成品油顺序输送管道变径管混油数值模拟

第 3 9 卷第 6期 2 0 1 0年 1 2月 当 代 化 工 C o n t e m p o r a r y C h e mi c al I n d u s t r y Vo1 3 9 No 6 De ce mb er 20 1 0 成 品油顺 口 口 田 川 火 序输送管道 变径管混油 数值模拟 吴玉国 孙百超 关贵兴 1 辽宁石油化工大学石油天然气工程学院 辽宁 抚顺 1 1 3 0 0 1 2 中国石油东北销售公司调运处 辽宁 沈阳 1 1 0 0 1 3 3 青海油田管道输油处 青海 格尔木 8 1 6 0 0 0 摘 要 在成品油顺序输送 管道 中 相邻批次油品 间会产生混油 影 响混油 的因素繁多 针对其 中之一的 变径管进行 了混油的数值模拟 希望能够为混油的计算 监测和切割处理提供依据和帮助 关键词 成品油 顺序输送 变径管 混油 数值模拟 中图分类号 T E 8 3 2 文献标识码 A 文章编 号 1 6 7 1 0 4 6 0 2 0 1 0 0 6 0 6 8 1 0 3 Nume r i c a l Si m u l a t i o n o n Co nt a mi na t e d 0i l i n 场 r i a b l e Di a me t e r Pi pe o f Pr o duc t s Ba t c h Tr a ns po r t a t i o n Pi pe l i n e WU Y u gu o SUN Ba i c h a o GUAN Gui xi n g3 1 Co l l e g e o f P e t r o l e u m E n g i n e e ri n g L i a o n i n g S h i h u a Un i v e r s i t y Li a o n i n g F u s h u n l 1 3 0 0 1 Ch i n a 2 P e t r o Ch i n a No r t h e a s t M a r k e t i n g C o mp a n y Li a o n i n g S h e n y a n g 1 1 0 0 1 3 C h i n a 3 T h e O i l P i p e l i n e De p a r t me n t o f Qi n g h a i O i l F i e l d Qi n g h a i Go l mu d 8 1 6 0 0 0 C h i n a Ab s t r a c t I n p r o d u c t s b a t c h t r a n s p o r t a t i o n p i p e l i n e t wo k i n d s o f p r o d u c t o i l s ma y b e mi x e d t o g e t h e r T h e r e a r e a l o t o f i nf l ue nc i ng f a c t o r s o n c on t a mi na t e d o i l I n t hi s pa p e r a i mi ng a t t h e v aria b l e d i a me t e r p i p e nu me ric a l s i mu l a t i o n o n c o n t a mi n a t e d o i l wa s c a r r i e d o u t wh i c h c a n p r o v i d e b a s i s a n d r e f e r e n c e f o r c a l c u l a t i n g mo n i t o rin g a n d c u t t i n g o f t h e c o nt a mi n a t e d oi l Ke y wo r ds Pr od uc t Ba t c h tra ns po r t a t i o n Va ria bl e di a me t e r pi p e Co nt a mi n a t e d oi l Nu me ric a l s i mul a t i o n 对于成品油顺序输送管道 在相邻两种油品接 触面处将产生一段混油 这段混油不符合产品的质 量指标 造成一定的混油损失 因此 确保油品质 量 减少混油损失是顺序输送 的重要课题 混油量 的计算是指导终点油品切割 终点油库的经济设计 以及混油处理措施选择等的重要依据 然而 影响 混油的因素繁多 混油界面在管道 中的运动又非常 复杂 各公式都有一定的局限性 目前还没有公认 的与实际完全相符 的混油计算公式 随着我国大型 成品油管道的陆续建设 研究各种因素对混油量的 影响具有重要意义 j J 1 数学模型 为减少混油损失 顺序输送管道在紊流流态下运 行 对该紊流计算采用雷诺时均法 建立成品油顺 序输送管道混油计算的时均控制方程组 收稿 日期 2 0 1 0 0 6 0 6 作者简介 吴玉国 1 9 7 7 一 男 辽宁葫芦岛人 讲师 究工作 E m a i 1 w y g 0 4 1 3 1 2 6 c o m 电话 连续性方程 竺 0 1 0 t 破 R e y n o l d s 方程 St 一言 昭 专 雾 一 I J 2 质量输运方程 O t j O xj 毒 南 一 一p u c 式中 X i 空间坐标 U i U 一空间时均速度分量 U 脉动速度分量 一 密度 一 压力 一 层流动力粘度 c 一后行油品的脉动浓度和体积时均浓度 P r c 一 层流 S c h mi d t 数 博士研究生 2 0 0 1 年毕业于辽宁石油化工大学油气储运专业 从事油气储运技术研 6 8 2 2 0 1 0 年 1 2 月 紊流模型采用 k一 占模型 k方程 p 考 毒 考 考 考 一 4 占方程 等 善 毒 毒 q 5 在模型中 通过紊流粘性系数和紊流扩散系数 的概念 将 R e y n o l d s 应力项和脉动质量通量项分别 与时均速度和时均浓度联系起来 即 一 等 一 r 7 x 其中 紊流粘性系数 和紊流扩散系数r 按 如下方法计算 a t 一 ok 8 r t 9 以上式 4 一 9 即为冷热原油顺序输送混油 浓度 k一 占紊流模型 对以上数学模型的求解采用 S I MP L E S T算法 对方程的离散采用全隐二阶迎风差分格式 边界条 件均采用附加源项法进行处理 本文计算的顺序输送的 2种油为 9 3 汽油和 0 柴油 密度 常温 分别为 7 2 0 k g m 和 8 0 0 k g m 运动粘度 常温 分别为 4 x 1 0 m s 和 6 1 0 m s 混油段截面密度变化遵循比例相加规律 即混 油段密度为每种油品体积分数与其密度乘积之和 C 1 一 C 1 0 式中 P B 一A油 B油和混油的密度 e A油和 B油的体积分数 混油黏度不可以用简单的组份比例计算 但其 组份仍接近于线性关系 5 6 C A t 1 一 1 1 式中 A油 B油和混油的运动粘度 一 A油和 B油 的体积 分数 嘞 蛳 待定因素 2 模拟计算结果及分析 采用 P HO E NI C S软件建模并进行混油特性数 值模拟计算 变径管模型如图 1 所示 a 变径管模型 b 变径管模 型网格划分 图 1变径管模型及网格 Fi g 1 M o de l a nd gr i d of v ar i ab l e di ame t e r pi pe 变径前后管段长度均为 5 I T I 变径部分长度为 0 1 8 m 管道直径分别为 0 5 m和 0 3 m 计算区域 为 1 0 1 8 mX0 5 m 0 5 m 计算网格数为 6 0 3 0 3 0 变径处速度场变化剧烈 因此对 网格进行了 加密处理 为了进行对 比分析 同时建立了一长度 相同的单一管径管道模型 如图 2所示 a 单一管径管道模型 b 单 一 管径管道模 型网格划分 图 2单一管径管模型及网格 Fi g 2 M ode l a nd g r i d o f s i ngl e di ame t e r pi pe 初始条件 管内充满前行油 品且达到稳定状 态 边界条件 壁面无滑移 入 口流体速度为 l m s 出口设置为 自由出口 先行油品为 9 3 汽油 后行油品为 0 柴油 油 品在入 口处切换的时刻记为 0 S 变径管按定流量 变流速计算 图 3所示为变 径管和单一管径管内的油品流速分布情况 瞄曩 蠢 一 I O 12 0日7 l O 67 O l口 6312 3 l 0 se 6 0 5 q 21 02 O s 7 O 5 I O 3 3OB 口352 11 a 单一管径管 内的流速分布 i n I l l b 变径管 内的流速分布 图 3管 内油品流速 分布 Fi g 3 The ve l o c i t y di s t r i bu t i o n of o i l i n t he pi pe 很明显单一管径管内流速为一恒定值 从图 4 a 也能清楚的反映出来 而变径管在直径改变 第3 9 卷第6 期 吴玉国 等 成品油顺序输送管道变径管混油数值模拟 6 8 3 前后 由于流通面积发生了变化 流速发生了改变 直径由 0 5 m减小为 0 3 m 平均流速增至之前的 3 倍左右 模拟计算过程在两种情况下完成 一是未 考虑重力影响因素 二是考虑了重力影响因素 图 4为未考虑重力影响因素的情况下管 内不 同 时间混油情况的模拟结果 图中 c l表示的是后行 油品 0 柴油 的浓度 a 单一管径管道 b 变 径 管 图 4管 内不 同时 间混油情况可视 图 Fi g 4 Vi s ual e xpr e s s o f c o nt ami na t i o n i n t he pi pe at di f f e r e nt t i me 从图 4中可以看到 随着时间的推移 混油段 的长度越来越大 而且在这种情况下 无论是单一 管径管还是变径管 内 浓度分布在管道 的径向都是 对称的 对比图 4 a 和 b 在后行油品未到达 变径部分时 a 和 b 是完全一致 的 后行油 品流经变径部分之后 浓度分布可视图发生了明显 的变化 混油前峰的 楔形 更尖 了 混油长度变 长 图 5 为考虑重力影响因素 的情况下管内不同时 间混 油情况 的模 拟结 果 将 图 5与 图 4进 行对 比 考虑了重力的影响因素后 浓度分布在管道径 向不 再对称 由于后行油品较重 密度大 下沉 呈 楔形插入前行油品 如果后行油品较轻则会 上浮 呈楔形插入前行油品 随着时间的推移 混油长 度比未考虑重力影响因素情况下略有增加 而图 5 a 和 b 对 比 变径管中前后行油品 分层 更 为 明显 混油长 度 更大 后行油品流经变径部分之后 混油长度 分布 特 点都发生了变化 但是就混油量而言 因为流通 面积减小 直径 由大变小的情况 混油量在经过 变径部分后的一小段时间内不会发生很大变化 在 变径后 的小管径管道 内运行时问不断延长后 由于 雷诺数增加 按照混油的基础理论混油量会减小 当然 本文 的模拟只是对较短的一段管道进行模 拟 旨在对变径管混油的监测 计算研究提供帮助 和 参考 a 单一管径管 b 变径管 图 5管 内不 同时 间混油情况可视图 考虑重力 Fi g 5 Vi s ua l e x pr e s s of c o nt ami na t i o n i n t he pi pe a t d i f f e r e n t t i me g r a v i t y c o n s i d e r e d 3 结束语 建立了成品油顺序输送 管道 混油计算 的时均 控制方程组 采用 P H OE NI C S软件对变径管的混油 情况进行了数值模拟 得 出了变径管中混油情况的 可 视图及变径管情况下流速 和混油浓度 的分布特 点 为确定变径管混油计算和检测方法提供帮助和 参考 参考文献 1 杨筱蘅 输油管道设计与管理 M 山东东营 中国石油大学 出版 社 2 0 0 6 1 2 0 3 0 3 2 黄淑女 杨承汉 成品油管道顺序输送变管径混油量的计算