輸油管道積水驅(qū)除流動(dòng)特性研究*

耿光偉,暢元江,劉洪佳,倪玲英

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 機(jī)電工程學(xué)院,山東 青島 266580;2.中海油石化工程有限公司,山東 青島 266010;3.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院,山東 青島 266580)

0 引言

目前國(guó)內(nèi)大中型機(jī)場(chǎng)一般采用機(jī)坪管網(wǎng)輸送航煤供飛機(jī)加油,管道布置均采用地下穿越方式,當(dāng)管道定向穿越跑道、滑行道等道路時(shí)無(wú)法設(shè)置低點(diǎn)排水,同時(shí)航空煤油中含有微量水,在一定的溫度和壓力條件下,部分水會(huì)在輸油過(guò)程中分離出來(lái)聚集在管道低點(diǎn)底部形成積液,造成管道內(nèi)部腐蝕[1-3]。因此,設(shè)計(jì)管道時(shí)提出取消低點(diǎn)導(dǎo)淋,將管道內(nèi)部各低點(diǎn)處游離水集中攜帶至指定低點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一處理。考慮到管輸油品對(duì)積水具有一定的沖刷攜帶作用,因此采用油流攜帶積水的方式清除管內(nèi)積水[4-5]。針對(duì)油攜水驅(qū)除機(jī)理開(kāi)展了大量的研究工作,在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)積水以水滴的方式被攜帶出管道[6-9]。由于受實(shí)驗(yàn)條件的限制,對(duì)于大管徑管道積水驅(qū)除及積水分布流動(dòng)特性研究相對(duì)較少[10-14]。為深入研究油-水兩相流作用機(jī)理,更好地開(kāi)展管道油攜水流動(dòng)特性分析,本文采用實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬相互驗(yàn)證的方法對(duì)下傾-水平-上傾管段積水在油相攜帶作用下流動(dòng)特性進(jìn)行研究,研究結(jié)果可為實(shí)際工程中管道積水驅(qū)除操作提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)概述

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

為研究管道內(nèi)部油相攜水機(jī)理,搭建下傾-水平-上傾管段實(shí)驗(yàn)研究系統(tǒng)如圖1所示。實(shí)驗(yàn)流程主要包括航煤分離系統(tǒng)、儲(chǔ)存系統(tǒng)、測(cè)試管段、積水注入操作系統(tǒng),如圖1(a)流程圖所示。其中實(shí)驗(yàn)管道總長(zhǎng)約8 m,下傾、水平和上傾管段的長(zhǎng)度分別約為0.5,1.5,4.5 m,其余約1.5 m用于保證實(shí)驗(yàn)管道兩端的法蘭連接、連接器連接。向下傾斜角度為4°,向上傾斜角度為13°,如圖1(b)所示。實(shí)驗(yàn)介質(zhì)采用航空煤油、自來(lái)水,20 ℃時(shí)對(duì)應(yīng)的密度分別為794.1,997 kg/m3,黏度分別為2.21,0.895 mPa·s。實(shí)驗(yàn)管道系統(tǒng)采用無(wú)縫鋼管和亞克力管結(jié)合串聯(lián),為避免對(duì)流動(dòng)干擾及保證密封性,亞克力管之間通過(guò)連接器連接,無(wú)縫鋼管通過(guò)平焊法蘭連接。整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)放置于可調(diào)鋁型支架臺(tái)上,以保證測(cè)試管段穩(wěn)定性、管道傾斜角度可調(diào)性及低位水平管段上泄水閥放空操作。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Experimental system

1.2 實(shí)驗(yàn)流程

將儲(chǔ)油罐中的航空煤油通過(guò)離心油泵打入實(shí)驗(yàn)環(huán)道,經(jīng)標(biāo)定的流量計(jì)后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)測(cè)試管道,測(cè)試后的油-水混合液經(jīng)旋流分離器分離后再回到儲(chǔ)油罐。實(shí)驗(yàn)前采用注射器將標(biāo)定的注水量注入水平管段底部,并利用高速攝像機(jī)監(jiān)測(cè)記錄水平及上傾管道中水相運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

2 數(shù)值計(jì)算

根據(jù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)管段建立幾何模型,經(jīng)過(guò)大量數(shù)值模擬試算,可以發(fā)現(xiàn)下傾管段對(duì)模擬結(jié)果影響不大。因此,只取水平與上傾管段作為研究對(duì)象,如圖2(a)所示,同時(shí)考慮重力、界面張力以及壁面黏附力[15-16]。管道網(wǎng)格劃分時(shí),面網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)四邊形網(wǎng)格,體網(wǎng)格采用Cooper方法混合網(wǎng)格,在管道彎頭處進(jìn)行局部加密。

圖2 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)Fig.2 Grid independence test

網(wǎng)格數(shù)量及質(zhì)量直接影響計(jì)算迭代,為了保證計(jì)算精度及降低迭代耗時(shí),對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn),由圖2(b)可知,當(dāng)計(jì)算網(wǎng)格數(shù)為110 000個(gè)時(shí),既能保證計(jì)算精度又能極大降低計(jì)算耗時(shí)。

FLUENT中VOF模型可以直觀地表觀非穩(wěn)態(tài)多相流界面問(wèn)題,在本文數(shù)值模擬中管道內(nèi)油-水兩相界面的位置動(dòng)態(tài)變化是判定管道積水驅(qū)除完成的關(guān)鍵因素。管道積水研究屬于瞬態(tài)過(guò)程,選取具有優(yōu)勢(shì)的PISO迭代算法,紊流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。采用文獻(xiàn)[17-18]提出的幾何重構(gòu)算法來(lái)處理界面。在整個(gè)計(jì)算區(qū)域中,油水兩相使用同一個(gè)動(dòng)量方程進(jìn)行計(jì)算如式(1)所示:

(1)

邊界條件的設(shè)置影響著數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的精確性。模擬中入口邊界條件為速度入口,出口邊界條件為壓力出口,管段內(nèi)壁面處理采用靜止、無(wú)滑移壁面邊界[19-20]。初始條件下定義管道的入口處只有油相,水平管段為油相-水相共存,管道底部游離積水,上傾管段全部為油相。

3 等效切應(yīng)力原理

張國(guó)忠等研究指出:管流液體的有效剪切應(yīng)力是宏觀表征摩阻特性的參數(shù),管內(nèi)流動(dòng)處于層流亦或是紊流光滑區(qū),管壁處的流動(dòng)特性表現(xiàn)為層流,管壁處切應(yīng)力應(yīng)與管壁處的剪切速率表現(xiàn)為正比特性[21]。穩(wěn)定流動(dòng)條件下牛頓流體在紊流光滑區(qū)的管流有效剪切速率的計(jì)算公式如式(2)所示:

(2)

式中:u為油相流速,m/s;r為管道半徑,mm;D為管道直徑,mm;Re為雷諾數(shù)。

假設(shè)理想狀態(tài)下實(shí)際工程中與實(shí)驗(yàn)管路中介質(zhì)的性質(zhì)相同,也就是意味著流體密度以及動(dòng)力黏度一致。通過(guò)式(2)得如式(3)所示:

(3)

由式(3)可知,將管內(nèi)流動(dòng)速度介質(zhì)控制在較低水平下,可以有效的避免由于管徑變小而導(dǎo)致流速增大。并且,基于等效切應(yīng)力原理通過(guò)小管徑積水驅(qū)除運(yùn)動(dòng)特性數(shù)據(jù)反推大管徑積水驅(qū)除特性。

4 實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果比較

4.1 積水形態(tài)分布

通過(guò)監(jiān)測(cè)管中油相對(duì)積水的攜帶過(guò)程,從實(shí)驗(yàn)整體考慮發(fā)現(xiàn)管道積水的流動(dòng)狀態(tài)主要表現(xiàn)為分層流和波浪流。當(dāng)管徑、上傾角和含水量相同,油相流速較小時(shí),積水停留在彎管段,此時(shí)積水受到油流的剪切作用較小,油水界面比較平穩(wěn),呈現(xiàn)左端薄右端厚的大水滴狀態(tài),界面沒(méi)有波動(dòng);油相流速變大,油相攜帶力增大,當(dāng)攜帶力大于積水所受重力與壁面剪切力時(shí),積水處于受迫爬升狀態(tài),爬升階段積水呈現(xiàn)鋸齒狀波浪。由實(shí)驗(yàn)拍攝圖像與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)比可知,二者積水流態(tài)基本特性表觀一致,如圖3所示。隨著管內(nèi)油相流速的不斷增大,油相攜帶力完全可以滿足驅(qū)除水平管道、上傾管道、彎頭位置的積水重力與壁面剪切力,保證積水完全被攜帶出管道。

圖3 不同油速的積水分布形態(tài)Fig.3 Distribution patterns of water accumulation under different oil velocities

當(dāng)管徑、油相流速及上傾角保持不變,含水量不同時(shí),油水界面形態(tài)沒(méi)有明顯差異,此時(shí)積水大部分處于彎管段,積水狀態(tài)為分層流和輕微波動(dòng)的分層流。但隨著含水量增加,促使進(jìn)入上傾管段的積水量增多,導(dǎo)致處于彎管處的積水長(zhǎng)度被拉長(zhǎng),積水厚度變大。這是由于管道中只有油相具有動(dòng)力源,水相通過(guò)與油相之間的作用力開(kāi)始運(yùn)動(dòng),當(dāng)積水流經(jīng)彎管段,油流方向發(fā)生改變,此時(shí)積水在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所受到的剪切力不斷變化,從而產(chǎn)生積水本身長(zhǎng)度與厚度的改變,但積水形態(tài)沿移動(dòng)方向變化基本一致。由圖4實(shí)驗(yàn)與數(shù)模管道內(nèi)積水流態(tài)分布可知,模擬結(jié)果的變化趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果接近。

4.2 完全排出積水的時(shí)間

以管徑50 mm,上傾角12°為例,對(duì)比分析含水量分別為10,25 mL時(shí),在不同油相流量條件下管道積水被油流完全攜帶驅(qū)除所用的時(shí)間,如圖5所示。實(shí)驗(yàn)中,管道積水完全被攜帶排出所用的時(shí)間為積水流經(jīng)上傾管段的時(shí)間,數(shù)值模擬所用的時(shí)間為積水從靜止到完全排出管道的時(shí)間。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn):當(dāng)油量較小時(shí),實(shí)驗(yàn)與數(shù)模結(jié)果相差較大,這是由于油量較小時(shí),積水需要克服的油相剪切力及自身重力較大,積水移動(dòng)相對(duì)緩慢,排出管道所需時(shí)間較長(zhǎng);當(dāng)油量較大時(shí),伴隨積水自身運(yùn)動(dòng)慣性的增大,積水移動(dòng)較快,所用時(shí)間較短。同時(shí)由于實(shí)驗(yàn)與模擬過(guò)程中所測(cè)量的時(shí)間有所不同,因此在數(shù)值上存在一定的時(shí)間差。總體而言,結(jié)合對(duì)比實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果,將管道積水完全攜帶驅(qū)除所用的時(shí)間基本接近。

圖5 不同油相流量條件下完全排出積水用時(shí)Fig.5 Time using to completely discharge water accumulation under different oil phase flow rates

4.3 等效切應(yīng)力原理的應(yīng)用

通過(guò)以上分析,不論是底部積水形態(tài)還是積水完全攜帶排出所用的時(shí)間,數(shù)值模擬結(jié)果都能很好的與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。基于等效切應(yīng)力原理,依據(jù)實(shí)驗(yàn)得出的較小管徑的工況數(shù)據(jù)推出較大管徑所需數(shù)據(jù),同時(shí)采用Fluent軟件對(duì)大管徑的管道進(jìn)行數(shù)值模擬。

選取管徑分別為50,600 mm,上傾角13°,含水量60 mL的工況,其中管徑600 mm時(shí),其水平管長(zhǎng)15.6 m,上傾管長(zhǎng)48 m,皆為管徑50 mm管道尺寸的12倍,對(duì)比2種管徑在不同油速條件下完全驅(qū)除積水所用的時(shí)間。通過(guò)等效切應(yīng)力原理即可得到相同工況下的管徑為600 mm的油相流速,如式(4)所示:

(4)

當(dāng)運(yùn)行工況相同,管徑不同時(shí),管徑600 mm的油相速度是管徑50 mm時(shí)油相速度的1.426 2倍,如表1所示。

表1 不同油速條件下完全排出積水所用的時(shí)間Table 1 Time using of drainage water at different oil velocity

對(duì)比表1中數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),上傾角和含水量不變時(shí),對(duì)于不同的油速,管徑600 mm時(shí)將積水完全排出管道所用的時(shí)間基本接近管徑50 mm時(shí)所用時(shí)間的12倍。由此說(shuō)明數(shù)值模擬可以很好的解釋分析大管徑管道底部積水驅(qū)除系統(tǒng)的流動(dòng)特性。

4.4 大管徑管道積水形態(tài)分布

基于等效切應(yīng)力原理,選取管徑600 mm,油相流速v=0.863 m/s,上傾角12°的工況,分析大管徑的管道積水被油流攜帶驅(qū)除過(guò)程的流態(tài)分布,如圖6所示。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn):不同時(shí)刻對(duì)應(yīng)不同的積水形態(tài),初始階段積水平鋪在水平管段,積水長(zhǎng)度在油相剪切力作用下逐漸拉長(zhǎng),呈現(xiàn)中間厚兩端薄的狀態(tài),此時(shí)為分層流;隨著時(shí)間的延長(zhǎng),積水受到壁面剪切力和油水界面張力作用開(kāi)始爬坡,積水大部分聚集在上傾管段,但由于自身重力的作用,水平管段依然聚集部分積水,且積水兩端出現(xiàn)輕微波動(dòng),此時(shí)為有輕微波動(dòng)的分層波浪流;隨著積水慢慢向前移動(dòng),油相在爬坡過(guò)程中會(huì)通過(guò)摩擦阻力耗散剪切賦予的能量,導(dǎo)致積水厚度變薄。此時(shí)油水界面失穩(wěn),小水滴被油流打散脫離積水主體,部分小水滴在前進(jìn)過(guò)程中聚集成大水團(tuán)繼續(xù)爬坡,此時(shí)積水狀態(tài)為有水滴進(jìn)入油相的波浪流。

圖6 D=600 mm、v=0.863 m/s的積水形態(tài)Fig.6 Forms of water accumulation at D=600 mm and v=0.863 m/s

5 結(jié)論

1)管道底部的積水形態(tài)表觀主要受持液率及油相流速影響,其中油相流速占主導(dǎo)因素。油相流速較低時(shí),油水界面為穩(wěn)定的分層流;油相流速較高時(shí),油水界面表現(xiàn)為紊亂的鋸齒波浪流,部分積水積聚在管道上傾段。

2)采用有機(jī)玻璃管開(kāi)展管道油攜水特性實(shí)驗(yàn)研究,通過(guò)對(duì)比積水形態(tài)與積水完全排出管道用時(shí),發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)模結(jié)果基本一致,為研究大管徑管道特性提供參考價(jià)值。

3)基于等效切應(yīng)力原理對(duì)大管徑的管道積水形態(tài)進(jìn)行數(shù)值求解驗(yàn)證,可以很好地解釋管道積水驅(qū)除系統(tǒng)的流動(dòng)特性,對(duì)管道積水驅(qū)除的實(shí)際開(kāi)展應(yīng)用具有指導(dǎo)意義,對(duì)保障管道安全具有重大意義。