吴玉国，孙百超，关贵兴

成品油顺序输送管道变径管混油数值模拟

吴玉国1，孙百超2，关贵兴3

（1.辽宁石油化工大学石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001；2. 中国石油东北销售公司调运处，辽宁 沈阳110013；3. 青海油田管道输油处，青海 格尔木 816000）

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。

成品油；顺序输送；变径管；混油；数值模拟

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[1-2]。

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[3-4]：

连续性方程：

Reynolds方程：

质量输运方程：

式中：xi，xj—空间坐标；

ui、uj—空间时均速度分量；

u′i、 u ′j—脉动速度分量；

ρ—密度；

p—压力；

µ—层流动力粘度；

c′，c—后行油品的脉动浓度和体积时均浓度；

Pri（c）—层流Schmidt数。

紊流模型采用k-模型。

k方程：

在模型中，通过紊流粘性系数和紊流扩散系数的概念，将Reynolds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:

其中，紊流粘性系数t和紊流扩散系数tΓ按如下方法计算：

以上式（4）-（9）即为冷热原油顺序输送混油浓度k-紊流模型。

对以上数学模型的求解采用SIMPLEST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93#汽油和0#柴油。密度(常温)分别为720 kg/m3和800 kg/m3，运动粘度（常温）分别为 4×10-6m2/s和 6×10-6m2/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。

式中：ρΑ、 ρΒ、ρm—A油、B油和混油的密度；CA、CB—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]。

式中：υΑ、υΒ、υm—A油、B油和混油的运动粘度；

CA、CB—A油和B油的体积分数；

αA、αB—待定因素。

2 模拟计算结果及分析

采用 PHOENICS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。

图1 变径管模型及网格Fig.1 Model and grid of variable diameter pipe

变径前后管段长度均为5 m，变径部分长度为0.18 m，管道直径分别为0.5 m和0.3 m。计算区域为10.18 m×0.5 m×0.5 m，计算网格数为60×30×30，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。

图2 单一管径管模型及网格Fig.2 Model and grid of single-diameter pipe

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1 m/s，出口设置为自由出口。

先行油品为93#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。

图3 管内油品流速分布Fig.3 The velocity distribution of oil in the pipe

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 c1表示的是后行油品（0#柴油）的浓度。

图4 管内不同时间混油情况可视图Fig.4 Visual express of contamination in the pipe at different time

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间不断延长后，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。

图5 管内不同时间混油情况可视图（考虑重力）Fig.5 Visual express of contamination in the pipe at different time (gravity considered)

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PHOENICS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。

[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，2006: 120-303.

[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[J].油气储运，2005，24(9)：26-28．

[3] 陶文铨. 数值传热学[M]. 2版.西安：西安交通大学出版社，2001:332-409.

[4] 吴子牛. 计算流体力学[M]. 北京：科学出版社，2001:70-76.

[5] 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研究[J]. 北京化工大学学报, 2006, 33(6):22-25.

[6] 蒋仕章,蒲家宁. 成品油顺序输送时混油粘度的计算与误差分析[J]．油气储运,2003,22(2):16-19．

Numerical Simulation on Contaminated Oil in Variable Diameter Pipe of Products Batch Transportation Pipeline

WU Yu-guo1，SUN Bai-chao2，GUAN Gui-xing3
(1.College of Petroleum Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun113001, China；2.PetroChina Northeast Marketing Company, Liaoning Shenyang 110013, China;3. The Oil Pipeline Department of Qinghai Oil Field, Qinghai Golmud 816000 ,China）

In products batch transportation pipeline, two kinds of product oils may be mixed together. There are a lot of influencing factors on contaminated oil. In this paper，aiming at the variable diameter pipe, numerical simulation on contaminated oil was carried out，which can provide basis and reference for calculating, monitoring and cutting of the contaminated oil.

Product; Batch transportation; Variable diameter pipe; Contaminated oil; Numerical simulation

TE 832

A

1671-0460（2010）06-0681-03

2010-06-06

吴玉国（1977-），男，辽宁葫芦岛人，讲师，博士研究生，2001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究工作。E-mail：wyg0413@126.com，电话：0413-6861820。