顺序输送管道混油
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第二节 顺序输送管道的混油
混油有两种
初 始混 油
①
泵
站
内
的
混
油泵死
油 的
段 搅
的 拌
混 混
油 油
② 沿 程 混 油 ： 油 品 交 界面 处 的 混 油
一般来说，泵站内的混油不好计算，而且如果操作管理
得当，站内混油所占比例很小，因此一般不作详细计算。 下面我们主要讨论在油品交界面处引起的沿程混油。
输油管道设计与管理
3
2、密度差引起的混油
由于两种油品的密度不同，会引起管内的自然对流，从 而加大混油量。表现在两个方面：
①在流速不均而造成的混油界面上，由于两种油品的密 度不同，引起自然对流，重的下沉，轻的上浮，增加 了混油量。
②在地形起伏的管段上，当混油段处于上下坡时，由于 密度差的作用（重油在上面、轻油在下面）也会形成 自然对流，加大混油，此时管线停输则混油量更大。
(3) 雷诺数Re：Re越大，混油量越小。
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2、影响混油量的其它因素
不同油品在长Βιβλιοθήκη 管道顺序输送过程中，除了已分析过的对沿 程混油的影响因素以外，影响因素还有：
(1) 停输混油 在顺序输送管道发生停输的情况下，相邻油品密度的差异 可大大增加混油量，特别是线路起伏、高密度油品处于斜 坡的上方、低密度油品处于斜坡的下方时更是如此。因所 输油品之间的密度差，较轻的油品上浮，较重的油品下沉 ，这会导致混油长度显著增加。
(2) 具有良好的弹性变形特性，能很好地克服管内变径、管接头、 弯头等的扰动。
(3) 对管内的机械杂质、沉积物携带作用强。 (4) 凝胶体具有较强的非牛顿特性，在管内能始终作为一个整体塞
状物沿管道运动；靠近管壁处，在剪切作用下，胶凝体的粘度 降低，摩擦阻力也小。
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2、混油段的形成过程：
在起始接触面处，A、B两种油品直接接触，产生混油。随着B油的流入， 起始接触面向前移动，混油段逐渐增大。为了便于分析计算，我们选择一 个移动的坐标系K－x座标系，移动速度为V，坐标原点位于起始接触面上， 纵坐标表示油品浓度，横坐标为某截面到起始接触面的距离，这样纵坐标 轴（即起始接触面）将混油段分为左右两部分。
2
紊流 ：
B油
A油
在紊流核心部分，流速分布趋于均匀，Umax≈ (1.18~1.25)V， 仅在管壁处的层流边层内存在较大的流速梯度，而无明显 的楔形油头存在，所以紊流时混油量比层流时小得多。随 着流量的增大，Re↑, 混油量↓，一般情况下，Re>104时混 油量仅占管道总容积的0.5～1％。
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例如，前苏联的古比雪夫--勃良斯克成品油管道的斯大里诺伊柯 思--勃良斯克管段(该管段有一定的高差)，停输几个小时形成的混 油比停输前连续输送9昼夜形成的混油量多约1倍。
停输时混油的增加量与停输时间、沿线地形、油品密度差有关。 在对兰成渝成品油管道投产以来的停输情况和重庆末站分输的混 油量进行跟踪研究表明，该管道的停输时间对混油量增加的影响 不如停输时界面所处位置的影响大。其原因是兰成渝管道的前面 起伏大，后面比较平缓，因此，停输时界面的位置和油品的次序 就显得尤为重要。
①定义：A、B两种油品开始接触时的垂直于管轴的平面称
为起始接触面 。
②性质：起始接触面具有如下性质：
a、在该面上A、B两种油各占一半，用体积浓度表示 即为：KA=KB=0.5
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b、起始接触面以平均流速V向前移动。在 t1时刻它在管线 起点，t2时刻，它在距起点截面为V( t 2- t1 ) 的地方。
而变化，KB=φ (t) (4) 混油段内混油浓度是x和t的函数 ，KB= ψ(x, t)
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三、 影响混油量的因素
1、影响混油量的主要因素： 根据混油量的计算公式，影响混油量的主要因素有：
(1) 管内径D：管径越大，混油量越大； (2) 管长L：管道越长，混油量越大；
注意：起始接触面与起点截面是不同的。起点截面是静止不 动的。而起始接触面以速度V前进，仅在t=t1时刻两面 才是重合的。
(2) 混油段：既含有A油又含有B油的段落。在混油段内，A 油的浓度由1变为0，B油的浓度由0变为1。
(3) 混油量：混油段内所含的油品体积称为混油量。 (4) 混油长度：混油段所占的管段长度称为混油长度。
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(4) 其他混油
在顺序输送的管道中可能存在不满流段，不满流段的 油流只局部充满管道。由于重新建立的流速断面以及 湍流强度、扩散过程的变化，油品混掺与满管时的情 况不同，也会在一定程度上增大混油量。输量调节、 中途分输或进油、油品交替、管径变化等引起流速变 化，管道沿线温度变化以及管道沿线的支管、旁通管 等都将影响输送中形成的混油量。
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2、凝胶体隔离塞
凝胶体隔离塞不仅可用于顺序输送管道两种油品的隔离及管道投 产时油(气)与水的隔离，而且可用于清除管内沉积物、管道排空 等。 凝胶体隔离塞与机械隔离塞相比，有如下特点：
(1) 能充满管道横截面，可以清除管壁处层流边层内的油品，具有 良好的密封性。
① t1时刻，两种油品刚开始接触，混油段长度为0，起始接触 面O处，KA=KB=0.5，截面O右边：KA=1，KB=0
KB=1 KA=0 KA=KB=0 .5 KA=1 KB=0
t1
B油
O
A油
输送方向
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② t2 >t1 时刻，起始接触面O移动了V(t2-t1) 的距离。形成了长 为 2l1 的混油段，起始接触面把混油段分为左右两部分：
t2
B油
KB
KA=KB=0 .5
O
A油
KA
输送方向
l1
l1
在起始接触面上：x=0， K A K B 0.5 在起始接触面右边：x>0, K A：0.5 1，K B：0.5 0
在起始接触面左边：x<0, K A：0 0.5，K B：1 0.5
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变平。
KA=KB=0 .5
t3
B油
KB
O
KA A油
输送方向
l2
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扩散混油的基本特点：
(1) 随时间的延长，混油段变长，起始接触面(x=0)上始 终有KA=KB=0.5，任意截面上：KA+KB=1
(2) 在某时刻t，混油段内B油(或A油)的浓度是x的函数，
KB=f(x) (3) 在某一截面处，混油段内B油(或A油)的浓度随时间
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(3) 初始混油和过站混油
顺序输送工艺规定管道首站更换油品时不能停输，当切换油罐时 ，在管汇中形成的混油段称为初始混油。初始混油量的大小取决 于输送流速和油罐切换的时间。
我国格拉成品油管道的初始混油长度通常为280～400 m；前苏联 管径为0.5 m的古比雪夫--勃良斯克成品油管道的初始混油长度约 为600 m，兰成渝管道的初始混油长度约为250 m(50m3)。
管道愈长，初始混油量对管道终点处油品浓度的影响就愈小。科
洛尼尔管道为减少初始混油量，要求干线及泵站主要阀门的开关
时间限制在15 s内。
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混油通过沿线各中间(泵)站时，站内盲支管中的油品不断 与进站混油掺合、混油通过过滤器时的层流流动、站内管 汇和管件处的涡流、泵的搅拌等都使得经泵站后混油量增 加。一般密闭输送泵机组串联运行时，一个泵站所增加的 混油量约等于通过10～15 km长的直管段时所增加的混油 量。我国格拉成品油管道混油段每通过一座中间泵站，混 油段长度平均增长36～40m，占管道全程混油长度的1.2％ ～1.35％。
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3、扩散混油
在两种油品的交界面处，两种油品的浓度是不同的。若将前 后两种油品分别称为A油和B油，则在A油中A油的浓度要大 于B油中A油的浓度，使A油分子由浓度高的A油方面向浓度 低的B油方面扩散，而B油则由B油方面向A油方面扩散，这 样便形成了扩散混油。
一般情况下，紊流时，扩散混油是主要的；层流时，流速 分布不均，形成楔形油头造成的混油是主要的；正常运行 时密度差引起的混油要小得多，可以忽略不计。
对于长距离顺序输送管道，一般都在紊流区工作，主要是 扩散混油。
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二、纵向紊流扩散混油理论
1、基本概念
(1) 起始接触面：
设管内原来输送A油，在t=t1时刻开始输入B油。在该瞬间， A、B油在起点截面相接触。由于流速分布不均，实际接 触面不是平面，为了讨论方便，我们假设A、B油的接触 面为一垂直于管道轴线的平面。
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混油段内的任意截面上，A、B油都有一定的浓度。A、B油
的浓度随截面位置而不同，但在每个截面上都有KA+KB=1 。
③t3>t2时刻，起始接触面移动到(t3-t1)V的位置。这时的混油长 度为2l2。与t2时刻的混油浓度曲线相比，可知混油段内某个 截面上的混油浓度还随时间变化，且随 t↑l↑，混油浓度曲线
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一、沿程混油机理
1、流速分布不均引起的几何混油
油品在管内流动时，存在着流速分布。流速分布对混油影响很大，流态 不同，管内流速分布不同，对混油的影响也不同。
层流：
管内流速分布呈抛物线型，且Umax=2V 。
在两种油品接触处管中心附近的流速大， 后面的油品进入前面的油品中，在管壁处，
B油
流速较慢的前行油品又会落后在后面的油
品中，就在管内形成楔形油头。
A油
随着流动距离的增加，混油段会越来越长，混油量相当大，可达(3～
4)Vg(Vg为管道总容积)。因此顺序输送的管道在两种油品交替时应避免 在层流下工作，无法避免时，应在两种油品交界面处加隔离装置减少混
油。
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目前还没有较好的计算停输混油的方法。
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(2) 粘度差混油
粘度差对混油量的影响与顺序输送油品的次序有关：粘度 小的油品后行时的混油量比粘度小的油品前行时的混油量 多10%～15％。 在古比雪夫--勃良斯克成品油管道上输送粘度相差几乎9倍 的柴油和汽油时，因输送次序不同产生的混油量差别可达 10％。在我国的管道顺序输送试验和运行中也发现，油品 交替时，粘度小的油品顶替粘度大的油品所形成的混油长 度大于次序相反时的混油长度，两者比值在1.04～1.36之 间，随流速和输送距离的变化而不同。
(5) 凝胶体具有良好的再聚合能力。通过泵、阀，受到剧 烈剪切后，凝胶体具有很强的自持力和再聚合能力， 可以较快地恢复结构使隔离塞的整体性不受到破坏。
选择凝胶物质作隔离塞时，需要防止其对油品的污染 ，同时对于长距离输送管道，要考虑凝胶物质的抗剪 切性，以防止在经长距离的管道剪切和多次过泵剪切 而产生整体性的破坏。
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四、隔离液与隔离器
1、隔离液
隔离液体是在两种交替油品之间注入的缓冲液，用以减少混油量 。可用作隔离液的物质有：与两种油品性质相近的第三种油品、 两种油品的混油、水(或油)的凝胶体和其他化合物的凝胶体。 使用成品油作隔离液时，其性质与所输送的两种油品的性质要有 较好的相容性。这就意味着隔离液可以大量地补充到两种成品油 中去。隔离液的长度取决于缓冲液与所输油品的相容性和输送条 件。例如，汽油与柴油交替时，在汽油与柴油两种油品之间放入 一段煤油(或汽油与柴油的混油)，由于汽油或柴油中允许混入的 煤油(或混油)的浓度比汽油中允许混入的柴油或柴油中允许混入 的汽油的浓度要大若干倍，从而使需要处理的混油量减少。
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这种现象是由于高粘油品在管壁处的层流边层较厚，后 行的低粘油品(如汽油)很难在湍流混合强度低的近壁处“ 冲刷”掉高粘油品(如柴油)所留下的层流边层，柴油膜全 部被冲刷需要的时间长，差不多要到混油段的一半通过 所选截面之后柴油膜才被冲刷掉。因此柴油前行、汽油 后行时，形成了柴油浓度不很大的混油尾痕。在输送次 序相反即当汽油前行、柴油后行时，汽油膜在短时间内 被冲掉，从而形成的混油量比柴油前行、汽油后行的混 油量小。
混油有两种
初 始混 油
①
泵
站
内
的
混
油泵死
油 的
段 搅
的 拌
混 混
油 油
② 沿 程 混 油 ： 油 品 交 界面 处 的 混 油
一般来说，泵站内的混油不好计算，而且如果操作管理
得当，站内混油所占比例很小，因此一般不作详细计算。 下面我们主要讨论在油品交界面处引起的沿程混油。
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2、密度差引起的混油
由于两种油品的密度不同，会引起管内的自然对流，从 而加大混油量。表现在两个方面：
①在流速不均而造成的混油界面上，由于两种油品的密 度不同，引起自然对流，重的下沉，轻的上浮，增加 了混油量。
②在地形起伏的管段上，当混油段处于上下坡时，由于 密度差的作用（重油在上面、轻油在下面）也会形成 自然对流，加大混油，此时管线停输则混油量更大。
(3) 雷诺数Re：Re越大，混油量越小。
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2、影响混油量的其它因素
不同油品在长Βιβλιοθήκη 管道顺序输送过程中，除了已分析过的对沿 程混油的影响因素以外，影响因素还有：
(1) 停输混油 在顺序输送管道发生停输的情况下，相邻油品密度的差异 可大大增加混油量，特别是线路起伏、高密度油品处于斜 坡的上方、低密度油品处于斜坡的下方时更是如此。因所 输油品之间的密度差，较轻的油品上浮，较重的油品下沉 ，这会导致混油长度显著增加。
(2) 具有良好的弹性变形特性，能很好地克服管内变径、管接头、 弯头等的扰动。
(3) 对管内的机械杂质、沉积物携带作用强。 (4) 凝胶体具有较强的非牛顿特性，在管内能始终作为一个整体塞
状物沿管道运动；靠近管壁处，在剪切作用下，胶凝体的粘度 降低，摩擦阻力也小。
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2、混油段的形成过程：
在起始接触面处，A、B两种油品直接接触，产生混油。随着B油的流入， 起始接触面向前移动，混油段逐渐增大。为了便于分析计算，我们选择一 个移动的坐标系K－x座标系，移动速度为V，坐标原点位于起始接触面上， 纵坐标表示油品浓度，横坐标为某截面到起始接触面的距离，这样纵坐标 轴（即起始接触面）将混油段分为左右两部分。
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紊流 ：
B油
A油
在紊流核心部分，流速分布趋于均匀，Umax≈ (1.18~1.25)V， 仅在管壁处的层流边层内存在较大的流速梯度，而无明显 的楔形油头存在，所以紊流时混油量比层流时小得多。随 着流量的增大，Re↑, 混油量↓，一般情况下，Re>104时混 油量仅占管道总容积的0.5～1％。
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例如，前苏联的古比雪夫--勃良斯克成品油管道的斯大里诺伊柯 思--勃良斯克管段(该管段有一定的高差)，停输几个小时形成的混 油比停输前连续输送9昼夜形成的混油量多约1倍。
停输时混油的增加量与停输时间、沿线地形、油品密度差有关。 在对兰成渝成品油管道投产以来的停输情况和重庆末站分输的混 油量进行跟踪研究表明，该管道的停输时间对混油量增加的影响 不如停输时界面所处位置的影响大。其原因是兰成渝管道的前面 起伏大，后面比较平缓，因此，停输时界面的位置和油品的次序 就显得尤为重要。
①定义：A、B两种油品开始接触时的垂直于管轴的平面称
为起始接触面 。
②性质：起始接触面具有如下性质：
a、在该面上A、B两种油各占一半，用体积浓度表示 即为：KA=KB=0.5
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b、起始接触面以平均流速V向前移动。在 t1时刻它在管线 起点，t2时刻，它在距起点截面为V( t 2- t1 ) 的地方。
而变化，KB=φ (t) (4) 混油段内混油浓度是x和t的函数 ，KB= ψ(x, t)
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三、 影响混油量的因素
1、影响混油量的主要因素： 根据混油量的计算公式，影响混油量的主要因素有：
(1) 管内径D：管径越大，混油量越大； (2) 管长L：管道越长，混油量越大；
注意：起始接触面与起点截面是不同的。起点截面是静止不 动的。而起始接触面以速度V前进，仅在t=t1时刻两面 才是重合的。
(2) 混油段：既含有A油又含有B油的段落。在混油段内，A 油的浓度由1变为0，B油的浓度由0变为1。
(3) 混油量：混油段内所含的油品体积称为混油量。 (4) 混油长度：混油段所占的管段长度称为混油长度。
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(4) 其他混油
在顺序输送的管道中可能存在不满流段，不满流段的 油流只局部充满管道。由于重新建立的流速断面以及 湍流强度、扩散过程的变化，油品混掺与满管时的情 况不同，也会在一定程度上增大混油量。输量调节、 中途分输或进油、油品交替、管径变化等引起流速变 化，管道沿线温度变化以及管道沿线的支管、旁通管 等都将影响输送中形成的混油量。
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2、凝胶体隔离塞
凝胶体隔离塞不仅可用于顺序输送管道两种油品的隔离及管道投 产时油(气)与水的隔离，而且可用于清除管内沉积物、管道排空 等。 凝胶体隔离塞与机械隔离塞相比，有如下特点：
(1) 能充满管道横截面，可以清除管壁处层流边层内的油品，具有 良好的密封性。
① t1时刻，两种油品刚开始接触，混油段长度为0，起始接触 面O处，KA=KB=0.5，截面O右边：KA=1，KB=0
KB=1 KA=0 KA=KB=0 .5 KA=1 KB=0
t1
B油
O
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输送方向
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② t2 >t1 时刻，起始接触面O移动了V(t2-t1) 的距离。形成了长 为 2l1 的混油段，起始接触面把混油段分为左右两部分：
t2
B油
KB
KA=KB=0 .5
O
A油
KA
输送方向
l1
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在起始接触面上：x=0， K A K B 0.5 在起始接触面右边：x>0, K A：0.5 1，K B：0.5 0
在起始接触面左边：x<0, K A：0 0.5，K B：1 0.5
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B油
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扩散混油的基本特点：
(1) 随时间的延长，混油段变长，起始接触面(x=0)上始 终有KA=KB=0.5，任意截面上：KA+KB=1
(2) 在某时刻t，混油段内B油(或A油)的浓度是x的函数，
KB=f(x) (3) 在某一截面处，混油段内B油(或A油)的浓度随时间
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(3) 初始混油和过站混油
顺序输送工艺规定管道首站更换油品时不能停输，当切换油罐时 ，在管汇中形成的混油段称为初始混油。初始混油量的大小取决 于输送流速和油罐切换的时间。
我国格拉成品油管道的初始混油长度通常为280～400 m；前苏联 管径为0.5 m的古比雪夫--勃良斯克成品油管道的初始混油长度约 为600 m，兰成渝管道的初始混油长度约为250 m(50m3)。
管道愈长，初始混油量对管道终点处油品浓度的影响就愈小。科
洛尼尔管道为减少初始混油量，要求干线及泵站主要阀门的开关
时间限制在15 s内。
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混油通过沿线各中间(泵)站时，站内盲支管中的油品不断 与进站混油掺合、混油通过过滤器时的层流流动、站内管 汇和管件处的涡流、泵的搅拌等都使得经泵站后混油量增 加。一般密闭输送泵机组串联运行时，一个泵站所增加的 混油量约等于通过10～15 km长的直管段时所增加的混油 量。我国格拉成品油管道混油段每通过一座中间泵站，混 油段长度平均增长36～40m，占管道全程混油长度的1.2％ ～1.35％。
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3、扩散混油
在两种油品的交界面处，两种油品的浓度是不同的。若将前 后两种油品分别称为A油和B油，则在A油中A油的浓度要大 于B油中A油的浓度，使A油分子由浓度高的A油方面向浓度 低的B油方面扩散，而B油则由B油方面向A油方面扩散，这 样便形成了扩散混油。
一般情况下，紊流时，扩散混油是主要的；层流时，流速 分布不均，形成楔形油头造成的混油是主要的；正常运行 时密度差引起的混油要小得多，可以忽略不计。
对于长距离顺序输送管道，一般都在紊流区工作，主要是 扩散混油。
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二、纵向紊流扩散混油理论
1、基本概念
(1) 起始接触面：
设管内原来输送A油，在t=t1时刻开始输入B油。在该瞬间， A、B油在起点截面相接触。由于流速分布不均，实际接 触面不是平面，为了讨论方便，我们假设A、B油的接触 面为一垂直于管道轴线的平面。
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混油段内的任意截面上，A、B油都有一定的浓度。A、B油
的浓度随截面位置而不同，但在每个截面上都有KA+KB=1 。
③t3>t2时刻，起始接触面移动到(t3-t1)V的位置。这时的混油长 度为2l2。与t2时刻的混油浓度曲线相比，可知混油段内某个 截面上的混油浓度还随时间变化，且随 t↑l↑，混油浓度曲线
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一、沿程混油机理
1、流速分布不均引起的几何混油
油品在管内流动时，存在着流速分布。流速分布对混油影响很大，流态 不同，管内流速分布不同，对混油的影响也不同。
层流：
管内流速分布呈抛物线型，且Umax=2V 。
在两种油品接触处管中心附近的流速大， 后面的油品进入前面的油品中，在管壁处，
B油
流速较慢的前行油品又会落后在后面的油
品中，就在管内形成楔形油头。
A油
随着流动距离的增加，混油段会越来越长，混油量相当大，可达(3～
4)Vg(Vg为管道总容积)。因此顺序输送的管道在两种油品交替时应避免 在层流下工作，无法避免时，应在两种油品交界面处加隔离装置减少混
油。
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目前还没有较好的计算停输混油的方法。
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(2) 粘度差混油
粘度差对混油量的影响与顺序输送油品的次序有关：粘度 小的油品后行时的混油量比粘度小的油品前行时的混油量 多10%～15％。 在古比雪夫--勃良斯克成品油管道上输送粘度相差几乎9倍 的柴油和汽油时，因输送次序不同产生的混油量差别可达 10％。在我国的管道顺序输送试验和运行中也发现，油品 交替时，粘度小的油品顶替粘度大的油品所形成的混油长 度大于次序相反时的混油长度，两者比值在1.04～1.36之 间，随流速和输送距离的变化而不同。
(5) 凝胶体具有良好的再聚合能力。通过泵、阀，受到剧 烈剪切后，凝胶体具有很强的自持力和再聚合能力， 可以较快地恢复结构使隔离塞的整体性不受到破坏。
选择凝胶物质作隔离塞时，需要防止其对油品的污染 ，同时对于长距离输送管道，要考虑凝胶物质的抗剪 切性，以防止在经长距离的管道剪切和多次过泵剪切 而产生整体性的破坏。
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输油管道设计与管理
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四、隔离液与隔离器
1、隔离液
隔离液体是在两种交替油品之间注入的缓冲液，用以减少混油量 。可用作隔离液的物质有：与两种油品性质相近的第三种油品、 两种油品的混油、水(或油)的凝胶体和其他化合物的凝胶体。 使用成品油作隔离液时，其性质与所输送的两种油品的性质要有 较好的相容性。这就意味着隔离液可以大量地补充到两种成品油 中去。隔离液的长度取决于缓冲液与所输油品的相容性和输送条 件。例如，汽油与柴油交替时，在汽油与柴油两种油品之间放入 一段煤油(或汽油与柴油的混油)，由于汽油或柴油中允许混入的 煤油(或混油)的浓度比汽油中允许混入的柴油或柴油中允许混入 的汽油的浓度要大若干倍，从而使需要处理的混油量减少。
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这种现象是由于高粘油品在管壁处的层流边层较厚，后 行的低粘油品(如汽油)很难在湍流混合强度低的近壁处“ 冲刷”掉高粘油品(如柴油)所留下的层流边层，柴油膜全 部被冲刷需要的时间长，差不多要到混油段的一半通过 所选截面之后柴油膜才被冲刷掉。因此柴油前行、汽油 后行时，形成了柴油浓度不很大的混油尾痕。在输送次 序相反即当汽油前行、柴油后行时，汽油膜在短时间内 被冲掉，从而形成的混油量比柴油前行、汽油后行的混 油量小。