后行柴油时不同倾角下停输管道径向混油浓度

2)当前行柴油后行汽油的管道停输时，不同倾角下管道内混油特性模拟见图8。混油浓度沿管道中心轴向分布见图9。

前行柴油处于重力势能高处，后行汽油处于重力势能低处，未停输时，混油段受重力的影响使柴油渗流到汽油液层之下，混油段长度比前行输汽油后行输柴油时长(见图4)，不同倾角下管道中混油段长度大致相同。停输1 s时，不同倾角下混油段长度差距不明显，停输3 s时，倾角越大，下沉到后行汽油中的混油头越大，混油段扩散速度也越快，扩散范围越广，当倾角90°时，混油扩散方式略有不同，混油沿管壁向下延伸，在管道中心轴处，混油浓度相比其他倾角下反而较小，起始混油段长度比其他倾角时小，但混油段扩散速度明显比其他倾角时快。因此在前行柴油后行汽油时，倾角增加对停输管道混油段增长起促进作用。

图8 前行柴油后行汽油时不同倾角下管道停输后混油特性模拟

图9 前行柴油后行汽油不同倾角下管道中心轴向混油浓度

3 结论

1)导致顺序输送管道停输混油段增长的主要因素在于重力作用下油品间的密度差引起的自然对流，不考虑重力时，停输管道混油量的增加主要是由于油品间浓度差导致的分子扩散造成的，这种混油量的增速缓慢，且在一段时间后，分子扩散达到极限，混油段长度将不再变化。

2)管道未停输，前行汽油后行柴油时，柴油嵌入前行汽油中，混油段浓度分层基本与管道倾角一致，混油段长度随倾角增大而略有减小;前行柴油后行汽油时，混油段长度和浓度变化不明显，混油段浓度分布随倾角增大而愈发均匀。倾角管道紊流输送时，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，这是由于前行输柴油后行输汽油时，后行汽油嵌入前行柴油中，管道紊流输送又加剧了混油段的增长。

3)管道停输后，前行汽油后行柴油时，倾角越大，混油段长度越小，混油段浓度分布越均匀，紊流脉动越不明显，混油段浓度分层角度与管道倾角基本一致，倾角增加对停输管道混油段增长起抑制作用;在前行柴油后行汽油时，柴油向下嵌入汽油中，混油形成自然对流，管道倾角越大，下嵌的混油头浓度越大，混油段增速越快。

4)如需对输送管道停输时，使密度较小的油品处于重力势能高处，密度较大的油品处于重力势能低处，可以有效地减小停输造成的混油量增大。

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中国石油工程建设公司海外再揽大单

阿尔及利亚首都阿尔及尔当地时间2016年11月6日，中国石油工程建设公司与阿尔及利亚国家石油公司正式签约阿尔及尔炼厂改扩建项目，项目合同签约价5.6亿美元。这是继10月在伊拉克揽得壳牌2.8亿美元工程大单之后，中国石油工程建设公司在国际市场开发上取得的又一亮眼成绩。

阿尔及利亚国家石油公司是非洲第一大石油公司，其子公司阿尔及尔炼油厂始建于1964年，主要处理来自阿国南部沙漠地区的原油。2010年，随着油价高企，阿尔及利亚为增加对欧洲及国内市场的成品油供应，拟对炼厂的常压蒸馏装置、气体厂、催化重整装置等设施进行翻新改建，同时新建一些装置，扩建后的年处理能力将达360×104t。

石油石化产品收入占阿国国家财政预算的95%、国际贸易收入的65%，是阿国重要经济命脉。在当前世界经济复苏乏力、国际油价低谷徘徊的大环境下，阿尔及利亚也遭遇严重的经济发展问题。因此，阿国希望加快炼厂改扩建工程进度，尽快投产，增加石油石化产品的对外出口，减缓国际石油价格下跌对阿国经济的冲击。

中国石油工程建设公司自2004年进入阿尔及利亚市场，先后成功实施了凝析油炼厂、图瓦油田项目和水利部的水泵站项目，目前正在执行阿尔及利亚国家石油公司油泵站项目。通过4个项目的实施，中国石油工程建设公司在阿国积累了丰富的EPC项目经验，凭借在工期、成本和质量安全等方面的优异业绩和显著优势，在阿国树立了良好的品牌形象，成为受邀参加项目投标并最终战胜韩国的三星、韩华等竞争对手，成功中标。

(曾妍摘自中国石油新闻网)

10.3969/j．issn．1006－5539.2016.06.004

2016－05－27

中国石油科技创新基金(2015 D－5006－0603);长江青年科技创新团队基金(2015 cqt 01)

何显荣(1992－)，男，湖北荆州人，硕士研究生，主要从事多相输送及流体传质传热。