支線作業(yè)對主管線運(yùn)行工況影響的數(shù)值模擬

王文武，劉德俊

模擬與計算

支線作業(yè)對主管線運(yùn)行工況影響的數(shù)值模擬

王文武，劉德俊

（遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001）

順序輸送成品油管道先后所輸油品物性互異，由于不同地區(qū)對能源的需求存在差異，沿線存在分輸或注入的支管。當(dāng)支線進(jìn)行作業(yè)時，支線以后的主管道油品流速及壓力等運(yùn)行工況將發(fā)生變化。應(yīng)用軟件對算例進(jìn)行模擬，分析不同的分輸或注入量對支點(diǎn)后的主管道運(yùn)行工況的影響。為今后順序輸送管道的投產(chǎn)運(yùn)行提供理論依據(jù)。

順序輸送；支線作業(yè)；運(yùn)行工況；影響；數(shù)值模擬

由于順序輸送[1,4]管線先后輸送物性不同的油品，沿線不同煉油廠將沿途輸入或輸出一定量的成品油[5]，輸入或輸出油品量的大小影響著前行油品的運(yùn)行參數(shù)，輸出量過多會導(dǎo)致油品混油段[6]的增加，從而將帶來一定的經(jīng)濟(jì)損失。當(dāng)不存在支線運(yùn)行時，各管段的運(yùn)行工況一定。隨著社會的發(fā)展，各地區(qū)對能源的需求不同，導(dǎo)致順序輸送主管線存在分輸或注入的支線較多，當(dāng)分輸或注入后行油品時，將使分輸點(diǎn)或注入點(diǎn)之后的管內(nèi)壓力及速度場發(fā)生變化。通過對分輸或注入某后行油品時管內(nèi)前行油品的變化進(jìn)行數(shù)值模擬，得出前行油品的壓力及流速的變化情況。順序輸送管道所輸油品是直接進(jìn)入市場的成品油，對油品的質(zhì)量有嚴(yán)格要求，所以準(zhǔn)確分析分輸或注入后行油品對其前行油品運(yùn)行參數(shù)影響具有重要意義。

1 建立模型

1.1物理模型

以輸送0#柴油[7]管道為研究對象，主管道直徑為500 mm，長10 m，流速為2 m/s,支管直徑為200 mm，長2 m，流速為1 m/s,對模型進(jìn)行四邊形網(wǎng)格劃分，如圖1、2、3。

圖1 無分支二維管道網(wǎng)格劃分模型Fig.1 Two dimensional mesh model of pipeline without branch

圖2 存在一個分支的二維管道網(wǎng)格劃分模型Fig.2 Two dimensional mesh model of pipeline with one branch

圖3 存在兩個分支的二維管道網(wǎng)格劃分模型Fig.3 Two dimensional mesh model of pipeline with two branches

1.2 數(shù)學(xué)模型

管道輸送油品控制方程包括動量方程、連續(xù)性方程[8]，管內(nèi)油品流態(tài)為湍流，運(yùn)用k–ε方程[9]湍流模型模擬管道在不同數(shù)量分支時的運(yùn)行情況，考慮到油流近壁面的粘性效應(yīng)，在近壁面處建立了流動邊界層。

由于管道模型模擬水平狀態(tài)的運(yùn)行參數(shù)，故不考慮由重力方向的參數(shù)變化，動量方程如下：

式中：ρ為流體密度，kg/m3；μ為流體的動力粘度，Pa·s；υ為速度矢量，m/s；p為液體內(nèi)應(yīng)力張量，Pa。

連續(xù)性方程：

式中：υx為x方向速度矢量，m/s；υy為y方向速度矢量，m/s。

k–ε運(yùn)輸方程：

式中：Gk為因平均速度梯度引起的湍流動能產(chǎn)生項；Gb為因浮力影響引起的湍流動能產(chǎn)生項；YM為可壓縮湍流脈動對總的耗散率的影響；μt為湍流粘度，Pa·s；υi、υj為時均速度，m/s；C1ε、C2ε、C3ε為經(jīng)驗常數(shù)，默認(rèn)值分別為1.44、1.92、0.09；Sε、SK為用戶定義的源項。

1.3 初始條件及邊界條件

3種模型的主管道流速均為2 m/s，支管流速為1 m/s，由于模擬的只有水平方向，所以不考慮重力引起的參數(shù)變化，管道入口采用velocity-inlet邊界[10]，出口采用outflow邊界。

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.1 無支管的主管線

管內(nèi)流速為2 m/s，0#柴油管道運(yùn)行穩(wěn)定時的壓力云圖見圖4，壓力變化曲線見圖5。由圖4、圖5可以看出，當(dāng)無支管的管線運(yùn)行時壓力基本呈線性變化。

圖4 0#柴油管道運(yùn)行穩(wěn)定時的壓力云圖Fig.4 Drawing of 0# diesel oil pipeline pressure during stable running

圖5 0#柴油管道運(yùn)行穩(wěn)定時的壓力曲線圖Fig.5 Curve of 0# diesel oil pipeline pressure during stable running

2.2 有一根支管的主管線

圖6 有一根支管的0#柴油管道運(yùn)行穩(wěn)定時的壓力云圖Fig.6 Drawing of 0# diesel oil pressure in pipeline with one branch during stable running

圖7 有一根支管的0#柴油管道運(yùn)行穩(wěn)定時壓力曲線圖Fig.7 Curve of 0# diesel oil pressure in pipeline with one branch during stable running

干管流速為2 m/s，支管流速為1 m/s，0#柴油管道運(yùn)行穩(wěn)定時的壓力云圖見圖 6，壓力變化曲線見圖7。由圖6、圖7可以看出，在支管附近的后行段油品壓力值逐漸增加，對應(yīng)支管位置的壓力驟增，隨后壓力呈直線下降直至趨于平穩(wěn)。

2.3 有兩根支管的主管線

圖8 有兩根支管的0#柴油管道運(yùn)行穩(wěn)定時的壓力云圖Fig.8 Drawing of 0# diesel oil pressure in pipeline with two branches during stable running

干管流速為2 m/s，支管流速為1 m/s，0#柴油管道運(yùn)行穩(wěn)定時的壓力云圖見圖 8，壓力變化曲線見圖9。由圖8、圖9可以得出，在各支管附近的后行段油品壓力值均逐漸增加，對應(yīng)支管位置的壓力都瞬間驟增，隨后壓力呈直線下降直至趨于平穩(wěn)。

3 結(jié) 論

通過對單根主管線、存在一根支管線及兩根支管線的輸油管道進(jìn)行數(shù)值模擬可以得出：

（1）只有干管運(yùn)行時，壓力變化基本成線性逐漸下降，壓力變化趨于穩(wěn)定。

（2）有一根支管的干管運(yùn)行時，支管處的壓力突然增大，之后又在反作用力的作用下壓力驟然下降，之后又逐漸上升直至趨于平穩(wěn)變化。

（3）有兩根支管的干管運(yùn)行時，各個支管處的壓力分別突然增大，之后又在反作用力的作用下壓力驟然下降，之后又逐漸呈大幅度波動著上升直至趨于平穩(wěn)變化。

圖9 0#柴油管道運(yùn)行穩(wěn)定時的壓力曲線圖Fig.9 Curve of 0# diesel oil pressure in pipeline with two branches during stable running

［1］ 趙會軍, 張青松, 張國忠, 等. 順序輸送管道混油濃PHOENICS數(shù)值模擬[J]. 后勤工程學(xué)院學(xué)報, 2007, 1:25-28.

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Impact of Oil Branch Pipeline Operation on Running Properties of Main Pipeline

WANG Wen-wu, LIU De-jun
(College of Petroleum Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China)

There are different oil products in running of sequential transportation pipeline, and these branch pipelines are used to subtract some oil from the main pipeline or trickle some oil into the main pipeline due to the different demand between different regions. When these branch pipelines work, the flow velocity and pressure in the main pipeline behind the branches will change. In this paper, the software was used to simulate the examples, effect of branch pipelines running on the main pipeline was analyzed, which could provide theoretical basis for planning sequential transportation scheme.

Sequential transportation; Branch pipeline operation; Running properties; Impact; Mathematical simulation

TE 832

： A

： 1671-0460（2015）03-0783-03

2014-11-12

王文武（1975-），男，遼寧撫順人，講師，碩士，2006年畢業(yè)于蘭州理工大學(xué)結(jié)構(gòu)工程專業(yè)，土木工程方向：從事教學(xué)工作。E-mail：41116521@qq.com。