成品油顺序输送过程模拟

成品油顺序输送过程模拟成品油顺序输送过程模拟 储祥萍 于达 宫敬 摘摘 要要 成品油顺序输送必然会形成混油段 选择合理的输油方案是减少 混油的基本措施 运用计算机对不同的输油方案进行模拟分析是选择合理输油 方案的有效方法 分析了顺序输送过程中管路水力特性的变化过程 建立了水 力分析的数学模型 并开发了通用的顺序输送过程模拟软件 通过算例说明了 该软件的实际应用意义 主题词主题词 成品油管道 顺序输送 数学模型 模拟 成品油管道在顺序输送过程中 不同牌号的油品形成各自的油段 各油段 因密度和粘度的差异导致了油段间能耗的不同 而且随着油品的流动 管内各 不同牌号油品的比例也在不断发生变化 使管道系统的工艺参数始终处于不稳 定状态 一般管输的流速为 1 2 m s 而管道的长度多为几百公里甚至更长 就整体而言 管道内各种油品比例的变化是缓慢的 其不稳定过程是一个缓变 的过程 即准稳态过程 因此 顺序输送管道的水力分析的难度和复杂性高于 单介质管道 一 数学模型一 数学模型 由于顺序输送过程是一个不稳定的过程 因此采用分时步模拟方法 把模 拟过程分成若干时步 每个时步内的过程看成是一个稳定的过程 现以管道最 大流量为前提 建立数学模型 最大流量是指在每一个时步内 管道在满足约 束条件下的最小节流状态的流量 其约束条件是 泵站和管路的能量平衡 各 泵站的进站压力大于或等于最小允许值 Psmin 各泵站的出站压力小于或等于最 大允许值 Pdmax 为了满足输油工艺的变化 在模型中考虑了如下工况 在预定位置定流 量连续注放油 压力越站 变管径 串联泵组合和并联泵组合 转速 调节 阀门调节 启停泵调节 1 串联泵机组模型描述 本模型假设各注放油点的流量为常数 设 Q 为某时 刻首站流量 Qf i 表示第 i 站注油或放油 那么第 i 站的流量为 Q Qf i 如果 Qf i Qf i 1 0 表示第 i 站注油 且注油量为 Qf i Qf i 1 如果 Qf i Qf i 1 0 表示第 i 站放油 且放 油量为 Qf i 1 Qf i 如果 Qf i Qf i 1 表示第 i 站无注放油 1 能量平衡方程 能量平衡方程 能量以 Pa 为单位 为 PH PC PP PS PJ PZ PK 1 式中 PH PK 管路起 终点压力 PC 各泵站提供的压力之和 PP 全线的压力损失之和 PS 各泵站的站内压力损失之和 PJ 各泵站节流压力损失之和 PZ 克服线路地形高差的压力损失 1 PC的表达式 各泵站提供的压力之和 PC由下式计算 2 式中 n 表示全线有 n 个泵站 ki 每个泵站有 ki台泵运行 aij 表示第 i 站第 j 台泵的泵特性系数 bij 表示第 i 站第 j 台泵的泵特性系数 i 某时刻流经第 i 站的油品密度 g 重力加速度 2 PP的表达式 假设某时刻管道内各油品批次分布见图 1 图 1 油品批次分布图 假设图 1 中油品牌号依次为 油品 0 EF 管段 油品 1 CE 管段 油品 2 AC 管段 把沿线的泵站 分输站 注油站和相邻输送的两种油品的起始接 触面 暂且称为混油界面 都定义为边界点 那么全线可分成 AB BC CD DE EF 五段 分别计算各段的沿程摩阻 对 AB 管段 求出该管 段的流量 QAB和管径 dAB以及流经该管段油品的粘度 AB和密度 AB 根据对流 态变化适应性较强的阿尔特舒尔公式得到 2 3 式中 e 管壁绝对粗糙度 由达西公式得 AB 段沿程摩阻损失为 4 式中 LAB AB 管段的长度 则全线压力损失为 5 3 PZ的表达式 对应 2 中某时刻的管道系统运用能量守恒定律可推得 6 式中 i 流经第 i 站的油品重度 Zi 流经第 i 站时的高程 j j 1 m 表示从首站至末站有 m 个混油界面 jf jb 第 j 界面前行油品 后行油品的重度 Zj 第 j 界面处的高程 4 PS的表达式 为简化起见 各站的站内压力损失取 0 1 MPa 则各站 的站内压力损失之和 PS为 PS 0 1 n 7 2 约束条件 各站进站压力 Pin Psmin 各站出站压力 Pout Pdmax 3 调节措施 随着油品批次向前推移 如果保持前一时步的开泵方案 则有可能导致后 一时步约束条件不满足 此时就得进行调节 1 当出站压力超高或进站压力过低时 应采取减少能量的方式调节 即以 先调速 若无调速泵则无此项 后节流 再停泵的次序进行 2 若出站压力偏低 设出站压力设定值比出站压力高 dp1 或进站压力过 高 设进站压力比进站压力设定值高 dp2 且 dp1 dp2大于一台泵的扬程可考 虑以增加能量的方式调节 启泵 4 某混油界面 A 流经第 i 步距 l 的时间 t 设界面 A 在第 i 1 步距结束时的流速为 V1 在第 i 步距结束时的流速为 V2 则第 i 步距所需时间为 5 混油长度 3 根据由扩散理论出发推导的方程 8 可以计算每一时刻混油段 A 的混油 长度 8 式中 C 混油长度 m l d 混油界面 A 距首站的距离及该处的管径 m Rep 混油段 A 的前行和后行油品的平均雷诺数 当 104 Rep 105时 1 3 105 Rep 5 105时 1 25 考虑 1 99 的对称浓度范围 系数 Z 1 645 二 程序流程二 程序流程 成品油顺序输送过程模拟程序流程见图 2 图 2 程序流程简图 注 T 模拟时间 V 模拟时间 T 内完成的输量 Vp 周期任务输量 dL 计算步距 dT 混油界 面通过计算步距 dL 所用的时间 dV 时间 dT 内所输的油品量 三 算例分析三 算例分析 以拟建的林源 抚顺成品油管道为例 分析模拟的结果 管道的概况为 林源至前郭注油站 161 km 406 6 前郭注油站至 牧羊站 24 km 406 6 牧羊站至垂扬站 127 km 406 7 垂扬 站至铁岭站 221 km 457 7 铁岭站至抚顺站 69 km 457 7 1 水力坡降线 由于管道较长 管道内同时存在多种油品是可能的 现假定初始时刻管内 油品批次分布见图 3 图 3 假定初始时刻管内油品批次分布 假设图 3 中油品牌号依次为 0 号柴油 FH 管段长 198 km 90 号汽油 DF 管段长 198 km 0 号柴油 AD 管段长 204 km 此时水力坡降线见图 4 水力坡降图以距首站的距离为横坐标 以管道各点的总能头为纵坐标 图中 从下到上共三条线 依次为汽油地形线 柴油地形线 水力坡降线 4 其中 汽油地形线和柴油地形线是基本不变的 随着混油段向前推移 不同时刻管内 油品批次 批次的长度都有可能不同 所对应的水力坡降线也会有变化 该软 件能模拟水力坡降线的这种变化 图 4 水力坡降图 图 4 中的几点说明 1 距首站 161 km 的前郭注油站注油 使下游的流量增大 水力坡降线变 陡 2 距首站 204 km 处存在混油界面 故水力坡降线变平缓 因前行油品 90 号汽油的粘度比后行油品 0 号柴油的小 同时总能头突然降低是因为总能头 等于管压与位能之和 管压是连续不突变的 而混油界面的左边界 0 号柴油密 度大于右边界 90 号汽油 所以位能突然降低 导致总能头突然变小 3 距末站 198 km 处存在混油界面 总能头突然增大 水力坡降线变陡 原因同上 只是前行油品变为 0 号柴油 后行油品变为 90 号汽油而已 欲了解混油变化的规律 以跟踪分析汽油顶替柴油的情况为例 研究该混 油界面通过整个管道的动态过程 假设 T 0 时刻管内全是柴油 然后用汽油来 替换柴油 直到管内全是汽油结束 2 输送距离与混油长度关系曲线 图 5 是管道距离与混油长度的曲线 由图 5 可见 随着输送距离的增长 混油长度也在增加 在初始阶段混油段长度增加较快 图 5 管道距离与混油长度曲线 3 时间与流量关系曲线 图 6 是前郭注油站的进出站流量随时间的关系曲线 由于注油 出站流量 高于进站流量 在 90 号汽油顶替 0 号柴油的过程中 管道流量变化的总趋势是 增大的 但在它们的混油段通过沿线泵站时 管道流量突然变小 原因是随着 汽油顶替柴油 沿程摩阻越来越小 泵的工作点右移 流量增大 而当混油段 通过泵站时 后继油品重度小 泵站提供的压力减小 因离心泵是自动平衡系 统 使流量下降 图 6 注油站进站和出站流量曲线 4 时间与压力关系曲线 图 7 是垂杨站的进出站压力随时间的关系曲线 首站开始换油时 垂杨站 出站压力下降 随着混油段的推移 压力逐渐上升 但在混油段通过泵站时 压 力突然降低 在混油段到达垂杨站之后压力逐渐下降 但在混油段通过泵站时 压力突然增大 原因是在混油段到达垂杨站之前 垂杨站下游一直都是 0 号柴 油 垂杨站至下一站间沿程摩阻随着流量的增大而增大 导致垂杨站压力增大 混油段到达垂杨站之后 垂杨站下游逐渐被 90 号汽油替换 油品粘度和重度的 减小使垂杨站至下一站间沿程摩阻减小的幅度超过了因管道流量增大使沿程摩 阻增大的幅度 故垂杨站的进出站压力下降 图 7 垂杨站进站和出站压力曲线 通过对林源 抚顺 克拉玛依 乌鲁木齐 宁波镇海 杭州康桥等几条已 建或拟建管道的模拟分析 软件取得了一些成果 1 针对顺序输送过程中管路 水力特性的变化过程 建立了水力分析的数学模型并开发了通用的顺序输送过 程模拟软件 软件能模拟变管径 压力越站 串联泵组合和并联泵组合运行的 工况以及定流量连续注放油工况和初步优化调节的功能 2 软件能模拟在不同的输油方案下 顺序输送过程中水力特性的变化及各 站进出站压力 流量的变化及混油的变化 并能根据用户设定的工况界限进行 自动调节 通过多个不同输油方案的模拟分析 用户可判断出采用何种输油方 案最为合理或者某个输油方案是否可行 3 软件能模拟单介质 某混油段及循环周期内不同牌号油品的输送过程 软件不仅能对成品油管道的设计方案进行模拟分析 同时还能对管道的运 行管理提供决策依据 当然 软件不仅能对成品油管道的设计方案进行模拟分 析 同时还能对管道的运行管理提供决策依据 当然 软件在某些方面还有待 进一步完善 首先 软件中的注放油是以定流量连续注放油方式进行的 而现 场有可能以定压力或定流量间歇注放油方式运行 所以软件在处理注放油的功 能上需要加强 另外 软件还将增加处理减压站的功能