成品油顺序输送过程模拟

成品油顺序输送过程模拟

储祥萍 于达宫敬

摘要成品油顺序输送必然会形成混油段，选择合理的输油方案是减少混油的基本措施，运用计算机对不同的输油方案进行模拟分析是选择合理输油方案的有效方法。分析了顺序输送过程中管路水力特性的变化过程，建立了水力分析的数学模型，并开发了通用的顺序输送过程模拟软件。通过算例说明了该软件的实际应用意义。

主题词成品油管道顺序输送数学模型模拟

成品油管道在顺序输送过程中，不同牌号的油品形成各自的油段。各油段因密度和粘度的差异导致了油段间能耗的不同，而且随着油品的流动，管内各不同牌号油品的比例也在不断发生变化，使管道系统的工艺参数始终处于不稳定状态。一般管输的流速为1～2 m／s，而管道的长度多为几百公里甚至更长。就整体而言，管道内各种油品比例的变化是缓慢的，其不稳定过程是一个缓变的过程，即准稳态过程。因此，顺序输送管道的水力分析的难度和复杂性高于单介质管道。

一、数学模型

由于顺序输送过程是一个不稳定的过程，因此采用分时步模拟方法，把模拟过程分成若干时步，每个时步内的过程看成是一个稳定的过程。现以管道最大流量为前提，建立数学模型。最大流量是指在每一个时步内，管道在满足约束条件下的最小节流状态的流量。其约束条件是：泵站和管路的能量平衡；各泵站的进站压力大于或等于最小允许值P

smin

；各泵站的出站压力小于或等于最大允许值

P

dmax

。

为了满足输油工艺的变化，在模型中考虑了如下工况：①在预定位置定流量连续注放油；②压力越站；③变管径；④串联泵组合和并联泵组合；⑤转速调节、阀门调节、启停泵调节。〔1〕

串联泵机组模型描述：本模型假设各注放油点的流量为常数，设Q为某时刻首站流量，Qf（i）表示第i站注油或放油，那么第i站的流量为Q＋Qf（i）。如果Qf（i）－Qf（i－1）＞0表示第i站注油，且注油量为Qf（i）－Qf（i－1）；如果Qf（i）－Qf（i－1）＜0表示第i站放油，且放油量为Qf（i－1）－Qf（i）；如果Qf（i）＝Qf（i－1）表示第i站无注放油。

1、能量平衡方程

能量平衡方程(能量以Pa为单位)为：

P H ＋P

C

＝P

P

＋P

S

＋P

J

＋P

Z

＋P

K

（1）

式中P

H 、P

K

——管路起、终点压力；

P

C

——各泵站提供的压力之和；

P

P

——全线的压力损失之和；

P

S

——各泵站的站内压力损失之和；

P

J

——各泵站节流压力损失之和；

P

Z

——克服线路地形高差的压力损失。

(1)P

C 的表达式各泵站提供的压力之和P

C

由下式计算：

（2）

式中n——表示全线有n个泵站；

k i ——每个泵站有k

i

台泵运行；

a

ij

——表示第i站第j台泵的泵特性系数；

b

ij

——表示第i站第j台泵的泵特性系数；

ρ

i

——某时刻流经第i站的油品密度；

g——重力加速度。

(2)P

P

的表达式假设某时刻管道内各油品批次分布见图1。

图1 油品批次分布图

假设图1中油品牌号依次为：油品0(EF管段)、油品1(CE管段)、油品2(AC 管段)。把沿线的泵站、分输站、注油站和相邻输送的两种油品的起始接触面(暂且称为混油界面)都定义为边界点，那么全线可分成AB、BC、CD、DE、EF五段，

分别计算各段的沿程摩阻。对AB管段，求出该管段的流量Q

AB 和管径d

AB

以及流

经该管段油品的粘度ν

AB 和密度ρ

AB

，根据对流态变化适应性较强的阿尔特舒尔

公式得到〔2〕：

（3）式中e——管壁绝对粗糙度；

由达西公式得AB段沿程摩阻损失为：

（4）

式中L

AB

——AB管段的长度；

则全线压力损失为

（5）

(3)P

Z

的表达式对应(2)中某时刻的管道系统运用能量守恒定律可推得：

（6）

式中γ

i

——流经第i站的油品重度；

Z

i

——流经第i站时的高程；

j——j＝1，……m表示从首站至末站有m个混油界面；

γ

jf 、γ

jb

——第j界面前行油品、后行油品的重度；

Z

j

——第j界面处的高程。

(4)P

S

的表达式为简化起见，各站的站内压力损失取0.1 MPa，则各站的

站内压力损失之和P

S

为：

P

S

＝0.1×n(7)

2、约束条件

各站进站压力：P

in ≥P

smin

；各站出站压力：P

out

≤P

dmax

。

3、调节措施

随着油品批次向前推移，如果保持前一时步的开泵方案，则有可能导致后一时步约束条件不满足，此时就得进行调节。

(1)当出站压力超高或进站压力过低时，应采取减少能量的方式调节，即以先调速(若无调速泵则无此项)、后节流、再停泵的次序进行。

(2)若出站压力偏低(设出站压力设定值比出站压力高dp

1

)，或进站压力过高

(设进站压力比进站压力设定值高dp

2)，且dp

1

＋dp

2

大于一台泵的扬程可考虑以

增加能量的方式调节——启泵。

4、某混油界面A流经第i步距Δl的时间Δt

设界面A在第i－1步距结束时的流速为V

1，在第i步距结束时的流速为V

2

，

则第i步距所需时间为。

5、混油长度〔3〕

根据由扩散理论出发推导的方程〔8〕，可以计算每一时刻混油段A的混油长度。