甲醇/柴油順序輸送混油規律模擬

摘要：基于計算流體動力學中的不相容模型，建立甲醇/柴油順序輸送的數值模型，進行甲醇/柴油在3種管徑、管長、傾角下不同輸送順序下的數值模擬，并與經驗計算值進行對比驗證，進而分析總結不同工況條件對混油量的影響規律。結果表明：在相同管長和流速條件下，不同輸送順序下，管徑越大管道中產生的混油量越少；在相同管徑和流速條件下，管長越長混油量增長速率越快；在相同高差傾角條件下，上坡工況密度大油品前行時產生的混油量更大，輕質油品前行隨傾角的增加會抑制混油量的產生；在下坡工況時隨傾角的增加混油量會逐漸增加，重質油品后行會產生更多的混油量，因此在甲醇/成品油順序輸送過程中應盡量避免大落差地形的出現。建議在實際運行管道中應盡量采用大管徑且密度小的甲醇前行以減少管道中混油量產生。

關鍵詞：甲醇； 柴油； 數值模擬； 順序輸送； 混油量

中圖分類號：TE 09"" 文獻標志碼：A" 文章編號：1673-5005（2025）02-0205-09

Simulation of mixed oil law" of methanol/diesel in sequential transportation

LIU Cuiwei^1，2， AI Lina3， DU Changhui^1，2， NIE Chaofei4， YANG Wen4， PEI Yebin4， OU Weili^1，2

（1.College of Pipeline and Civil Engineering， China University of Petroleum（East China）， Qingdao 266580， China；

2.Shandong Provincial Key Laboratory of Oil， Gas and New Energy Storage and Transportation Safety， Qingdao 266580， China;

3.Sionchem Zhoushan Hazardous Chemicals Emergency Rescue Base Company Limited， Zhoushan 316021， China;

4.PipeChina Institute of Science and Technology， Tianjin 300450， China）

Abstract： Based on the VOF model in computational fluid dynamic （CFD）， a straight pipe section model of methanol/diesel sequential transportation was established， and the numerical simulations of methanol/diesel under three different pipe diameters， three different pipe lengths， three different inclination angles and different transportation sequences were carried out. The empirical calculation values were compared to analyze and summarize the influence of different working conditions on the amount of oil mixing and the rule of oil mixing. The results show that under the same pipe length and flow rate， the larger the pipe diameter is， the less the oil mixture is produced in the pipeline. Under the same pipe diameter and flow rate， the longer the pipe length， the faster the growth rate of the oil mixture. Under the same height difference and inclination angle， the amount of oil mixture is bigger when the oil with a bigger density during the uphill condition transports forward， and it can be inhibited by the increase of the inclination angle when the lighter oil transports forward. When the denser oil transports afterwards in the downhill condition there will be a bigger amount of oil mixture， and therefore the big drop terrain should be avoided in the methanol and oil sequential transportation. When there is a height difference in the pipeline transportation process， the amount of mixed oil in the pipeline will vary greatly with the different transportation sequence. It is suggested that methanol medium with a large pipe diameter and a low density should be adopted in the actual operation pipeline to reduce the amount of mixed oil in the pipeline.

Keywords： methanol; diesel; CFD simulation; sequential transportation; oil mixture

2020年中國成品油銷量為33100×104 t，隨著國家雙碳戰略的提出以及新能源汽車的發展，成品油銷量逐年下降，到2060年下降為5000×104 t；與此同時，以氨、氫、醇為代表的液態新能源大規模儲運有望成為成品油管道運營企業開辟第二增長曲線的突破口^［1-2］。目前，中國甲醇產業地區分布不均勻，使用公路及鐵路方式運輸甲醇能力不足、成本高昂。采用現有成品油管道系統剩余運力運輸甲醇，構建完整的可再生能源產業鏈，具有巨大的經濟效益和社會效益。目前隨著管道輸送技術的不斷成熟，在滿足安全和質量標準的前提下，一些國家開始依托管道輸送清潔能源^［3-5］。加拿大改造埃德蒙頓-達巴納比管道和Cochin管道輸送甲醇，2021年5月10日，中國第一條MTO甲醇長輸管線^［6-7］從內蒙古中煤圖克到蒙大末站的MTO甲醇長輸管線首次安全投產成功。但相比歐美國家^［8-12］，中國在利用成品油管道順序輸送甲醇、有機液體儲氫介質、液氨等經驗匱乏，對于管輸非烴類物質與成品油順序輸送模擬及混油傳質規律方面還缺乏研究，亟需論證甲醇與成品油順序輸送的可行性。筆者通過數值模擬研究甲醇/柴油順序輸送過程中流速、管徑、管長、傾角、輸送順序對混油量和混油規律的影響程度，探究甲醇/柴油的摻混體積分數變化。

1 甲醇/柴油順序輸送數值模擬

1.1 甲醇/柴油順序輸送管道物理模型建立

采用計算流體動力學軟件進行數值模擬，首先對管道進行三維建模和網格劃分，選用多相流VOF模型和標準K-ε模型，對甲醇/柴油順序輸送流動過程中的穩態和瞬態過程進行計算。在邊界條件的設置上^［13-14］，入口邊界設為速度入口，出口邊界條件設為自由出流。在順序輸送方式上將前行介質作為第一相，后行油品作為第二相。求解方法選用Simple算法，模擬相同速度下混油段長度隨時間的變化^［15-16］。

在進行順序輸送模擬的過程中將模擬管長設置為12 m，管徑為150 mm，管道壁厚為7 mm，選取甲醇、0#柴油進行不同工況下的順序輸送模擬。兩種輸送介質的物理參數如表1所示。

1.2 模擬流速的選擇與計算

為保證管道內的混油段能夠充分發展，參考華南管網實際成品油管道順序輸送的運行速度，結合Austin混油長度計算公式，表示為

Rej=10000exp（2.72d^0.5）.（1）

式中，Rej為臨界雷諾數；d為管徑，m。

通過計算獲得雷諾數為28675.31，由此計算出管道最小流速為0.5 m/s，考慮到管道在流動過程中存在的摩擦損失，設定管道流速在

1.0～2.0 m/s。進一步由經驗公式計算：

C=11.75d^0.5L^0.5Re^-0.1.（2）

式中，C為混油段長度，m；L為管道計算長度，m； Re為混油雷諾數。

根據經驗公式的計算結果可以看出當流速增大時，雷諾數增大但混油長度會相應減小，混油長度也與管長成一定比例，為精確得出混油段總長度在計算過程中前行混油段體積分數取為99%～1%，利用Austin公式計算得出甲醇/柴油不同順序輸送的混油段長度為4～5.9 m。

1.3 順序輸送模型與實際管輸驗證

考慮到目前甲醇/柴油順序輸送缺乏數據驗證，通過模擬華南成品油管網實際工況下柴油/汽油順序輸送過程以驗證數值模型的準確性。華南管網黃埔-南沙段管徑為300 mm，管道長度為40 km，運行流量為

500 m3/h，通過密度檢測儀測得汽頂柴界面混油量為65～70 m3/h，柴頂汽界面混油量為50～70 m3/h。將模擬管道設置為以上同樣參數，選用多相流VOF模型和標準K-ε模型及相同的順序輸送進行模擬，在不考慮初始混油因素的情況下計算相同時間下的混油段長度，如表2所示。柴油/汽油順序輸送過程中產生的混油模擬結果與真實工況下對比的誤差在5.09%～12.9%，汽油/柴油順序輸送過程中模擬產生的混油段長度與真實工況下對比的誤差在4.0%～12.0%，因此可以驗證數值模擬的準確性。

2 水平直管段下順序輸送模擬

2.1 流速對甲醇/柴油順序輸送混油量影響

在直管道順序輸送模擬中流速取為0.5、1.0、1.5和2.0 m/s。圖1為不同速度下甲醇前行混油體積分數變化云圖。從圖1中可以看出，不同速度下前行甲醇時，當取相同時間節點5 s時，由于混油段的發展長度不同，甲醇的體積分數梯度會出現不同變化。速度為0.5 m/s時管道中的體積分數梯度變化較小，混油梯度變化以軸向的對流擴散為主，此時管內流態為層流狀態；當速度逐漸增加時，管道徑向上柴油體積分數變化梯度會隨速度增大而逐漸增加，取前行油品體積分數90%～99%為混油頭，后行油品體積分數90%～99%為混油尾，隨速度增大混油頭變尖，混油尾變短。此時管道中混油體積分數分布不均勻的原因主要來源于甲醇與柴油密度差大而產生的分子擴散作用，同時當速度增加時管道中的湍流脈動變強使得管道中縱斷面的速度場分布不均勻共同導致混油體積分數梯度變化趨勢增大，進而增加順序輸送過程中的混油量。圖2為不同流速下甲醇/柴油前行混油體積分數變化。

由圖2可以看出，甲醇前行時，

在取相同混油段起始長度的情況下管輸速度為1.5、2.0 m/s時前行甲醇的體積分數變化趨勢比速度為0.5、1.0 m/s時更平緩，產生的混油長度更短，與模擬云圖顯示相一致。

圖3為不同速度下柴油前行混油體積分數變化云圖。由圖3可以看出，由于柴油的黏度較大，柴油前行時相同速度下的順序輸送混油段完全通過管道的運行時間明顯大于甲醇前行時的運行時間。當取相同時間節點5 s時，沿管道徑向上隨速度增加混油體積分數梯度變化逐漸明顯且長度逐漸變長。對比甲醇前行，柴油前行時混油梯度變化區間產生渦流狀態更加明顯，說明柴油前行產生的湍流脈動能力更強，管道中流態更加不穩定，進而增加混油量的產生。由于密度和黏度的影響，柴油附著在管道的黏滯力更大，所以混油段產生的混油頭更尖，混油尾更長。從圖2中可以比較得出不同速度下柴油前行時的混油體積分數體積變化趨勢更為明顯。

對不同速度變化下甲醇/柴油順序輸送下混油長度的模擬值進行計算，選取混油段體積分數為1%～99%、初始混油變化管道長度為10 m以保證混油段可以充分發展，從模擬結果得出混油長度隨速度增加而逐漸減小，與經驗計算結論一致，在輸送速度為2.0 m/s時混油長度為0.84425 m，混油量為0.015 m3。當柴油前行時在相同速度條件下柴油前行得到的混油長度模擬值均大于甲醇前行混油長度，當速度為2.0 m/s時柴油前行的混油量最小為0.016 m3。甲醇前行時產生的混油量會比相同速度下柴油前行產生的混油量更小，柴油前行產生的混油量是甲醇前行混油量的1.053～1.125倍；但模擬值得出的混油長度要明顯小于經驗計算值。

2.2 不同管徑甲醇/柴油順序輸送模擬

在對順序輸送混油量的影響因素中，管徑也是控制混油量產生的因素之一，參考華南管網汽、柴油順序輸送實際管道的管徑和運行速度，模擬中取值為管徑406.4 mm、壁厚7 mm和管徑315 mm、壁厚10 mm，模擬的管輸速度為2 m/s。

圖4、5為不同管徑條件下甲醇/柴油前行混油體積分數變化云圖。截取相同時刻5 s時，混油體積分數梯度變化區間隨管徑增大而逐漸減小，當甲醇前行時，從管道軸向上看混油尾沿管道中心呈近似對稱分布。

fraction changes under different pipe diameters當柴油前行時，混油頭隨管徑減小逐漸變尖，混油尾相比甲醇前行時更長，混油體積分數梯度分布主要集中在管道上側且變化趨勢更為明顯。相同速度、管長條件下，管徑越大混油體積分數變化區間越短，其原因在于當管徑增大時管輸雷諾數增大，管道內更容易產生渦流，此時后行油品能夠更快地替換前行油品從而減少混油量。相同管徑下，當柴油前行時混油拖尾狀態更加不穩定，在較強紊流脈動的影響下混油段中會包含不同體積分數的后行油品進而導致前行介質的混油體積分數曲線產生波動。圖6為不同管徑下甲醇/柴油前行混油體積分數對比。由圖6可以看出，取相同混油初始管長時，不同管徑條件下甲醇前行時混油體積分數變化更加明顯，隨著管徑增大，混油體積分數曲線更加陡峭，產生的混油量呈現下降趨勢。

對不同管徑變化時甲醇/柴油順序輸送下的混油長度模擬值進行計算，無論甲醇前行還是柴油前行在不同管徑混油量的模擬計算結果中都可以得出混油長度會隨管徑增加而逐漸減小，與模擬結果相一致，甲醇前行時管徑越大順序輸送過程中混油長度減少更多。在相同管徑順序輸送時柴油前行的混油量是甲醇前行混油量的1.059～1.25倍。

2.3 不同管長甲醇/柴油順序輸送模擬

管長也是增加混油量重要參數之一，不同于模擬管道，實際順序輸送管道以長輸為主，管道的長度都超過數十公里，是其他參數的幾百倍甚至幾千倍以上。但因CFD模擬條件限制，參考汽/柴油順序輸送模擬文獻^［17-19］中管長的取值在10～100 m。因此選取3種管道長度模擬，設速度為2 m/s，管徑為150 mm，通過比較相同時刻下不同順序輸送在模擬結果中混油段長度，分析管長變化對甲醇/柴油順序輸送混油量的影響和混油傳質規律。

圖7、8為不同管長條件下甲醇/柴油混油體積分數變化云圖。

從圖7、8中可以看出，管長越長混油段通過管道的時間差也越大，混油量越多。相同管長時柴油前行時混油段完全通過管道的時間是甲醇前行通過時間的兩倍。截取相同時刻20 s前行甲醇時，隨管道長度增加混油頭變的更加圓潤，混油體積分數梯度變化區間逐漸變小，相比柴油前行可以更為明顯地看到順序輸送過程中管內所產生的渦流狀態。相比其他條件下管長增加所導致管內后行介質替代前行介質時產生的紊流擴散行為更為劇烈，因此產生的混油量變化趨勢也更大。

圖9為不同管長甲醇/柴油前行混油體積分數對比。從圖9中可以看出，不同管長條件下柴油前行時混油體積分數變化趨勢更明顯，產生混油量的增長速度更快。對不同管長變化下甲醇/柴油順序輸送下混油長度的模擬值進行計算，相同管長條件下柴油前行的混油段長度要大于甲醇前行的混油段長度，管長為50 m時柴油前行的混油量是甲醇前行的1.4倍。

3 甲醇/柴油不同傾角模擬

對于長距離順序輸送管道在管輸過程中出現地形起伏變化和大落差地段的，有研究表明地形起伏時在管道中產生的混油量會隨傾角的變化而改變。因此在模擬中有必要研究傾角和高差起伏變化對管道的影響^［20-24］。本文通過改變重力加速度的方式來改變傾角的大小，為保證順序輸送過程中混油長度可以充分發展并參考實際工程管輸流速，選擇模擬速度為2.0 m/s進行模擬，選擇傾角變化為30°、45°、60°。

3.1 甲醇/柴油不同傾角模擬

在同一種傾角下進行上坡、下坡兩種不同工況的順序模擬，探究管道落差方向對混油量的影響。圖10為不同上坡角甲醇前行混油體積分數變化云圖。由圖10可以看出：在相同速度和管徑條件下上坡角越大混油段完全通過管道的運行時間越長，在上坡段甲醇前行時混油頭隨運行時間增加而逐漸變尖，混油尾隨坡度增加逐漸變短。截取相同時間5 s時，混油體積分數梯度變化區間隨坡度增加而更加明顯；隨坡度增加，管內紊流擴散現象顯著增強，后行油品以波浪狀向前擴散，但混油變化區間逐漸變短，混油量減小，說明在上坡段隨坡度增加重質油品后行會對混油量產生抑制作用。

圖11為不同下坡角甲醇前行混油體積分數變化云圖。從圖11中可以看出，當甲醇前行時隨坡度增加混油段通過管道時間相同。與上坡段不同，取相同時間截點5 s時坡度越大混油體積分數梯度變化區間越長，混油量逐漸增加。當甲醇前行時，從管道徑向上看下坡工況在管內紊流擴散能力較上坡時減弱，隨時間和坡度增加混油頭逐漸變尖銳，混油尾變短且朝向管道的下端。說明當坡度增大時，較重的后行油品更容易受重力分力的影響進入到前行介質中，增大順序輸送過程中的混油量。圖12為坡角30°～60°時甲醇前行混油體積分數變化。由圖12可知，甲醇前行時上坡工況不同角下混油體積分數梯度變化會更加明顯，相同初始管長條件下傾角為60°時產生的混油量最少，在傾角為30°時混油前端會出現體積分數梯度的波動進而增加混油量的產生。

3.2 柴油/甲醇不同傾角模擬

圖13為不同上坡角柴油前行混油體積分數分布云圖。由圖13可以看出，在柴油前行的上坡工況中，隨坡度增加混油段通過管道的時間基本相同。取相同時間節點5 s時，隨著傾角增加混油體積分數梯度會沿管道的徑向逐漸變大，表明混油量逐漸增加。說明在上坡工況時重質油品前行會加大順序輸送過程中混油量的產生，相同上坡工況下對比相同傾角下甲醇前行要比柴油前行產生的混油段更短。圖14為不同下坡角柴油前行混油體積分數分布云圖。從圖14中可以得出，相同傾角下下坡時混油段通過管道的時間與上坡工況相同。下坡時，隨傾角增加混油尾逐漸變長，取相同時間節點5 s時，管道中徑向混油體積分數梯度變化比上坡段更為明顯，管道中紊流擴散現象隨坡度增加明顯加強。相比甲醇前行下坡工況產生的混油量比柴油前行產生的混油量更少。圖15為坡角30°～60°柴油前行混油體積分數變化。從圖15中可以看出，下坡工況柴油前行時不同傾角下混油體積變化更為明顯，當傾角為30°時在混油前端同樣會出現體積下降波動現象。

對不同傾角變化下甲醇/柴油順序輸送時混油長度的模擬值進行計算，當甲醇前行時下坡工況產生的混油量會顯著大于上坡工況產生的混油量且傾角越大產生的混油量差距也越大，60°時上坡工況產生的混油量是下坡工況的2.26倍。在相同上坡工況條件下，甲醇前行產生的混油量也要小于柴油前行產生的混油量，60°時柴油前行產生的混油量是甲醇前行的2.33倍。柴油前行時下坡工況產生的混油量要明顯小于上坡工況，當傾角為60°時上坡工況產生的混油量是下坡工況的2.69倍；在下坡工況下柴油前行產生的混油量也小于甲醇前行，當傾角為60°時甲醇前行產生的混油量是柴油前行的2.71倍。

4 結論與展望

（1）甲醇/柴油順序輸送產生的混油量要小于汽油/柴油順序輸送過程，相同管徑和管長條件下混油量會隨速度增加而逐漸減少，模擬所得混油段長度要明顯小于Austin經驗公式。

（2）在相同管長和流速條件下管徑越大順序輸送過程中產生的混油量越少，密度小的介質前行會顯著減小混油段長度，在甲醇/柴油順序輸送長輸管道過程中應盡量采用大管徑管道進行輸送。

（3）在相同管徑和流速條件下輸送管道越長產生的混油量越多，原因在于管道越長管內紊流擴散現象越劇烈，產生的渦流效應越明顯，相比其他條件管長對混油量的影響最大。

（4）在相同高差傾角條件下上坡工況時重質油品前行時產生的混油量更大，上坡工況下輕質介質前行隨傾角增加會抑制混油量產生；在下坡工況時隨傾角增加混油量會逐漸增加，重質油品后行會產生更多的混油量；在甲醇/成品油順序輸送過程中應盡量避免大落差地形出現。

（5）在不同工況和輸送順序中甲醇/柴油順序輸送方式產生的混油量要明顯小于其他順序輸送方式，在順序輸送甲醇管道的輸送過程中建議采用將密度較大的油品后行的輸送順序。

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［23］ 于濤，于瑤，魏亮.成品油管道界面檢測及混油量控制研究［J］.天然氣與石油，2013，31（5）：5-8，4.

YU Tao， YU Yao， WEI Liang. Research on interface detection and oil mixing control of refined oil pipelines［J］. Natural Gas amp; Oil，2013，31（5）：5-8，4

［24］ 劉杰.成品油管道輸送的混油切割技術與處理研究［D］.西安：西安石油大學，2015.

LIU Jie. Research on cutting technology and treatment of mixed oil in pipeline transportation of refined oil［D］. Xian ：Xian Shiyou University，2015.

（編輯 沈玉英）

基金項目：國家自然科學基金項目（52274066）

第一作者及通信作者：劉翠偉（1987-），男，教授，博士，研究方向為天然氣及氫氣管道安全輸送技術。E-mail：20180093@upc.edu.cn。

引用格式：劉翠偉，艾麗納，杜長慧，等.甲醇/柴油順序輸送混油規律模擬［J］.中國石油大學學報（自然科學版），2025，49（2）：205-213.

LIU Cuiwei， AI Lina， DU Changhui， et al. Simulation of mixed oil law" of methanol/diesel in sequential transportation［J］. Journal of China University of Petroleum （Edition of Natural Science），2025，49（2）：205-213.