輸油管道設計與管理62

混油有兩種一般來說，泵站內的混油不好計算，而且如果操作管理得當，站內混油所占比例很小，因此一般不作詳細計算。下面我們主要討論在油品交界面處引起的沿程混油。第二節(jié)順序輸送管道的混油一、沿程混油機理

1、流速分布不均引起的幾何混油油品在管內流動時，存在著流速分布。流速分布對混油影響很大，流態(tài)不同，管內流速分布不同，對混油的影響也不同。管內流速分布呈拋物線型，且Umax=2V。在兩種油品接觸處管中心附近的流速大，后面的油品進入前面的油品中，在管壁處，流速較慢的前行油品又會落后在后面的油品中，就在管內形成楔形油頭。層流：B油A油隨著流動距離的增加，混油段會越來越長，混油量相當大，可達(3～4)Vg(Vg為管道總容積)。因此順序輸送的管道在兩種油品交替時應避免在層流下工作，無法避免時，應在兩種油品交界面處加隔離裝置減少混油。紊流：在紊流核心部分，流速分布趨于均勻，Umax≈(1.18~1.25)V，僅在管壁處的層流邊層內存在較大的流速梯度，而無明顯的楔形油頭存在，所以紊流時混油量比層流時小得多。隨著流量的增大，Re↑,混油量↓，一般情況下，Re>104時混油量僅占管道總容積的0.5～1％。B油A油2、密度差引起的混油由于兩種油品的密度不同，會引起管內的自然對流，從而加大混油量。表現(xiàn)在兩個方面：①在流速不均而造成的混油界面上，由于兩種油品的密度不同，引起自然對流，重的下沉，輕的上浮，增加了混油量。②在地形起伏的管段上，當混油段處于上下坡時，由于密度差的作用（重油在上面、輕油在下面）也會形成自然對流，加大混油，此時管線停輸則混油量更大。3、擴散混油在兩種油品的交界面處，兩種油品的濃度是不同的。若將前后兩種油品分別稱為A油和B油，則在A油中A油的濃度要大于B油中A油的濃度，使A油分子由濃度高的A油方面向濃度低的B油方面擴散，而B油則由B油方面向A油方面擴散，這樣便形成了擴散混油。一般情況下，紊流時，擴散混油是主要的；層流時，流速分布不均，形成楔形油頭造成的混油是主要的；正常運行時密度差引起的混油要小得多，可以忽略不計。對于長距離順序輸送管道，一般都在紊流區(qū)工作，主要是擴散混油。二、縱向紊流擴散混油理論

1、基本概念(1)起始接觸面：

設管內原來輸送A油，在t=t1時刻開始輸入B油。在該瞬間，A、B油在起點截面相接觸。由于流速分布不均，實際接觸面不是平面，為了討論方便，我們假設A、B油的接觸面為一垂直于管道軸線的平面。①定義：A、B兩種油品開始接觸時的垂直于管軸的平面稱為起始接觸面。②性質：起始接觸面具有如下性質：a、在該面上A、B兩種油各占一半，用體積濃度表示即為：KA=KB=0.5b、起始接觸面以平均流速V向前移動。在t1時刻它在管線起點，t2時刻，它在距起點截面為V(t

2-t1)的地方。注意：

起始接觸面與起點截面是不同的。起點截面是靜止不動的。而起始接觸面以速度V前進，僅在t=t1時刻兩面才是重合的。(2)混油段：既含有A油又含有B油的段落。在混油段內，A油的濃度由1變?yōu)?，B油的濃度由0變?yōu)?。(3)混油量：混油段內所含的油品體積稱為混油量。(4)混油長度：混油段所占的管段長度稱為混油長度。2、混油段的形成過程：

在起始接觸面處，A、B兩種油品直接接觸，產(chǎn)生混油。隨著B油的流入，起始接觸面向前移動，混油段逐漸增大。為了便于分析計算，我們選擇一個移動的座標系K－x座標系，移動速度為V，座標原點位于起始接觸面上，縱座標表示油品濃度，橫座標為某截面到起始接觸面的距離，這樣縱座標軸（即起始接觸面）將混油段分為左右兩部分。①t1時刻，兩種油品剛開始接觸，混油段長度為0，起始接觸面O處，KA=KB=0.5，截面O右邊：KA=1，KB=0輸送方向A油B油OKB=1KA=0KA=KB=0.5KA=1KB=0t1②t2>t1時刻，起始接觸面O移動了V(t2-t1)的距離。形成了長為2l1

的混油段，起始接觸面把混油段分為左右兩部分：在起始接觸面上：x=0，在起始接觸面右邊：x>0,

在起始接觸面左邊：x<0,輸送方向A油B油OKA=KB=0.5t2l1l1KAKB混油段內的任意截面上，A、B油都有一定的濃度。A、B油的濃度隨截面位置而不同，但在每個截面上都有KA+KB=1。③t3>t2時刻，起始接觸面移動到(t3-t1)V的位置。這時的混油長度為2l2。與t2時刻的混油濃度曲線相比，可知混油段內某個截面上的混油濃度還隨時間變化，且隨t↑l↑，混油濃度曲線變平。輸送方向A油B油OKA=KB=0.5t3l2l2KAKB擴散混油的基本特點：(1)隨時間的延長，混油段變長，起始接觸面(x=0)上始終有KA=KB=0.5，任意截面上：KA+KB=1(2)在某時刻t，混油段內B油(或A油)的濃度是x的函數(shù)，KB=f(x)(3)在某一截面處，混油段內B油(或A油)的濃度隨時間而變化，KB=φ

(t)(4)混油段內混油濃度是x和t的函數(shù)，KB=ψ(x,t)3、混油段的濃度分布(1)擴散速度w

油品在管道內交替時，由于對流和擴散的作用，A油的分子從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)擴散，使B油中混入A油。同時B油分子向A油中擴散，使A油中混進B油。定義：單位時間內，某一種油品經(jīng)過單位截面積擴散至另一種油品中的體積，稱為擴散速度。單位為m/s根據(jù)擴散理論(Fick定律)，擴散速度與擴散方向上的濃度梯度成正比，即：式中：DT

為油品在管道軸向的有效擴散系數(shù)。(2)混油濃度微分方程設有一順序輸送A、B油的管線，流速為V，混油長度為2l，起始接觸面把混油段分為兩部分，長度各為l。建立移動座標系K－x，速度為V，座標原點在起始接觸面處。在距起始接觸面x處取一微元段dx，考察單位時間內dx段上B油量的變化。A油B油xllKxVdx在x處截面上，B油濃度為KB，沿x方向濃度梯度為在x+dx截面上,B油濃度為：,濃度梯度為單位時間內由x處截面擴散進入dx段的B油量為:（F為管子截面積）同時由x+dx截面擴散出dx段的B油量為：dx段上B油濃度隨時間的變化率為，則dx段上單位時間內B油變化量為：根據(jù)質量守恒，有：,即即：上式即為兩種油品順序輸送時混油段內混油濃度微分方程。它表示距起始接觸面x處B油濃度隨時間的變化關系。(3)混油濃度計算公式求解上述偏微分方程即可得到混油濃度計算公式。為了求解上述偏微分方程，引入綜合變量，則對上式進行積分：即即對上式二次積分：積分常數(shù)

C1、C2

的確定：x=0,Z=0,KB=0.5,則C2=KB=0.5則：令由此可知，混油段內油品濃度KA、KB

是綜合變量Z的函數(shù)。Z與油品濃度的關系見教材P300

圖6-17。知道Z，就可由圖6-17求得混油濃度KA、KB。注：概率積分函數(shù)φ(Z)為奇函數(shù)，φ(-Z)=-φ(Z)

。若Z處KA=80%，則在-Z處，KA=1-80%=20%。反之若KA處Z值為1.4，則在1-KA處Z值為-1.4。計算Z值時要用到有效擴散系數(shù)DT，下面討論一下DT的計算方法。(4)有效擴散系數(shù)

DT表示濃度梯度為1時，單位時間內某一種油品經(jīng)過單位截面積擴散到另一種油品中的量。它綜合了油品交替過程中的對流、紊流擴散和分子擴散三種因素的作用。DT

越大，擴散越強，混油段越長。目前采用的計算公式都是由實驗或生產(chǎn)數(shù)據(jù)總結出來的。下面介紹幾個常見的公式。

①雅勃隆斯基公式②阿薩圖良公式③泰勒公式泰勒使用數(shù)據(jù)分析方法，得出了適用于水力光滑區(qū)的有效擴散系數(shù)的計算公式：式中：Vcp──管內平均流速，m/sD──管道內徑，mλ──水力摩阻系數(shù)泰勒公式的適用范圍為Re>20000。1、管路終點的混油濃度

管路終點的混油濃度可以用前面推導出的濃度公式計算。關鍵是計算終點的Z值。其中x是某截面距起始接觸面的距離。雖然終點截面不動，但起始接觸面以速度V運動，所以終點截面到起始接觸面的距離也是隨時間變化的。設管長為L，時間從剛輸入B油時算起。則：對于終點截面：設起始接觸面從起點到終點所需時間為t0，則t0=L/V。引入無因次時間τ=t/t0，

t=0,x=L；t≠0時刻：x=L－Vt

三、混油量計算

則當t<t0時，τ<1,起始接觸面未到達終點t=t0時,τ=1,起始接觸面剛到終點，混油段已流出一半。t>t0時，τ>1,起始接觸面已流出管線。式中稱為貝克萊準數(shù)，是一個無因次量。由于混油段只占管長的1％左右，所以混油段中的各個截面到達終點的時間與t0很接近，即τ→1，因此，在起始接觸面快到終點的情況下，可取,則對于管路終點，則管路終點的混油濃度為當管長L和所輸送的油品一定時，Ped為定值，則終點混油濃度K只是τ的函數(shù)。2、管道終點的混油量工程所說的混油段是指某一混油濃度范圍內的混油段，該濃度范圍是根據(jù)油品質量指標的要求人為確定的。工程上往往對混油段進行對稱切割，即常取某種油品的對稱濃度作為混油段。如95%～5%，99%～1%?；煊投我酝獾幕煊蛣t切入A油罐和B油罐，這樣可以減少混油量提高經(jīng)濟效益。因此在提到混油段長度時應說明相應的濃度范圍。⑴混油段濃度范圍⑵任意濃度切割的混油量計算已知管線長度為L，內徑為D，輸量為Q，平均流速為V，兩種油品的粘度為υ1,υ2，下面我們來討論濃度范圍KA1~KA2之間的混油量計算。假設濃度為KA1的截面(混油頭)到達終點的時間為t1，濃度為KA2的截面到達終點的時間為t2，KA1到KA2濃度范圍內的混油量Vh

應當?shù)扔?t2-t1)時間內流過的油品的體積。即：式中Vg=Qt0為管路總容積。上式適用于任意濃度范圍的混油量計算。由KA1、KA2查圖可求得Z1、Z2，代入上式計算混油量。將式中的Vg改為L即變?yōu)榛煊烷L度計算公式：則混油量計算公式變?yōu)椋孩菍ΨQ濃度切割的混油量計算對于對稱濃度切割，總有KA1=KB2，KA2=KB1根據(jù)混油濃度計算公式：即：根據(jù)概率積分函數(shù)的性質知則混油量計算公式變?yōu)椋簩?，代入上式，得：上式即為對稱濃度切割時的理論混油量計算公式。當Re較小時，該式的計算結果偏小。因為它只考慮了紊流擴散混油，沒有考慮層流邊層和密度差引起的混油。當Re較大時，后兩項與紊流擴散混油相比較小，偏差相對減少。為了考慮后兩項的影響，在上式中引入修正系數(shù)α，則上式變?yōu)椋害恋闹狄娤卤怼Ｓ杀碇袛?shù)據(jù)可知：α與Re和切割濃度范圍有關，Re↑,α↓，切割濃度范圍越大，α越大。濃度范圍%104≤Re≤105105≤Re≤5×105濃度范圍%104≤Re≤105105≤Re≤5×10599～11.301.2596～41.151.1098～21.251.2095～51.101.0597～31.201.1594～61.051.00實際生產(chǎn)中習慣用混油長度C表示：上式實際上是半理論半經(jīng)驗公式?；煊蜐舛确植际怯蓴U散理論得到的，而擴散系數(shù)

DT

和修正系數(shù)α則是由生產(chǎn)或實驗數(shù)據(jù)總結出來的。(4)混油量計算的經(jīng)驗公式奧斯汀和柏爾弗萊收集并整理了大量實驗和生產(chǎn)數(shù)據(jù)，得到了混油長度計算的經(jīng)驗公式。整理數(shù)據(jù)時作了如下假設：①混油的粘度按下式計算，并由此粘度計算雷諾數(shù)。式中：υA、υB：A、B油在輸送溫度下的粘度，厘沱；υ：混油的粘度，厘沱。②不考慮輸送順序對混油的影響。實際上是有影響的，高粘油在前，混油量大。③混油段濃度范圍為99～1％。圖6-7由圖可知：

混油長度C與Re的關系可分為兩個區(qū)，兩個區(qū)的分界雷諾數(shù)稱為臨界雷諾數(shù)，用ReLj表示。管徑不同ReLj也不同。在每個區(qū)中，C2/LD

和Re在雙對數(shù)座標系中均呈線性關系。Re>ReLj，曲線平緩,Re↑,C

緩慢減小,稱為平滑區(qū)。它對應于光滑區(qū)的大雷諾數(shù)范圍和混合摩擦區(qū)。在該區(qū)，Re較大，層流邊層較薄,對混油量的影響很小,混油主要是擴散作用引起的。所以為了減少混油,設計和運行時應使管線在該區(qū)工作。Re<ReLj，曲線較陡，Re↓，C↑↑，稱為陡斜區(qū)。它對應于光滑區(qū)中的較小雷諾數(shù)范圍。在該區(qū)，層流邊層較厚，對混油量的影響很大。根據(jù)上述曲線，可以得到計算混油長度的公式。Re<ReLj（陡斜區(qū)）:Re>ReLj（平滑區(qū)）:聯(lián)解上述兩式可得到的ReLj

表達式為：四、影響混油量的因素1、影響混油量的主要因素：根據(jù)混油量的計算公式，影響混油量的主要因素有：(1)管內徑D：管經(jīng)越大，混油量越大；(2)管長L：管道越長，混油量越大；(3)雷諾數(shù)Re：Re越大，混油量越小。(1)停輸混油在順序輸送管道發(fā)生停輸?shù)那闆r下，相鄰油品密度的差異可大大增加混油量，特別是線路起伏、高密度油品處于斜坡的上方、低密度油品處于斜坡的下方時更是如此。因所輸油品之間的密度差，較輕的油品上浮，較重的油品下沉，這會導致混油長度顯著增加。2、影響混油量的其它因素不同油品在長輸管道順序輸送過程中，除了已分析過的對沿程混油的影響因素以外，影響因素還有：例如，前蘇聯(lián)的古比雪夫--勃良斯克成品油管道的斯大里諾伊柯思--勃良斯克管段(該管段有一定的高差)，停輸幾個小時形成的混油比停輸前連續(xù)輸送9晝夜形成的混油量多約1倍。停輸時混油的增加量與停輸時間、沿線地形、油品密度差有關。在對蘭成渝成品油管道投產(chǎn)以來的停輸情況和重慶末站分輸?shù)幕煊土窟M行跟蹤研究表明，該管道的停輸時間對混油量增加的影響不如停輸時界面所處位置的影響大。其原因是蘭成渝管道的前面起伏大，后面比較平緩，因此，停輸時界面的位置和油品的次序就顯得尤為重要。目前還沒有較好的計算停輸混油的方法。(2)粘度差混油粘度差對混油量的影響與順序輸送油品的次序有關：粘度小的油品后行時的混油量比粘度小的油品前行時的混油量多10%～15％。在古比雪夫--勃良斯克成品油管道上輸送粘度相差幾乎9倍的柴油和汽油時，因輸送次序不同產(chǎn)生的混油量差別可達10％。在我國的管道順序輸送試驗和運行中也發(fā)現(xiàn)，油品交替時，粘度小的油品頂替粘度大的油品所形成的混油長度大于次序相反時的混油長度，兩者比值在1.04～1.36之間，隨流速和輸送距離的變化而不同。這種現(xiàn)象是由于高粘油品在管壁處的層流邊層較厚，后行的低粘油品(如汽油)很難在湍流混合強度低的近壁處“沖刷”掉高粘油品(如柴油)所留下的層流邊層，柴油膜全部被沖刷需要的時間長，差不多要到混油段的一半通過所選截面之后柴油膜才被沖刷掉。因此柴油前行、汽油后行時，形成了柴油濃度不很大的混油尾痕。在輸送次序相反即當汽油前行、柴油后行時，汽油膜在短時間內被沖掉，從而形成的混油量比柴油前行、汽油后行的混油量小。(3)初始混油和過站混油順序輸送工藝規(guī)定管道首站更換油品時不能停輸，當切換油罐時，在管匯中形成的混油段稱為初始混油。初始混油量的大小取決于輸送流速和油罐切換的時間。我國格拉成品油管道的初始混油長度通常為280～400m；前蘇聯(lián)管徑為0.5m的古比雪夫--勃良斯克成品油管道的初始混油長度約為600m，蘭成渝管道的初始混油長度約為250m(50m3)。管道愈長，初始混油量對管道終點處油品濃度的影響就愈小?？坡迥釥柟艿罏闇p少初始混油量，要求干線及泵站主要閥門的開關時間限制在15s內?；煊屯ㄟ^沿線各中間(泵)站時，站內盲支管中的油品不斷與進站混油摻合、混油通過過濾器時的層流流動、站內管匯和管件處的渦流、泵的攪拌等都使得經(jīng)泵站后混油量增加。一般密閉輸送泵機組串聯(lián)運行時，一個泵站所增加的混油量約等于通過10～15km長的直管段時所增加的混油量。我國格拉成品油管道混油段每通過一座中間泵站，混油段長度平均增長36～40m，占管道全程混油長度的1.2％～1.35％。(4)其他混油在順序輸送的管道中可能存在不滿流段，不滿流段的油流只局部充滿管道。由于重新建立的流速斷面以及湍流強度、擴散過程的變化，油品混摻與滿管時的情況不同，也會在一定程度上增大混油量。輸量調節(jié)、中途分輸或進油、油品交替、管徑變化等引起流速變化，管道沿線溫度變化以及管道沿線的支管、旁通管等都將影響輸送中形成的混油量。在輸油首站開始兩種油品交替時，倒換流程的過程如下：首先開啟后行油品儲罐的閥門，逐漸關閉前行油品儲罐的閥門，實現(xiàn)輸油批量的交替。在油罐切換的短暫時間內，前后兩種油品同時進入首站泵的吸入管道，形成所謂的初始混油。初始混油量的大小取決于切換油罐的速度、首站泵吸入管道的布置和首站的排量?？紤]初始混油量的影響，管道終點的混油長度可用下式計算：五、初始混油、中間站混油的計算1、初始混油的計算式中C——管道終點混油總長度，m；C*——不考慮初始混油影響的管道終點混油長度，m；

C0——初始混油長度，m；

L——管道長度，m；

Z——對稱切割混油頭濃度對應的值；

Ped——貝克萊準數(shù)。由上式可知，管道愈長，初始混油對管道終點總的混油量影響愈小。例如，DN500的管道，取初始混油長度為500倍管內徑，Pea=106，對稱切割濃度為0.01～0.99時，由上式計算的C/C*的結果見下表：管道長度L(km)50100200300500700C/C*(％)182126107103.2101.1100.6由計算結果可知，在管道首站產(chǎn)生的初始混油，對短距離管道影響是很大的，當管道長度增加到300km時，初始混油的影響已不明顯，不過初始混油總是使管道終點的混油量有所增加。

2、中間站混油的計算順序輸送過程中，混油段每經(jīng)過一個中間站，混油長度就有所增加。從減少中間站對混油量影響的角度考慮，對于順序輸送管道，盡量簡化中間站流程，減少渦流源和盲管長度。目前，長距離輸油管道都采用密閉輸送方式，站場流程也越來越簡單，因此，站場混油的增加量不大。設計中可以將初始混油和站場混油綜合用一個系數(shù)加以考慮。六、隔離液與隔離器隔離液體是在兩種交替油品之間注入的緩沖液，用以減少混油量?？捎米鞲綦x液的物質有：與兩種油品性質相近的第三種油品、兩種油品的混油、水(或油)的凝膠體和其他化合物的凝膠體。使用成品油作隔離液時，其性質與所輸送的兩種油品的性質要有較好的相容性。這就意味著隔離液可以大量地補充到兩種成品油中去。隔離液的長度取決于緩沖液與所輸油品的相容性和輸送條件。例如，汽油與柴油交替時，在汽油與柴油兩種油品之間放入一段煤油(或汽油與柴油的混油)，由于汽油或柴油中允許混入的煤油(或混油)的濃度比汽油中允許混入的柴油或柴油中允許混入的汽油的濃度要大若干倍，從而使需要處理的混油量減少。1、隔離液2、凝膠體隔離塞(1)能充滿管道橫截面，可以清除管壁處層流邊層內的油品，具有良好的密封性。(2)具有良好的彈性變形特性，能很好地克服管內變徑、管接頭、彎頭等的擾動。(3)對管內的機械雜質、沉積物攜帶作用強。(4)凝膠體具有較強的非牛頓特性，在管內能始終作為一個整體塞狀物沿管道運動；靠近管壁處，在剪切作用下，膠凝體的粘度降低，摩擦阻力也小。凝膠體隔離塞不僅可用于順序輸送管道兩種油品的隔離及管道投產(chǎn)時油(氣)與水的隔離，而且可用于清除管內沉積物、管道排空等。凝膠體隔離塞與機械隔離塞相比，有如下特點：

(5)凝膠體具有良好的再聚合能力。通過泵、閥，受到劇烈剪切后，凝膠體具有很強的自持力和再聚合能力，可以較快地恢復結構使隔離塞的整體性不受到破壞。選擇凝膠物質作隔離塞時，需要防止其對油品的污染，同時對于長距離輸送管道，要考慮凝膠物質的抗剪切性，以防止在經(jīng)長距離的管道剪切和多次過泵剪切而產(chǎn)生整體性的破壞。3、固體隔離(1)機械隔離器常用的機械隔離器有橡膠隔離球(器)和皮碗形機械隔離器兩種。把隔離器置于兩種油品的界面處與管內壁緊密接觸，且隨油品沿管道向前推進，可以避免兩種油品之間的直接接觸，從而減少混油。實際使用的皮碗形隔離器外徑一般比管內徑大1％～3％，以便在隔離器與管內壁之間有較好的密封作用，但這就會在隔離器的前后產(chǎn)生壓差。在這種壓差作用下，后行油品也會往前行油品中泄漏，會增加混油。生產(chǎn)實際中，機械隔離器的運行速度很難與油流的平均速度相一致，這種速度的不同步也會增加混油量。(2)橡膠隔