温度对冷热原油交替输送影响的数值模拟

曲晶瑀 闫 肃 张可心

1.东北石油大学石油工程学院,黑龙江 大庆 163318;2.中国石油集团海洋工程有限公司,北京 100176;3.中国石油大庆油田有限责任公司储运销售分公司,黑龙江 大庆 163453



温度对冷热原油交替输送影响的数值模拟

曲晶瑀1闫 肃2张可心3

1.东北石油大学石油工程学院,黑龙江 大庆 163318;2.中国石油集团海洋工程有限公司,北京 100176;3.中国石油大庆油田有限责任公司储运销售分公司,黑龙江 大庆 163453

为了解不同原油温度对冷热原油交替输送过程中混油量的影响,建立冷热原油交替输送计算模型,运用计算流体动力学FLUENT软件采用有限体积法对原油温度进行数值模拟,得到不同温度条件下冷热原油交替输送过程中的混油分布规律并对模拟结果进行分析。结果表明，热油前行会比冷油前行产生更多的混油;在热油前行的情况下,适当提高冷油出站温度会减少混油量;在冬季埋地管线地温较低时,应多进行冷油前行、热油后行的输送方式来减少混油量。

顺序输送;混油;FLUENT;数值模拟

0 前言

原油管道输送方式,具有运输量大,能耗少,运费低的优点。我国原油一般为高黏高凝原油,此种原油的特点是在低温状态下流动性较差,这也是我国长输管线大多采用加热输送的原因[1]。而进口原油与国产原油不同,大多数为低黏低凝原油,在低温状态下依然能保持较好的流动性。

1 计算模型

1.1 几何建模与网格划分

模拟管道长度20 m,直径1 m,在建立三维几何模型后通过ICEM软件进行O型网格划分,所得六面体网格数41 152个,节点数5 133个。管道三维网格见图1。

图1 管道三维网格模型

1.2 计算方程

任何流动问题都必须满足质量守恒定律,冷热原油交替输送过程中的流体也必须满足质量守恒定律,即称作连续性方程:

(1)

式中:ρ为原油密度,kg/m3;u、v、w为速度在x、y、z方向分量,m/s;t为时间,s。

任何流动系统必须满足动量守恒定律,即牛顿第二定律:

(2)

式中:μ为原油黏度,mPa·s;p为油流压力,Pa。

能量方程:

(3)

式中:cP为比热容,J/(kg·℃);T为原油温度,℃;k为原油的传热系数，W/(m2·℃);ST为黏性耗散项。

管道中的原油视为不可压缩流体,其运动符合湍流运动,因此采用标准k-ε模型来模拟冷热原油的管内流动。在湍流的工程计算中,标准k-ε模型应用最广泛,k和ε是两个未知量,其方程分别是[9-13]:

Gb-ρε-YM+SK

(4)

(5)

式中:Gk为由平均速度梯度引起的湍动能K的产生项;Gb为由浮力引起的湍动能K的产生项;YM为指可压湍流中脉动扩张的贡献;C1ε、C2ε和C3ε为经验常数;Sk和Sε分别为用户定义的源项。

标准k-ε模型中的经验常数分别为:C1ε=1.44,C2ε=1.92,C3ε=0.09,σk=1.0,σε=1.3。

在标准k-ε模型中,ε表示湍动耗散率,其定义为:

(6)

式中:ui′为时均速度脉动值,m/s。其中湍动黏度μt表示成k和ε的函数,即:

(7)

式中:Cμ为经验常数,取Cμ=0.09。

1.3 边界条件及物性参数

本模拟管道的进出口分别定义为速度入口和压力出口,入口速度取3 m/s,出口压力取1个标准大气压。壁面条件选择加强壁面函数条件,采取一阶迎风差分格式和SIMPLE算法求解。

模拟顺序输送的油品为大庆原油(以下简称庆油)和俄罗斯原油(以下简称俄油),模拟输送时间为5 s。庆油与俄油的油品物性参数差异很大,温度和黏度都随温度的变化而变化,在冷热原油的交界面会产生热量传递。根据文献[14-18]查得2种油品的密度和黏度随温度的变化曲线,以此为基础,计算得到庆油和俄油的密度和黏度随温度变化的函数关系式,并利用UDF编写程序导入FLUENT软件进行计算。

ρQ=1 063.911 6-0.693 2T

(8)

ρR=1 050.749 1-0.721 3T

(9)

μQ=exp(12 613.116 8/T-43.018 6)

(10)

μR=exp(2 506.464 1/T-13.385 3)

(11)

式中:μ为原油的动力黏度,Pa·s;T为热力学温度,K。

2 计算结果与分析

2.1 不同输送次序对混油的影响

根据庆铁线(大庆—铁岭)生产运行数据,以不同工况下的数据进行模拟[19-21]:

1)冬季庆油出站温度45 ℃,俄油出站温度15 ℃输送;

2)夏季庆油出站温度40 ℃,俄油出站温度15 ℃输送。

以此分别模拟混油的形成过程。图2为冬季和夏季条件下庆油先行和俄油先行产生混油的浓度分布图。

图2 冬季和夏季不同输送次序混油浓度分布图

a)冬季不同输送次序混油浓度分布曲线

b)夏季不同输送次序混油浓度分布曲线图3 冬季和夏季不同输送次序混油浓度分布曲线

图3为冬季和夏季不同输送次序混油浓度分布曲线，从图3可以看出,无论哪种温度工况下,庆油前行产生的混油量会比俄油前行的情况下多。这主要是因为庆油的黏度即使在较高温度下仍比低温下的俄油要高很多,在庆油前行的过程中,与管壁产生黏性薄层,在后续俄油的不断冲刷过程中产生混油。

2.2 不同冷油出站温度对混油的影响

对不同俄油出站温度下(15、25、35 ℃)和庆油前行产生的混油量进行模拟,得到混油浓度分布图和分布曲线，见图4。从图4可以看出,由于模拟时间较短,三种情况的变化不是特别明显；在热油前行的情况下,后行的俄油温度越高,对管壁附近庆油的冲刷效果越好,混油量会有一定的减小。

从不同冷油出站温度分布曲线可以看出,随着冷油出站温度的提高,沿管道轴线方向管壁附近混油浓度降低。这是因为提高冷油出站温度,后行冷油与前行热油进行热交换,使冷热原油交界面处温度提高,降低管壁附近的黏性薄层的黏度,提高了冷油冲刷效率,起到了降低混油的作用。

a)不同冷油出站温度混油浓度分布图

b)不同冷油出站温度混油浓度分布曲线图4 不同冷油出站温度混油浓度分布图和分布曲线

2.3 不同埋地管线地温对混油的影响

图5为埋地管线不同地温下(冬季2 ℃,夏季10 ℃)混油浓度分布情况,可以看出地温对混油量的影响；以此得到不同情况下的混油分布曲线见图6。由图5～6可知，在冬季埋地管线地温较低时,俄油前行会较庆油前行产生更少的混油量;在夏季输送次序对混油量的影响不是特别明显。

所以冬季埋地管线地温较低时,可以考虑多进行俄油前行,庆油后行的输送方式进行输送;在夏季埋地管线地温较高时,两种输送方式产生的混油量相差很小。

图5 埋地管线不同地温下混油浓度分布图

a)2 ℃地温下混油浓度分布曲线

b)10 ℃地温下混油浓度分布曲线图6 埋地管线不同地温下混油浓度分布曲线

3 结论

通过FLUENT软件模拟,预测不同温度下冷热原油交替输送产生的混油量,得到:

1)在出站温度不变的情况下,由于热油的黏度比冷油大,热油前行冷油后行会比冷油前行热油后行产生更多的混油。

2)在热油前行的情况下提高冷油的出站温度可以起到减少混油量的作用。但应考虑到加热所需的热力费用与减少混油量之间的最优化选择。

3)在冬季埋地管线地温较低时,进行冷油前行的输送方式会比热油前行产生更少的混油量；在夏季地温较高时,两种传输方式相差不大。所以在冬季埋地管线地温低时,为了减少混油量可以考虑采用冷油前行,热油后行的输送方式。

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2016-02-20

曲晶瑀(1993-)，男，黑龙江大庆人，硕士研究生，从事油气长距离管输研究。

10.3969/j.issn.1006-5539.2016.04.003