林 棋，婁 晨

中國石油大學(xué)（北京） （北京 102249）

在同一條管道內(nèi)，按一定順序連續(xù)地輸送幾種油品，這種輸送方法稱為順序輸送或交替輸送。一般應(yīng)用于成品油管道。在長輸管道輸送過程中，沿線各站場根據(jù)干線輸送工藝設(shè)定了一系列的工藝流程（如收發(fā)球流程，泵送增壓流程等），由此站場內(nèi)部不可避免的會產(chǎn)生隱性的“盲端”。初始輸送的油品將會存儲至其中，稱為“死油”，當(dāng)管道轉(zhuǎn)為輸送第2種油品，油品經(jīng)過盲端時會形成渦流，在盲端內(nèi)與原先存儲的油品發(fā)生置換并形成混油，由此會對油品的質(zhì)量（包括混油、干點(diǎn)、閃點(diǎn)等）造成影響。不同的站場工藝流程設(shè)置會產(chǎn)生不同盲端結(jié)構(gòu)（長度、管徑、結(jié)構(gòu)等），進(jìn)而對油品質(zhì)量產(chǎn)生不同的影響，而且油品的輸量、輸送順序、黏度均會影響油品置換過程。

1 站場內(nèi)順序輸送混油

1.1 基本控制方程

在長距離順序輸送管道中，管道流體應(yīng)處于紊流流態(tài)下運(yùn)行。由此可減少混油損失?，F(xiàn)有計算機(jī)的存儲量及運(yùn)行速度有限，直接對順序輸送紊流進(jìn)行數(shù)值計算不切實際。目前基本方法為雷諾時均法。關(guān)于順序輸送混油模型控制方程有[1]：

連續(xù)性方程（質(zhì)量守恒方程）：

式中：μ為動力黏度系數(shù)；Si為動量守恒方程廣義源項。

1.2 混油形成過程及分布規(guī)律

采用順序輸送的是2種能相互溶解的油品，管內(nèi)分子擴(kuò)散和液體紊流脈動會使油品接觸界面處形成一段混油?；煊偷倪^程可由圖1說明。如果管道從輸送A油轉(zhuǎn)為輸送B油，在瞬間，接觸面上的油品濃度各為0.5，如圖1中（1）所示。經(jīng)過一段時間，油品A、B通過起始油品接觸面相互滲透，在起始接觸面兩側(cè)分別形成一段長為LA1、LB1的混油段，如圖1中（2）、（3）所示。在混油段內(nèi)自右向左，A油濃度逐漸減小，B油濃度逐漸增大，2種油品濃度之和總為1。到時刻t2，起始接觸面兩側(cè)混油段分別加長為 LA2、LB2，如圖 1 中（4）、（5）所示，混油段內(nèi)油品濃度變化趨于平緩[2]。

圖1 混油形成示意圖

為了熟悉并驗證上述混油形成機(jī)理，針對站場某一典型盲端（圖2、表1）建模，進(jìn)行油品置換數(shù)值模擬研究。置換順序為：汽油置換柴油（即初始時刻輸送柴油，某一時刻改輸汽油），觀測2種油品的混油形成過程。模型假設(shè)如下：不考慮重力對流體的作用；不考慮初始混油情況；管段內(nèi)為不可壓縮流體；管段沿線溫度不變（即不考慮熱力問題）[3]。

圖2 順序輸送混油數(shù)值模擬建模過程

模擬結(jié)果顯示：隨著后行油品的向前行進(jìn)，混油區(qū)域不斷擴(kuò)大，具體的混油形成過程如圖3所示。從圖3中可以看出，混油段在任一截面上管中央?yún)^(qū)域，濃度分布比較均勻，管壁附近，濃度梯度較大。這是因為在紊流狀態(tài)下輸送油品，紊流核心區(qū)內(nèi)紊流擴(kuò)散比分子擴(kuò)散大得多，強(qiáng)勁的紊流徑向擴(kuò)散，尤其是漩渦運(yùn)動，使液體質(zhì)點(diǎn)發(fā)生劇烈的橫向交換，中心區(qū)域內(nèi)速度較快的油品將邊緣滯后的油品迅速帶走，大大縮短了混油段長度；而在管壁附近，橫向脈動效應(yīng)弱，分子擴(kuò)散占優(yōu)使得濃度分布趨于均勻一致的能力較弱。因此，順序輸送總是取紊流而避免層流。

表1 模擬方案參數(shù)表

圖3 不同時刻管段沿線混油濃度分布云圖

從圖4可以看出，隨著后行油品前進(jìn)時間的推移，當(dāng)混油段按濃度為1%～99%范圍計算時，在混油發(fā)生第2.5s時，混油長度為3.5m，曲線斜率值較大；在混油發(fā)生第3.5s時，混油長度為4.5m，曲線斜率值較小。由此可得其混油長度隨著混油發(fā)生時間的推移不斷的增加，且濃度分布也逐漸趨于均勻。這與順序輸送的實際情況相吻合。

圖4 不同時刻沿線混油濃度的變化曲線

如圖5所示，在混油發(fā)生第3.5s時，從管段第7m、11m、14m處的徑向濃度分布可以看出：沿管道軸向，其中心濃度梯度存在先增加后減少的變化趨勢，但變化幅度并不均勻，這正與工程上發(fā)現(xiàn)的混油段相對于50%濃度的混油界面不對稱的現(xiàn)象相吻合。產(chǎn)生混油濃度非對稱分布的原因，除了前后油品相互滲透和管道橫截面速度分布的不均勻性外，由于靠近管壁存在層流邊層，附在管壁的前行油品被后行油品逐漸沖刷下來的影響也是比較顯著的。

圖5 混油發(fā)生3.5s截面上混油濃度徑向分布圖

2 典型盲端的油品置換研究分析

針對站場干線輸送工藝流程，通過對典型站場工藝流程設(shè)置（尤其是隱性的“盲端”或“盲管”）分析，明確站場工藝流程對輸送油品混油的影響，從而確定油品正常輸送過程中站場工藝流程對油品質(zhì)量（包括混油及干點(diǎn)、閃點(diǎn)等）的影響[4-5]。

我國成品油管道站場工藝流程設(shè)置中，存在著一些典型的盲端結(jié)構(gòu)（圖6），圖中紅色段為盲端管段。經(jīng)分析所有的盲端結(jié)構(gòu)均可由（a）結(jié)構(gòu)一及（b）結(jié)構(gòu)二組合而成，故所研究的盲端油品置換數(shù)值模擬主要基于上述2種結(jié)構(gòu)（圖7）。

圖6 某成品油管道站場盲端結(jié)構(gòu)

2.1 管道輸量對油品置換的影響

不同輸量折算的流速分別為：1m/s、1.5m/s、2 m/s、2.5m/s，針對站場干線輸送工藝流程中最常見的盲端結(jié)構(gòu)，設(shè)定輸送管段規(guī)格Φ660mm×21.6mm，進(jìn)出口管段均為0.5m，盲端管段規(guī)格Φ508mm×17.5mm，管長為1m，油品物性參數(shù)見表1。

隨后行油品向前不斷推移，高流速（2m/s、2.5 m/s）的油品置換過程在盲端內(nèi)部形成的渦流較低流速情況更為強(qiáng)烈，油品置換速度也更為快速，在置換發(fā)生120s后，高流速油品置換過程基本完成油品置換，隨后將是所有管段內(nèi)部充滿后行油品，并達(dá)到穩(wěn)定的置換動態(tài)平衡（圖7）。在一定流速范圍內(nèi)，隨著油品流速的增大，油品置換過程速度越快，所需的置換時間越短，但是置換時間的縮短幅度逐漸變緩（圖 8）。

圖7 不同輸量（流速）盲端油品置換濃度分布云圖

圖8 不同輸量（流速）盲端油品置換時間變化曲線

2.2 不同盲端結(jié)構(gòu)對油品置換的影響

考慮不同盲端結(jié)構(gòu)，站場盲管內(nèi)油品與干線之間置換情況。對站場干線輸送工藝流程中最常見的2種盲端結(jié)構(gòu)(圖6(a)、(b))進(jìn)行模擬對比，設(shè)定2種結(jié)構(gòu)輸送管段及盲端管段規(guī)格均為Φ660mm×21.6mm，進(jìn)出口管段均為0.5m，盲端管長為1m。油品流速為2m/s，油品物性參數(shù)見表1。

在相同管段規(guī)格、油品物性流速下，彎管流動的盲端結(jié)構(gòu)的油品置換速度較慢于直管流動的盲端結(jié)構(gòu)，而且其形成的渦流面積較小，強(qiáng)度較弱（圖9）。這是因為流線是一條光滑曲線，它不轉(zhuǎn)折，也不能相交，在油品流經(jīng)彎管時，貼附壁面會形成2個渦流區(qū)，內(nèi)側(cè)的渦流區(qū)是由于流體的慣性使邊界層脫離內(nèi)壁造成的；外側(cè)的是由于流體與管壁沖擊引起的。由于這2個渦流區(qū)的存在，使得中心高速流動的后行油品油頭將向彎管內(nèi)側(cè)方向轉(zhuǎn)移，離彎管內(nèi)側(cè)越近，后行油品的速度越大，離彎管內(nèi)側(cè)越遠(yuǎn)，后行油品的速度越小，故較直管盲端而言，彎管所形成的渦流初始形成速度帶較弱較小（圖10），由于系統(tǒng)內(nèi)動能與勢能的此消彼長，故彎管區(qū)域速度分布的不均勻形成了壓力分布的不均勻（圖11），在盲端處為高壓低速區(qū)，在彎管內(nèi)測為低壓高速區(qū)，由此制約了其油品置換速度。

圖9 不同盲端結(jié)構(gòu)油品置換濃度分布云圖

圖10 不同盲端結(jié)構(gòu)油品流速分布云圖

圖11 不同盲端結(jié)構(gòu)管段壓力分布云圖

2.3 不同盲端長度對油品置換的影響

考慮不同盲端長度，站場盲管內(nèi)油品與干線之間置換情況。針對直管盲端結(jié)構(gòu)(圖6(a))，設(shè)定了盲端長度分別為1m和2.5m的結(jié)構(gòu)。輸送管段規(guī)格Φ660mm×21.6mm，進(jìn)出口管段均為0.5m，盲端管段規(guī)格Φ660mm×21.6mm。油品流速為1m/s，油品物性參數(shù)見表1。

在短管盲端中，渦流充斥著整個盲端，封閉的有限空間促使著渦流均勻的進(jìn)行油品置換過程。而在較長盲端中，渦流是逐漸向盲端內(nèi)部擴(kuò)散推進(jìn)，由于渦流頂部的速度矢量沿軸向徑向的分解，使得渦流不斷擴(kuò)大，油品置換強(qiáng)度不斷的減弱（圖12）。故短管盲端油品置換的速度相對較快。

從2種不同盲端長度的油品置換過程可以看出，盲端內(nèi)油品置換的過程可以分為2個階段：①盲端較短時，油品置換是由初始形成的封閉橢圓狀的渦流完成，被置換的油品封閉在渦流內(nèi)部，此置換過程較為迅速，算例中短管用了350s完成了全部的油品置換（見圖12（c））；②盲端較長時，初始形成的橢圓狀渦流無法把盲端油品全部封閉，部分油品在渦流外部，此時渦流會逐漸沿管段擴(kuò)張變大，與此同時迅速的完成渦流內(nèi)部的油品置換，之后便是一個非常緩慢的渦流擴(kuò)張及剩余外部油品置換過程。算例中跟蹤了第二階段置換過程的某一混油界面 （圖13），模擬結(jié)果顯示：在此模擬工況下，油品置換時間從530s到1 800s，僅置換出0.61m管段的油品。由此可見2個置換過程的速度差異很大。為了量化這2個置換過程所需時間值，將部分模擬結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計（表2），從中獲知，關(guān)于站場的盲端結(jié)構(gòu)長度應(yīng)盡量控制在該輸送工況下的渦流長度范圍內(nèi)，這樣可以將盲端油品置換控制在第一階段，并迅速完成油品置換過程，從而減小盲端內(nèi)油品對干線純凈油品質(zhì)量的影響。

圖12 不同盲端長度油品置換濃度分布云圖

圖13 盲端混油界面跟蹤分布云圖

2.4 不同盲端管徑對油品置換的影響

考慮不同盲端管徑，站場盲管內(nèi)油品與干線之間置換情況。針對直管盲端結(jié)構(gòu)（圖6(a)），設(shè)定了盲端長度均為1m的2種不同管徑盲端結(jié)構(gòu)：①輸送管段規(guī)格Φ660mm×21.6mm,盲端管段規(guī)格Φ660mm×11.9mm；②輸送管段規(guī)格 Φ660mm×11.9mm，盲端管段規(guī)格Φ508mm×17.5mm。進(jìn)出口管段均為0.5m，油品流速為1m/s，油品物性參數(shù)見表1。

盲端管徑對油品置換的影響主要是影響渦流形成的大小。管徑越小，形成的橢圓狀渦流越小，封閉于渦流內(nèi)部的盲端油品置換的速度越快（圖14（b）、（c））。當(dāng)盲端長度小于初始形成渦流長度時，盲端管徑越小，油品置換速度越快；當(dāng)盲端長度大于初始形成渦流長度時，油品置換需要經(jīng)歷2個階段，此時盲端管徑對油品置換的影響需要結(jié)合具體盲端長度，不同的盲端長度會有不同的影響結(jié)果，算例中的模擬結(jié)果僅限于此盲端長度。

圖14 不同盲端管徑油品置換濃度分布云圖

圖15 不同輸送順序油品置換濃度分布云圖

2.5 不同輸送順序?qū)τ推分脫Q的影響

考慮不同輸送順序，站場盲管內(nèi)油品與干線之間置換情況。針對直管盲端結(jié)構(gòu)(圖6(a))，設(shè)定2種不同輸送順序：①汽油置換柴油；②柴油置換汽油。盲端結(jié)構(gòu)規(guī)格：輸送管段規(guī)格Φ660mm×21.6mm，進(jìn)出口管段均為0.5m，盲端管段規(guī)格Φ508mm×17.5mm，管長為1m，油品流速為1m/s，油品物性參數(shù)見表1。

由模擬結(jié)果顯示，汽油置換柴油所形成的渦流在大小及強(qiáng)度上均大于柴油置換汽油，故其輸送順序所花的油品置換時間較少（圖15）。由于汽油黏度較低，作為后行油品時，其流經(jīng)盲端區(qū)域時，向盲端內(nèi)部運(yùn)動的分速度較大，形成的渦流較柴油更大更強(qiáng)，故對盲端內(nèi)部的油品的沖刷置換也更為容易（圖16）。

圖16 不同輸送順序后行油品速度分布云圖

3 結(jié)論

利用數(shù)值模擬軟件CFX，對上述問題進(jìn)行建模分析研究，得出如下結(jié)論：

1）在一定的油品流速范圍內(nèi)，隨著流速的增大，盲端內(nèi)油品置換所需的時間將縮小，但時間縮小的幅度逐漸變緩。

2）相同的盲端長度及管徑，受彎管內(nèi)外側(cè)2個渦流區(qū)的作用，彎管流動的盲端結(jié)構(gòu)油品置換所需時間較直管流動的盲端結(jié)構(gòu)長。

3）盲端油品置換可分為2個階段：當(dāng)盲端較短時，初始形成的封閉橢圓狀渦流把盲端內(nèi)油品全部封閉，并迅速完成油品置換；當(dāng)盲端較長時，初始渦流無法把盲端油品全部封閉，部分油品在渦流外部，渦流將沿盲端逐漸擴(kuò)張，并迅速完成第一階段油品置換，最后進(jìn)入渦流緩慢擴(kuò)張及剩余油品勻速置換的第二階段。

4）盲端管徑對油品置換的影響需要結(jié)合具體盲端長度，不同的管徑在不同的盲端長度對油品置換的影響會有不同結(jié)果。

5）順序輸送中油品的排列順序?qū)γざ私Y(jié)構(gòu)的油品置換也存在一定的影響，汽油置換柴油所需的時間比柴油置換汽油所需的時間短。

[1]周雪漪.計算水力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1995.

[2]楊筱蘅.輸油管道設(shè)計與管理[M].東營：中國石油大學(xué)出版社,2011.

[3]謝龍漢,趙新宇,張炯明.ANSYS CFX流體分析及仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社,2012.

[4]吳玉國,孫百超,關(guān)貴興.成品油順序輸送管道變徑管混油數(shù)值模擬[J].當(dāng)代化工,2010,39(6)：23-26.

[5]張青松.成品油管道順序輸送數(shù)值分析與模擬軟件開發(fā)[D].常州：江蘇工業(yè)學(xué)院,2007.