成品油管道顺序输送的混油分析

摘要
本文介绍了顺序输送的特点及顺序输送管道的水力特性。

分别从沿程油、局部混油、意外混油三方面对顺序输送管道混油机理进行了全面阐述，对影响混油的因素进行了相关讨论，总结了当今世界上使用范围较广的几种混油界面检测方法。

针对现有顺序输送混油模型计算方法所存在的问题，利用流体紊流特性提出了混油模型的简化方式，利用简化模型及费克定律推导出了混油浓度的基本方程，给出了管道终端混油浓度的高斯-勒让德计算方法。

经过推导给出了混油量的计算公式，并分别讨论了混油量计算的理论公式与经验公式，同时对理论公式的浓度适用范围的修正系数作了介绍。

本文还重点分析了用混油浓度方程确定管道终点的浓度切割方法，以及对混油进行处理的方法；针对其影响混油的因素，提出了减少顺序输送管道混油量的相关预防措施。

关键词：顺序输送管道；混油机理；混油量；混油浓度；预防措施
Abstract
This thesis is about the speciality of sequential transportation and the waterpower speciality of sequential transportation pipeline.Expatiate compeletely from three aspects: confused oil along the line、partly confused oil、accidently confused oil,discuss about the factors that affecting the confuse,summarize nowadays widely used methods on mesuring the interface of the confuesed oil.Aimed at the problems exists in the methods of former calculating of sequential transportation at the present,put forward the predigest ways of the confused oil former by using disorderly current speciality of fluid,enduce the essencial equation of confused oil's consistence by using the simplied ways and the Feck Law,present the method of calculating the consistence at the end of the pipeline which is called the Gauss-Lerang method.Present the method of calculating the quality of the confused oil after enducing,and discuss the theory and experience formulas respectly of calculating the quality of the confused oil,at the same time introduce the modified quotiety of the theory formula's consistence extension applied.And the thesis emphasized method about how to confirm the terminal of pipeline which is called cuting consistence method by using the equation of confused oil 's consistence,as to the method how to deal with the confused oil.Aimed at the factors affect the confusing,present the measures to preventing the confuse in sequentiality pipeline.
Key words：order pipeline；mixing machinasm；mixing volune；contaminaied concentration
目录
第1章概述 (1)
1.1国内外成品油管道的发展现状 (1)
1.2管道顺序输送的目的 (3)
1.3研究顺序输送的意义 (4)
第2章混油过程 (6)
2.1混油过程简要描述 (6)
2.2 混油段的发展 (7)
2.3 混油处理 (9)
第3章混油计算 (10)
3.1 混油机理 (10)
3.2 混油浓度 (12)
3.3管道终点混油量的计算 (20)
3.4 变流速情况的混油计算 (25)
3.5 管道终点油罐内的允许混油量 (26)
3.6 终点混油段的切割 (28)
3.7 混油界面的跟踪 (30)
3.8 混油界面的检测 (31)
第4章影响混油的因素及减少混油量措施 (37)
4.1 顺序输送产生油损失的原因 (37)
4.2 减少混油量措施 (42)
结论 (47)
参考文献 (48)
致谢 (50)
第1章概述
石油、石油产品作为重要的能源之一，在世界许多国家的经济发展中起到了重要的支柱作用，长期以来，我国由于石油储运体系的不健全，尤其是成品油储运结构的不合理，在国际石油市场冲击下十分被动，严峻的现实迫使我国把发展石油储运业放在确保经济可持续发展的战略高度来认识。

从1993年起，我国已成为一个石油净进口国，尤其是开发大西北、大西南战略思想的确立，对油料的需求日益增多。

随着汽车工业的发展，燃料的需求快速增长，国内炼化企业原油加工能力的不断提高，继续依靠铁路、汽车和船舶运输成品油已不能满足市场的需求。

成品油市场规模的形成及发展，提出了建设成品油管道的迫切需求。

成品油管道顺序输送原油与成品油、原油与液化天然气、成品油与液化天然气等。

这样，一管多用可以使长输管道最大限度地满负荷运行，并且减轻其它运输方式（铁路、公路）的运输负荷，充分发挥管道的利用率，提高经济效益。

1.1国内外成品油管道的发展现状
1.1.1 国外成品油管道的发展状况
管道运输的起源可以追溯到公元16世纪我国古代自流井盐人利用竹木管输送天然气熬盐的时代，但真正的管道运输业是本世纪初美国大量敷设金属管道用来输送石油、石油产品以及天然气才开始的。

十九世纪末开始顺序输送石油和石油产品。

成品油管道出现在1940年，即著名的普兰迪逊成品油管道，这条管道完全按凯斯通公园的做法顺序输送油
品，一直运行到现在。

该管道由305mm和254mm变径管组成，已建成相当规模。

1941年爆发了第二次世界大战，美国在战时利用已建的各种管道为战时输油服务，进行大量的改，建成了当时管径最大、距离最长的输油管道。

其中一条是原油管道，管长为600mm，全长2158km，日输原油47700m3。

另一条是成品油管道，管径为500mm，包括支线全长2745km，日输原油37360 m3。

1942年，苏军通过拉多湖底铺设了35 km的焊接管道，向被德军封锁的列宁格勒军民输送油料，至1943年3月累计输送4⨯105t。

第二次世界大战后发展野战输油管道的同时，北约和美国大力建造军用固定输油管道。

60年代开始，成品油管道向着大管径、长距离方向发展。

至20世纪80年代末建成长达1100多公里，形成了完整的体系，其中在中欧6000 km，土耳其约1000 km，北欧、意大利、希腊各600 km。

目前，世界成品油管道总长度已超过23⨯104 km。

并且还在以每年新增约8000 km的速度发展，主要集中在北美、西欧、俄罗斯和少数第三世界国家，其中一半以上分布在美国。

1.1.2 我国成品油管道运输的现状
我国于1973年开始对顺序输送进行大规模的工业试验，1977年建成第一条长距离、小口径顺序输送管道。

这条管道建于世界屋脊青藏高原上，穿过永久冻土带等地质条件极为复杂地区的格尔木—拉萨成品油管道。

全长1080 km，管径150 mm，顺序输送汽油和柴油。

进人20世纪90年代中期，我国建成了第一条具有商业意义的成品油顺序输送管道工程，即抚顺至营口鱿鱼圈成品油管道工程，管道全长246 km，管径355、637.7 mm，管材X52，16Mn直和螺旋缝焊接钢管，设计压力6.4MPa，年输送能力为2.4⨯106t，顺序输送汽油和柴油共5个牌号两种油品。

第一次在成品油管道工程上采用了当时具有领先技术的SCADA系统，实现了全线自动化顺序输送成品油。

随后于2002年9月29日投产了兰成渝成品油管道，管道干线全长1250 km，管径508、457、323. 9 mm，管材X60、X52直缝和螺旋缝焊接钢管，顺序输送90号、93号汽油和0号柴油，该管道设计压力10 MPa，成县减压站进站处最高设计压力14.6 MPa，年输送能力为5.0⨯106t。

沿途地势连绵起伏，最大落差达2254.9 m，中间分输站多达13个，面向15个油库分输。

这是我国第一条高压、大型成品油管道，无论从地理位置、管线环境还是其规模以及具有多分输的功能来讲，在国内都是前所未有的。

目前，正在建设中的大型成品油管道有，总长约为2100 km的广西—北海—贵阳—昆明的大西南成品油管道，乌鲁木齐—兰州的西部成品油管道等。

西部成品油管道干线长1858km，管径599mm，设计压力8.0~10.0 MPa，设计输量10⨯106t,这将是我国又两条大型长距离成品油管道。

近年内还将建设华北地区、长江三角洲、珠江三角洲地区、浙闽沿海及苏鲁皖等地区的成品油管道，构成成品油管道的骨架。

中远期将逐步发展短距离管道，形成成品油管道网络。

另外，东北地区成品油管道正在规划中。

截至2003年底，我国成品油管道共计6525 km。

1.2管道顺序输送的目的
世界各国之所以不断地发展油品管道运输，积极调整成品油运输结构，就是因为成品油管道运输具有很多的优越性，其大量采用对一个国家的经济发展起着很重要的作用。

（1）能明显减少油品损耗。

由于成品油是轻质液体燃料，具有易燃、易爆、易于挥发的特点，采用管道密闭输送，可大大降低(装车、卸车、运输等操作过程中的)蒸发损耗，其安全性也得以提高。

（2）能明显降低运输费用。

由于管道运输操作环节少，能耗低，自动化程度高，统一管理，节省人力，因此管道运输总的输油成本要
比其他陆路运输方式低很多。

（3）可以省去装、卸、运输等多个作业环节管道运输既节省人力，又减少转运环节、加快周转速度，在相同的油库容量下，用管道输送油品可实现更大的周转量。

（4）可以减轻油品运输供应的不均衡性，并改善输油的操作条件，便于集中管理铁路装、卸油设计的不均衡系数一般为1、2、3，而管道输送本身的不均衡系数则接近1，可基本消除不均衡供应的问题。

（5）对复杂地形和恶劣气候条件适应性更强管道便于翻山越岭，不受坡度的影响，输油过程基本不受气候条件的影响。

（6）对环境的污染更少，运输过程更加安全可靠。

（7）成品油管道建设快、占地少、投资省。

1.3研究顺序输送的意义
成品油管道一般都是多品种油顺序输送，其可输送的油品范围很宽，从轻烃到重燃料油均可由一条管道顺序输送，油品的更迭会影响运行工况。

另外，输油量和油品种类还随季节变化、管道所处的地域不同，变化的幅度也不一样。

成品油管道大都是多分支、多出口，其注油和卸油均受货主和市场的限制，运行调度难度大，为满足沿线市场的需求，管道设计和运行管理中心须控制管道各时段沿线的分输量和管输量，以保证管道安全平稳地运行。

这样，成品油管道顺序输送相邻批次油品之间必然产生混油，产生的混油在物理化学性质上与所输产品的质量和各种油品沿途的分输量均有严格要求。

因此，混有段的跟踪和混油量的控制，特别是在地形复杂、高差起伏大的地区是成品油管道的关键技术。

所以，进行混油处理的研究是非常必要的，既可以减少油品在输送时的损失，又可以节约能源
本文的研究内容是在查阅大量的资料上，了解混油的过程及影响混有因素，通过研究混油的机理，建立混油的简化模型，经过推导得出混油浓度、混油量计算公式，进而推出切割浓度的计算公式，为混油的切割提供了理论依据，并且在文中提出了一些减少混油的措施。

第2章混油过程
当采用顺序输送的是两种能相互溶解的油品，在管内两种油品的接触面处，由于分子的互相扩散和液体质点的紊流脉动会使接触界面处形成一段混油。

2.1混油过程简要描述
两种油品在管内交替时，产生混油的因素主要有两个：管道横截面沿径向流速不均匀，使得后行油品呈楔形进入前行油品中；管内流体沿管道径向、轴向造成的紊流扩散作用。

紊流扩散过程破坏了楔形油头的分布，使两种油品混合，在一定程度上使混A油段油品沿管子截面趋于均匀分布。

对于紊流程度不大或层流流动的管内流体，横截面上油品的混合过程主要是分子扩散作用[1]。

当管中流体层流流动，管中心液体的流速比平均流速大一倍，后一种油品B会进入前一种油品A形成楔形油头，在横截面上两种油品的分布很不均匀，中心部分B油的浓度很高。

由于油品的密度差，这种楔形油头可能偏离管中心，并随改输油时间的延续愈来愈大，直至管道终点。

在A、B油品浓度差的推动下，A油分子将通过楔形界面进入B油，B油分子将通过楔形界面进入A油，这种分子扩散使界面邻近区域内的A、B油农度趋于均匀。

不难看出层流流态下，管道截面上流速分布的不均匀是造成混油的主要原因。

这种混油量大得惊人，可能达到管道总容积的若干倍。

当在紊流状态下交替输送油品时，沿管道截面的速度分布比层流均
匀，紊流核心部分中流体的最大局部流速随雷诺数的增大而接近于液体的平均流速，一般是平均流速的1.18~1.25倍[2]。

由于激烈的紊流扰动，使混油各截面上的油品浓度较为均匀，观察不到楔形油头的存在。

对流传递不显著，仅在层流底层。

由于局部流速不均匀而存在扩散，传递过程成为影响混油形成的主要原因，紊流中的涡流扩散引起一个附加的扩散在径向上，该附加扩散比分子扩散大很多，大大加强了径向分子扩散作用，使得紊流时的混油大大小于层流。

在层流边层内，则与层流流态相似，液层间的流速不同是造成混油的主要原因。

试验表明：随雷诺数的增加，相对混油量(混油体积与管道总容积之比)开始很快地下降，当雷诺数大于5×104时，相对混油量随雷诺数改变很小[3]。

可以作如下解释：当雷诺数超过某一数值时，层流边层的厚度极薄，紊流核心部分已基本上占有整个管道截面，这时紊流速度场局部流速的不均匀、紊流脉动以及在浓度差推动下沿管长方向的分子扩散是造成混油的主要原因，统称为纵向紊流扩散。

由于在层流状态时，两种油品在管道内交替所形成的混油量比紊流时大得多，同时雷诺数在2.3×103~4×103范围内，流态由层流转变为紊流，流动不稳定，且管子截面上液体质点的局部流速差异较大，因而顺序输送管道运行时，一般应控制在紊流态下运行，各国对顺序输送所进行的研究亦大多局限于紊流范围内。

2.2 混油段的发展
油品沿管道顺序输送过程中，因对流和紊流扩散的局部作用形成混油区。

在混油区内油品浓度沿长度平缓变化，而在液流横截面上每种油品的浓度是均匀的。

假设两种相互掺混的油品连续充满共同流动的区域，且当体积为A V 和B V 的两种油品混合时，总体积C V 大致等于两个组分体积之和，即C V =A V +B V ，对每一组分引入体积浓度A K 和B K 的概念
A K =C A V
B K =C
B V （2-1） 混油的过程可由图2-1说明：如果管道从输送A 油转为输送B 油的时刻为0t ，在此瞬间，两种油品的初始接触面O 左右两侧分别是纯油B 和纯油A ，接触面上的油品浓度为A K =B K =0.5，如图中（a ）所示。

经过一段时间t =12t t -，到时刻2t ，油品A 、B 通过起始接触面相互渗透，在起始接触面两侧分别形成一段长为a1L 、b1L 的混油段，如图中（b ）、（c ）
所示在混油段内自右向左A 油浓度逐渐减小,B 油浓度逐渐增大，在任意截面都有A K +B K =1，初始接触面处仍为A K =B K =0.5。

到时刻2t ，起始接触面两侧混油段分别加长，如图中（d ）、（e ）所示，混油段内油品浓度变化趋于平缓。

可以看出，当管内流速一定时，在某一时刻t ，混油段内任一截面上的油品浓度与该截面距起始接触面的距离x 及第二种油品的输送时间0t t -有关，如设0t =0，则有A K =),(1t x f ，B K =),(2t x f ，且A K +B K =1。

a t 0
b t 1
c
d t 2
e 0
图2-1 紊流段的发展
所谓混油段是指既含A油又含有B油的段落，即在混油段内A种油品的浓度由1变化为0，B种油品的浓度由0变化为1。

在生产实践中，一种油品内含有微量的另一种性质相近的的油品通常是允许的。

同时限于测量仪表的精度，不可能精确的测出A种油品的浓度由1变化为0整个混油过程。

在工程上往往取一种油品的对称浓度，如把
K为99%~1%
A
或98%~2%或95%~5%（指体积比）浓度范围的油品作为混油段。

混油段内所含的油品容积称为混油量，混有段所占的管段长度称混油长度。

2.3 混油处理
混油处理是长距离顺序输送成品油管道以及油品储存的重要环节，也是降低管道输送成本、提高管输经济效益的重要课题。

成品油管道顺序输送的混油是一种不合格的油品，因为混油的质量指标达不到要求，要对混油进行适当的处理。

2.1.1混油处理的一般方法
目前国内外对混油的处理方法一般有两种：一种是就近送回炼厂重新加工，另一种是掺混后供用户使用或降级处理。

混油处理还有一些其他的方法（如金属氧化法、碱处理法、蒸馏法和过滤法），但它们不是很常用。

以混掺方式处理顺序输送所产生的混油，是目前国内外所通用的一种行之有效的经济而且比较简便的方法
2.2.2 混油处理装置
成品油顺序输送管道末站必须建混油罐，以用于储存混油。

若末站距离炼厂较远，末站可设置一套混油处理装置，一般是采用简单的常压蒸馏工艺。

混油处理装置年设计输量的确定取决于需处理的混油量及装置建设和运行的综合费用。

第3章 混油计算
3.1 混油机理
3.1.1 沿程混油
管内互相接邻的油品在流动过程中发生的混油称为沿程混油，若无严重的意外情况发生，它是主要的混油。

沿程混油有以下三个水力和物理特性在起作用。

3.1.1.1 流速伸展
流速伸展是一种水力特性，由液流横截面流速分布不均匀造成，可称流速不均扩散。

根据流体力学理论，管流横截面上流速的分布规律为：
v r y n u n )1)(1(22y -+= （3-1）
式中 y u ——距管轴心距离y 处的流速，m/s ；
n ——与流态有关的数；
y ——距管轴心的距离，m ；
r ——管子半径，m ；
v ——横截面上的平均流速，m/s 。

式（3-1）表明，管流横截面上的流速呈圆锥形分布，最大流速与平均流速之比，层流为2:1，紊流为1.14:1。

在顺序输送过程中，密度的差异对层流状态的流速分布有一定影响，对紊流状态则基本上没有影响。

圆锥形的流速分布使后行油品像楔子那样向前行油品突进，造成不断延
伸的混油段。

层流的楔子最尖突，混油更为严重。

横截面上流速分布不均是沿程混油的基本根源。

如果混油过程仅有流速伸展这一个因素起作用，就会出现两种油品分层共处、各层异速前进的局面，这是极其危险的。

按式（3-1）可以推导出纯流速伸展的混油长度，在紊流状态可为管道长度的68％左右，而在层流状态竟可延伸为管道长度的4.5倍[4]。

幸而有分子扩散和紊流扩散作用，使分层异速流动现象在层流状态下有所改善，在紊流状态下则可完全避免。

3.1.1.2 分子扩散
分子扩散是一种物理特性，由油品浓度梯度造成。

当分子扩散时，既有径向的扩散又有轴向的扩散，其强度取决于物质特性。

轴向扩散使混油增加，是不利的扩散，不过该扩散速度与前述流速不均的伸展速度相比较是微不足道的。

径向扩散使横截面浓度趋于均匀，可缩短混油长度，是有利的扩散，其实际效果依液流的流态而不同。

在层流状态下，各层油品的掺混完全依靠这种作用，可惜由于分子扩散速度不大，其消除分层流动的作用是有限的。

在紊流状态下，分子扩散速度远远低于紊流扩散速度，对油品掺混的作用毋需考虑。

3.1.1.3 紊流扩散
紊流扩散是一种水力特性，由液体质点的不规则运动造成，仅存在于紊流状态。

像分子扩散那样，紊流扩散既有径向的扩散又有轴向的扩散，其强度取决于紊流特性，比分子扩散大得多。

强劲的径向扩散，尤其是旋涡运动，使液体质点发生剧烈的横向交换，中部速度较快的油品把边缘滞后的油品迅速带走，可大大缩短混油长度，一般只为管道长度的1%～5%[5]。

因此，顺序输送总是取紊流而避层流。

综上所述，在紊流状态下的沿程混油是流速伸展、紊流扩散、分子扩散共同作用的结果，前两者起决定作用。

从实效讲，伸展是有害作用，扩散是有益作用。

三个作用的综合效应称为扩展(dispersion) ，也可统称
扩散。

有些文献把这种扩散也叫做紊流扩散，这种紊流扩散与流体力学所讲的由液体质点不规则运动造成的紊流不同。

3.1.2 局部混油
管道始端切换油品产生的搭接混油和管件阀门等造成的死角混油为局部混油。

如有复管，其混油也属于局部混油。

泵站的死角很多，其所增加的混油量与通过10～15km管道的混油量不相上下。

有些文献把泵站局部混油归因于泵，还需商讨。

由于泵内流速大大快于管内流速，不可能有死角，加之叶轮具有使混油均匀的作用，即使不起明显的好作用，也不应起明显的坏作用，很可能是无关紧要的。

在计算时，局部混油一般不单独考虑，而是把它并人沿程混油的扩展系数中，与长输管道水力计算不单独计算局部阻力而并人沿程阻力的方法类似。

3.1.3 意外混油
沿程混油和局部混油都是必定存在的。

此外，一些意外混油也会造成不可忽视的，甚至是严重的混油。

尤其值得注意的是，中途停输造成的意外混油，因为在流动过程中，油品密度的差异对油品混合的作用无足轻重，但若停输，密度差就会在一定的条件下起重要作用。

意外混油并非必然存在，但若发生则必须单独计算。

3.2 混油浓度
简化之一是不考虑层流底层的存在，认为它极薄而可以忽略不计，紊流扩散作用遍及整个横截面；简化之二是不考虑流速伸展总是先于并快于紊流径向扩散，横截面上的浓度分布总有点不均匀，认为径向扩散作用可以瞬时将油品混合均匀[6]。

不言而喻，这样简化只适用于紊流状态，决不可用于层流。

由于上述简化，两种油品沿轴向的体积分数以界面为中心呈对称衰减分布，如图3-1中的短曲线所示。

图3-1 混油段内的浓度分布
简化处理必然会缩短混油段的长度，并掩饰轴向浓度分布的不对称性。

由于层流底层消散滞缓、扩散与伸展不能同步、死角内油品流出缓慢，因此混油长度必定增加，轴向浓度分布注定是不对称的，即以A油和B油体积浓度均等的横截面为中心，其后面的混油长度大于前面的混油长度，头短而尾长，如图3-1中长曲线所示
3.2.1混油浓度基本方程
按混油过程的简化模型可推导出简明的混油浓度基本微分方程。

图3-2 油品浓度分析图
如图3-2所示，两种油品的最初接触界面于时刻t 到达图示的位置，以下研究距界面x 处的微分段x d 在t d 时间内B 油浓度的变化。

在t d 时间内，x d 段B 油的体积增量为
t x A t
K V d d B B ∂∂=∆ （3-2） 式中 B V ∆——B 油的体积增量；
B K ——B 油的体积分数；
A ——管子截面积，m 2。

B 油体积的增加，是其在t d 时间内流人和流出dx 段体积不同造成的。

B 油流入的体积为
x A v V d B 1=∆ （3-3） 流出的体积为 x A v x vx
v v V d )d (B B B 2∂+
=∆ （3-4） 体积增量为
t x A x v V V V d d B B 12∂∂-=-∆=∆ （3-5） 式中 B v ——B 油轴向扩展速度，m/s 。

联解式（3-2）和式（3-3）得
x
v t K ∂∂-=∂∂B B （3-6） 扩展速度B v 可以用流体力学公式进行计算，但甚为麻烦，而且难以计算局部混油的影响。

工程上采用的办法是把扩展当作是分子扩散，用费克(Fick )分子扩散定律来表述。

按费克定律，扩散速度、扩散系数与负的浓度梯度成正比。

将扩散速度、扩散系数、体积浓度分别置换为扩展速度、扩展系数、体积分数，
则为
x
D v d B T
B -= （3-7） 式中 T D —扩展系数。

将式（3-7）代人式（3-6）得
2B 2T B t K D t K ∂∂=∂∂ （3-8）
费克定律是推导简明混油浓度方程的一个实用工具，而不是研究混油形成的理论基础。

按三种作用所作的数值计算和实验考查表明，利用费克定律导出的式（3-8）可以满足工程应用的要求。

为求解偏微分方程（3-8）引入新变量Z ，即 t
D x Z T = （3-9） 利用Z 将方程（3-8）改写为
Z
K Z Z K d d 2d d B 2B 2-= （3-10） 求解上述常二阶微分方程，并代入根据边界条件确定的积分常数，得
2e d d 1B Z C Z
K = （3-11） 再积分
⎰+=-Z Z C Z C K 021B d e 2
（3-12） 边界条件
5.00B ==Z K ， 0B =∞→Z K
解得 π11-=
C ，5.02=C ⎰--=
Z Z Z K 02B d )ex p(121π （3-13）。