儲罐用浮動式油品調和裝置性能與優化分析

劉智銘 謝禹鈞 馮玉琢 馮 斌

（1.遼寧石油化工大學機械工程學院； 2.遼寧誠實工程管理有限公司；3.撫順煉化配件廠）

儲罐內油品分層是一個不容忽視的問題，油品分層的原因大致有兩種：油品密度的不同和油品自身組分分布不均［1］。 目前的解決辦法是在儲罐內設置攪拌器進行調和［2］，調和以后既可以提高油品的性能，使之符合客戶的要求，又能夠提高罐容的利用率，延長了清罐周期，最大限度獲得社會效益和經濟效益［3］。 國內常用的攪拌器主要有側向伸入式攪拌器與旋轉噴射式攪拌器，兩者相比，后者安裝簡便且能大幅降低成本，可避免一定的安全隱患，但對于大型儲罐，旋轉噴射式攪拌器的噴射距離有局限性，在儲罐邊緣存在明顯的死角區域，并伴隨噴嘴高速旋轉，儲罐內部會產生局部負壓，易造成浮盤局部變形，影響油罐的正常運行［4～9］。筆者研發的浮動式油品調和裝置，與傳統的側向伸入式攪拌器和旋轉噴射式攪拌器相比，不僅安裝簡單，容易操作，而且不需要外力驅動，安全高效。筆者現將FLUENT 15.0作為求解器進一步分析該調和裝置的應用和混合效果。

1 浮動式油品調和裝置

儲罐用浮動式油品調和裝置結構如圖1所示，主要由浮筒、彈簧托架、雙支座、總抽出管、集合管、樞軸裝置、分支抽出管（S304不銹鋼）、抽油孔、萬向導輪和金屬軟管組成。 分支抽出管的個數可根據儲罐尺寸大小確定，一般1～12個。 樞軸裝置為雙鉸鏈結構，鉸鏈兩側均設置了轉動和固定兩個法蘭座：轉動法蘭座內側與金屬軟管的轉動端密封連接，其外側與分支抽出管底部焊接在一起； 固定法蘭座與金屬軟管固定端密封連接，其外側與分支抽出管法蘭密封連接在一起，形成轉動接頭。 浮筒安裝在分支抽出管的頂部，在空罐時整個裝置靜置在罐內，分支抽出管依托在彈簧支架上，入料時能夠隨著儲罐內油面的上升而上升，輸送時隨著儲罐內油面的下降而下降［10］。 升降轉角范圍在0～60°之間，確保調和裝置在儲罐內不同液位時，按照約定的比例抽取各層油品。

圖1 儲罐用浮動式油品調和裝置結構簡圖

儲罐用浮動式油品調和裝置安裝在儲罐內部，一端與罐體的出油管相連，另一端與和出油口等高的集合管相連，集合管具有分流和匯集的作用，并與多支具有隨液面自動起落功能的分支抽出管轉動端相連，抽出管的另一端在油料的浮力作用下隨著液面的升降而升降，無需其他動力支持。 通過設計計算，在每個分支浮動抽出管的管壁水平方向兩側，設置了兩排直徑自上往下逐漸變小的吸油圓孔，確保每對吸油圓孔的進油體積流量都相等。

浮動式油品調和裝置工作過程中，由于浮筒的浮力使分支抽出管可以隨著儲罐內液面的升降而獨立上下浮動，不同液位的油料在同一時間從抽油孔進入分支抽出管中，在外部輸送泵的作用下，油料在分支抽出管內進行初步混合，隨即到達集合管處匯合， 在管路中進一步地調和，保證油料均質化輸出。

2 數值模擬

2.1 流動的基本控制方程

儲罐用浮動式油品調和裝置的調和過程為多相流的湍流流動過程， 多相流模型采用混合（Mixture）模型，湍流模型采用標準k-ε模型。 主要控制方程有連續性方程、動量守恒方程和湍流（kε）方程［11］，分別為：

式中 C1ε——經驗常數，取值1.44；

C2ε——經驗常數，取值1.92；

Gk——由平均速度梯度引起的湍動能；

p——壓強，Pa；

t——時間，s；

ux、uy、uz——x、y、z3個方向的速度分量，m/s；

ρ——流體密度，kg/m3；

τxi、τyi、τzi——粘性應力分量，Pa；

μ——黏度，Pa·s；

μt——動力黏度，Pa·s；

σk——湍動能對應的普朗特數，取值1.0；

εk——湍動耗散率對應的普朗特數，取值1.3。

2.2 模型的建立

按照立式儲罐的實際尺寸建立模型，該儲罐直徑為28m，高度為17m。 儲罐用浮動式油品調和裝置安裝在距離儲罐底部800mm的位置，設有一支分支抽出管，規格為DN300mm×15440mm，在抽出管上水平方向開有20對抽油孔（每側各20個），孔 徑 從22.98～149.30mm 不 等， 每 對 孔 間 距 為500mm。

2.3 網格劃分

利用ICEM-CFD軟件建立二維模型并進行網格劃分，對浮動式油品調和裝置的入口和出口進行局部加密，既保證計算的精準度也減少模擬的計算量，便于在FLUENT中進行求解，劃分模型網格如圖2所示，最后網格數量為40萬。

圖2 浮動式油品調和裝置模型網格

2.4 初始條件

選擇輸油量Q=200m3/h=0.05556m3/s， 計算得每個抽油孔進口流量為0.001 40m3/s，正常工作溫度20℃，流體材料的物性參數見表1。

表1 原油物性參數

在初始狀態下， 假設5種組分的油品以分層的形式填充整個儲罐［12］，且在重力作用下，密度最小的原油位于儲罐的頂部，密度最大的原油位于儲罐的底部。

2.5 邊界條件

抽油孔為模型入口， 定義為質量流量入口；出口定義為壓力出口； 其余邊壁類型默認為WALL，固體壁面為無滑移光滑界面，上面為自由液面， 不考慮罐底沉積情況， 選用FLUENT 15.0作為求解器， 同時給予9.81m/s2的重力加速度，這樣的邊界條件定義方式可以使得儲罐內的初始條件更加接近實際情況。

3 計算結果與分析

利用FLUENT軟件分析計算儲罐用浮動式油品調和裝置的調和性能，提取模擬數據并進行處理和對比。

3.1 速度場分布

由流速分布矢量圖（圖3）可見，不同液位的油料在輸送泵作用下，通過抽油孔的同時等流量進入分支抽出管內，依靠自身的動力在管內進行自動均勻混合，在頂部流速很小，越靠近底部流速越大，最大值2.57m/s，并且靠近儲罐底部的原油進入抽油孔內的流動趨勢比儲罐上方的好。

圖3 分支抽出管內的流速分布矢量圖

3.2 出口油密度平均值

經過模擬計算，5種密度的油品經調和裝置后出口油密度平均值為868.12kg/m3（圖4），理論出口油密度平均值為860kg/m3，兩者相差較大。可見，開孔面積大小是出口油密度平均值的影響因素之一， 需優化設計分支抽出管上的開孔面積，確保輸油的質量。

3.3 結構優化后的結果分析

為了能始終吸取不同密度組分的油料，有效保證輸油質量的穩定性，需要優化在分支抽出管上的開孔面積，開孔面積越精準，得到的出口油密度平均值越精確。 以抽油孔為基準值時，出口油密度平均值誤差較大，因此在保證輸油量一定的前提下，優化設計了兩組抽油孔的面積。

圖4 模擬調和裝置出口油密度平均值

圖5所示為優化分支浮動抽出管開孔面積后的管內流速分布矢量圖。 與優化設計之前相比，方案1和2的分支抽出管的整體流速變大，但是流速整體趨勢基本沒有變化， 從抽出管頂部到底部，速度逐漸增大，頂部流速基本為0m/s，在靠近抽出管底部位置速度最大。

圖5 優化后分支抽出管內的流速分布矢量圖

優化前出口油密度平均值為868.12kg/m3，使用方案1優化后為864.34kg/m3，使用方案2優化后為862.15kg/m3，整個運行系統保持在相對更加穩定的平衡狀態，優化后的出口油密度平均值誤差明顯減小，更加接近理論值。

4 結論

4.1 利用CFD技術對新型儲罐用浮動式油品調和裝置進行數值模擬， 得到的流場與實際相吻合，并能有效反映調和裝置內的流動狀態。

4.2 儲罐用浮動式油品調和裝置能夠將儲罐內的分層油料進行有效的均勻調和，且無需其他動力，極大地節省了利用其他攪拌方式所帶來的高成本。

4.3 在保證輸油量和每個抽油孔等流量抽取的情況下， 調和裝置的抽油孔面積優化設計時，分支浮動抽出管上的開孔面積越精確，出口油密度平均值誤差越小，調和裝置的穩定性越高。