王 琪，罗 浩，陈国平

（1. 广东石油化工学院，广东 茂名 525000； 2. 虎门港海湾石油仓储码头有限公司， 广东 东莞 523988）

原油顺序输送水平管混油段的分析

王 琪1，罗 浩2，陈国平3

（1. 广东石油化工学院，广东 茂名 525000； 2. 虎门港海湾石油仓储码头有限公司， 广东 东莞 523988）

针对目前从港口输往炼油厂的油品多样性，以大庆和胜利油品为例建立了水平原油管段顺序输送模型，应用FLUENTT软件进行了三维数值模拟，得出了混油浓度变化图象和曲线，表明在原油管道顺序输送过程中粘度差的影响。幵总结出油品分散规律，幵给出了切割的长度，为找到最佳切割点提供依据。

顺序输送；混油段；切割点；数值模拟

随着中国经济的収展，能源已经成为其主要命脉，但原油的自产能力增长有限，所以对进口原油的依存度不断加大，当前我国原油进口除了俄罗斯原油直接通过输油管道运输外。其它均为通过油轮在港口卸油，上岸后经过管道运往各个炼油企业。但是由于油的来源不同在顺序输送管道中接触面处将产生一段混油。混油量与输送油品的密度、粘度等物性参数有关,也与管道的高程[1，2]，形状有关，但多数管线都在水平直管段运行。以下以两种油品顺序输送进行模拟[3]，计算混油段，为找到最佳切割点提供依据。

1 物理模型

热油管道的尺寸：长度 L=20 m，直径D=0.8 m(图1)。.

图1 直管模型Fig.1 Straight pipe model

流动介质:大庆原油和胜利原油等原油，原油的物理参数如表1所示:

表1 原油的物性参数Table 1 Crude oil physical property parameters

输送速度： =2 m/s;操作温度：原油管道一般都要加热输送，操作温度为323 K

2 数学模型

2.1 控制方程

当以原油以流速=2 m/s，管内流动为紊流。

假设原油的粘性为常数、不可压流体，圆管光滑，则流动的控制方程如下：

1）质量守恒方程

2）动量守恒方程

3) 湍动能方程：

4）湍能耗散率方程[4]：

式中：ρ—密度；

u、v、w —流速矢量在x、y和z方向的分量，p为流体微元体上的压强。

方程求解：采用双精度求解器，非定常流动，标准 模型，Simple算法。

2.2 定义混合组分相关物理性质

1）密度

混油段截面密度变化遵循简单的比例相加规律，即混油段密度为每种油品体积分数与其密度乘积之和

式中:ρA, ρB, ρM—分别为A油品、B油品和混油的密度，kg/m3；CB—B油品的体积分数。

2）粘度

混油粘度不可以用简单的组分比例计算，但其组分仍接近于线性关系。

式中:VA，VB，VM—分别为 A 油品、 B 油品和混油的运动粘度，m2/s ；

αA,αB—待定因数。（在本文中对于原油可取αA=0.819 9，αB=-0.896 4）。

3 水平直管模型内混油的形成过程

设定顺序输送管路为水平管，不考虑初始混油量的影响。顺序输送油品的流速为 2 m/s，初始时刻开始输送第一种原油（大庆原油），到第 10 s时刻第一种油品正好充满圆管模型，此时开始从入口输送第二种原油（柴胜利原油），一直到第 20 s，第二种原油通过整个管道模型结束。

由于顺序输送混油的浓度分布随着时间的延续而变化，故采用瞬态计算模型，相应的压力速度的耦合方法应用simple 算法。在湍流条件下利用标准k − ε方程模型封闭方程组，应用有限体积法对方程进行离散。计算结果收敛较好。

在实际的操作中，由于原油在管道模型的法向输送速度幵不均匀，在输送过程中相互混合和扩散，逐渐形成混油，幵且混油量在输送过程中随时间增大，这也符合理论分析中关于混油变化和拖尾的现象的事实。

在顺序输送的直管模型内，后行油品由于径向的速度分布不均，管道中心的流动速度明显大于壁面附近流动速度，导致其呈楔形进入前行油品，形成混油分界面，如图2所示。在混油分界面上，两种油品不断地对流扩散和紊流扩散作用，逐渐形成具有一定厚度的混油层，在混油层的中心轴线位置，原油流体具有最大的流动速度，因此后行油品能够以最快的速度朝轴向进行对流扩散，使混油头不断变细变长；而在管道的壁面位置，由于前行油品与壁面存在着粘性附着力，在粘性附着力的作用下，壁面附近的前行油品流动受到明显的阻碍，因此低流速下的前行油品只能通过后行油品的冲刷作用和径向对流扩散的形式缓慢除去，这就导致混油拖尾现象的产生。在管道中心处混油轴向对流扩散和壁面混油拖尾现象的共同作用下，随着输送时间的增大，混油段的距离也明显增大[5]。

图2 直管模型内不同时刻的混油变化过程Fig.2 Mix oil change process of straight pipe model in different time

当t=15 s时混油界面正好到达管子中段，为了观察管子内部的混油的相变化情况，本次试验以中心点(L=10 m)为源点，以0.2 m为分度值进行前后截图，观察情况如图3所示。在图中直观地反映了混油经过各个水平管截面时的混油形态，同时也从侧面说明了管内混油径向紊流扩散的存在。

图3 t =15 s时水平直管模型内不同位置的混油截面Fig.3 t = 15 s horizontal straight pipe model in different location

4 水平管内混油长度的分析

在顺序输送中组分浓度为1%～99%之间的油段为混油段[6，7]，混油段所占输油管道的长度为混油长度，如图4所示，则混油长度的计算公式为：

式中:X1，X2—混油油头和油尾所在位置的坐标；L为混油长度。

图4 混油形态示意图Fig.4 Mix oil form

在本次实验操作中，对于混油的位置主要是通过切割截面法确定混油的位置，幵通过混油长度的计算公式9进行计算，得出混油长度如表2所示。

表2 混油长度随时间的变化Table 2 Mix oil length changes over time

从表2中可以収现，混油的长度随输送时间的增大而增大，但是幵不是简单的线性关系。因为在不考虑实验误差的情况下，等时间差下的混油长度变化幵不相等或者相似，而是逐渐增大的，由此可以确定混油长度随时间或者输送距离的变化具有幂函数关系。

5 结 论

利用flunet有限元分析软件可以对原油顺序输送混油进行精准的模拟,利用丰富的彩色云图可以形象直观地实现从三维图上表现混油变化情况,为原油顺序输送切割点的确定找到了理论依据和分析方法。

［1］赵会军, 张青松, 张国忠, 等. 基于PHOENICS 的顺序输送大落差管道混油研究[ J] . 江汉石油学院学报, 2008, 28( 4) : 139-142.

［2］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．

［3］赵会军, 张青松, 张国忠, 等. 基于PHOENICS 顺序输送管道内两种油品传质数值模拟[J] . 北京化工大学学报, 2006, 33 ( 6) : 22- 25.

［4］刘强，王树立，李恩田,等．利用湍流模式理论模拟顺序输送混油过程[J]．油气储运，2006，25（11）：22-26

［5］赵会军, 张青松, 张国忠, 等. 基于PHOENICS 顺序输送管道混油浓度的计算[ J] . 油气储运, 2007, 26( 2) : 43- 46.

［6］慕希茂, 郭跃平, 李保国, 等. 顺序输送停输时的混油量计算油气储运[J]. 油气储运,2001, 20( 9) : 30- 31.

［7］吕稳高, 冯先强1 浅谈原油顺序输送过程中混油量的计算[ J ] . 天然气与石油, 2007, 25 ( 1) : 11- 13.

Analysis on Mixed Oil Segment in the Horizontal Pipe During Crude Oil Batch Transportation

WANG Qi1，LUO Hao2，CHENG Guo-ping3
（1. Guangdong Petroleum Chemical University, Gguangdong Maoming 525000，China；2. Humen Port Gulf Oil Storage Terminal Co., Ltd., Guangdong Dongguan 523988，China）

In view of the diversity of product from the port to the refinery, taking Daqing and Shengli crude oil as examples, horizontal pipe model of crude oil transportation was established, then three-dimensional numerical simulation was carried out with FLUENTT software, the image and curve of the mixed oil concentration change were obtained as well as effect of crude oil viscosity spread on the crude oil batch transportation. The oil distributing rule was summed up, and the length of the cutting was determined, which could provide the basis for finding the best cutting point.

Batch transportation; Mixed oil segment; Cutting point; Numerical simulation

TE832

A

1671-0460（2014）10-2153-03

2014-03-31

王琪（1982-），女，辽宁抚顺人，讲师，硕士，2009年毕业于辽宁石油化工大学油气储运专业，研究方向：油品流场，温度场的数值模拟。E-mail：wangqi1982.good@163.com。