順序輸送管道的混油

混油有兩種一般來(lái)說(shuō)，泵站內(nèi)的混油不好計(jì)算，而且如果操作管理得當(dāng)，站內(nèi)混油所占比例很小，因此一般不作詳細(xì)計(jì)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(jī)理

1、流速分布不均引起的幾何混油

油品在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，存在著流速分布。流速分布對(duì)混油影響很大，流態(tài)不同，管內(nèi)流速分布不同，對(duì)混油的影響也不同。管內(nèi)流速分布呈拋物線(xiàn)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(jìn)入前面的油品中，在管壁處，流速較慢的前行油品又會(huì)落后在后面的油品中，就在管內(nèi)形成楔形油頭。層流：B油A油隨著流動(dòng)距離的增加，混油段會(huì)越來(lái)越長(zhǎng)，混油量相當(dāng)大，可達(dá)(3～4)Vg(Vg為管道總?cè)莘e)。因此順序輸送的管道在兩種油品交替時(shí)應(yīng)避免在層流下工作，無(wú)法避免時(shí)，應(yīng)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(nèi)存在較大的流速梯度，而無(wú)明顯的楔形油頭存在，所以紊流時(shí)混油量比層流時(shí)小得多。隨著流量的增大，Re↑,混油量↓，一般情況下，Re>104時(shí)混油量?jī)H占管道總?cè)莘e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(huì)引起管內(nèi)的自然對(duì)流，從而加大混油量。表現(xiàn)在兩個(gè)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(duì)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(dāng)混油段處于上下坡時(shí)，由于密度差的作用（重油在上面、輕油在下面）也會(huì)形成自然對(duì)流，加大混油，此時(shí)管線(xiàn)停輸則混油量更大。3、擴(kuò)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(chēng)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(kuò)散，而B(niǎo)油則由B油方面向A油方面擴(kuò)散，這樣便形成了擴(kuò)散混油。一般情況下，紊流時(shí)，擴(kuò)散混油是主要的；層流時(shí)，流速分布不均，形成楔形油頭造成的混油是主要的；正常運(yùn)行時(shí)密度差引起的混油要小得多，可以忽略不計(jì)。對(duì)于長(zhǎng)距離順序輸送管道，一般都在紊流區(qū)工作，主要是擴(kuò)散混油。二、縱向紊流擴(kuò)散混油理論

1、基本概念

(1)起始接觸面：

設(shè)管內(nèi)原來(lái)輸送A油，在t=t1時(shí)刻開(kāi)始輸入B油。在該瞬間，A、B油在起點(diǎn)截面相接觸。由于流速分布不均，實(shí)際接觸面不是平面，為了討論方便，我們假設(shè)A、B油的接觸面為一垂直于管道軸線(xiàn)的平面。①定義：A、B兩種油品開(kāi)始接觸時(shí)的垂直于管軸的平面稱(chēng)為起始接觸面。②性質(zhì)：起始接觸面具有如下性質(zhì)：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(dòng)。在t1時(shí)刻它在管線(xiàn)起點(diǎn)，t2時(shí)刻，它在距起點(diǎn)截面為V(t

2-t1)的地方。注意：

起始接觸面與起點(diǎn)截面是不同的。起點(diǎn)截面是靜止不動(dòng)的。而起始接觸面以速度V前進(jìn)，僅在t=t1時(shí)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(nèi)，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(nèi)所含的油品體積稱(chēng)為混油量。(4)混油長(zhǎng)度：混油段所占的管段長(zhǎng)度稱(chēng)為混油長(zhǎng)度。2、混油段的形成過(guò)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(niǎo)油的流入，起始接觸面向前移動(dòng)，混油段逐漸增大。為了便于分析計(jì)算，我們選擇一個(gè)移動(dòng)的坐標(biāo)系K－x座標(biāo)系，移動(dòng)速度為V，坐標(biāo)原點(diǎn)位于起始接觸面上，縱坐標(biāo)表示油品濃度，橫坐標(biāo)為某截面到起始接觸面的距離，這樣縱坐標(biāo)軸（即起始接觸面）將混油段分為左右兩部分。①t1時(shí)刻，兩種油品剛開(kāi)始接觸，混油段長(zhǎng)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(shí)刻，起始接觸面O移動(dòng)了V(t2-t1)的距離。形成了長(zhǎng)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(nèi)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(gè)截面上都有KA+KB=1。③t3>t2時(shí)刻，起始接觸面移動(dòng)到(t3-t1)V的位置。這時(shí)的混油長(zhǎng)度為2l2。與t2時(shí)刻的混油濃度曲線(xiàn)相比，可知混油段內(nèi)某個(gè)截面上的混油濃度還隨時(shí)間變化，且隨t↑l↑，混油濃度曲線(xiàn)變平。輸送方向A油B油OKA=KB=0.5t3l2l2KAKB擴(kuò)散混油的基本特點(diǎn)：(1)隨時(shí)間的延長(zhǎng)，混油段變長(zhǎng)，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(shí)刻t，混油段內(nèi)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(nèi)B油(或A油)的濃度隨時(shí)間而變化，KB=φ

(t)(4)混油段內(nèi)混油濃度是x和t的函數(shù)，KB=ψ(x,t)三、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(jì)算公式，影響混油量的主要因素有：(1)管內(nèi)徑D：管徑越大，混油量越大；(2)管長(zhǎng)L：管道越長(zhǎng)，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(xiàn)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(shí)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(huì)導(dǎo)致混油長(zhǎng)度顯著增加。2、影響混油量的其它因素不同油品在長(zhǎng)輸管道順序輸送過(guò)程中，除了已分析過(guò)的對(duì)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(gè)小時(shí)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(shí)混油的增加量與停輸時(shí)間、沿線(xiàn)地形、油品密度差有關(guān)。在對(duì)蘭成渝成品油管道投產(chǎn)以來(lái)的停輸情況和重慶末站分輸?shù)幕煊土窟M(jìn)行跟蹤研究表明，該管道的停輸時(shí)間對(duì)混油量增加的影響不如停輸時(shí)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(shí)界面的位置和油品的次序就顯得尤為重要。目前還沒(méi)有較好的計(jì)算停輸混油的方法。(2)粘度差混油粘度差對(duì)混油量的影響與順序輸送油品的次序有關(guān)：粘度小的油品后行時(shí)的混油量比粘度小的油品前行時(shí)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(shí)，因輸送次序不同產(chǎn)生的混油量差別可達(dá)10％。在我國(guó)的管道順序輸送試驗(yàn)和運(yùn)行中也發(fā)現(xiàn)，油品交替時(shí)，粘度小的油品頂替粘度大的油品所形成的混油長(zhǎng)度大于次序相反時(shí)的混油長(zhǎng)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(qiáng)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(shí)間長(zhǎng)，差不多要到混油段的一半通過(guò)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(shí)，形成了柴油濃度不很大的混油尾痕。在輸送次序相反即當(dāng)汽油前行、柴油后行時(shí)，汽油膜在短時(shí)間內(nèi)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(guò)站混油順序輸送工藝規(guī)定管道首站更換油品時(shí)不能停輸，當(dāng)切換油罐時(shí)，在管匯中形成的混油段稱(chēng)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(shí)間。我國(guó)格拉成品油管道的初始混油長(zhǎng)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(zhǎng)度約為600m，蘭成渝管道的初始混油長(zhǎng)度約為250m(50m3)。管道愈長(zhǎng)，初始混油量對(duì)管道終點(diǎn)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(xiàn)及泵站主要閥門(mén)的開(kāi)關(guān)時(shí)間限制在15s內(nèi)?；煊屯ㄟ^(guò)沿線(xiàn)各中間(泵)站時(shí)，站內(nèi)盲支管中的油品不斷與進(jìn)站混油摻合、混油通過(guò)過(guò)濾器時(shí)的層流流動(dòng)、站內(nèi)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(jī)組串聯(lián)運(yùn)行時(shí)，一個(gè)泵站所增加的混油量約等于通過(guò)10～15km長(zhǎng)的直管段時(shí)所增加的混油量。我國(guó)格拉成品油管道混油段每通過(guò)一座中間泵站，混油段長(zhǎng)度平均增長(zhǎng)36～40m，占管道全程混油長(zhǎng)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(mǎn)流段，不滿(mǎn)流段的油流只局部充滿(mǎn)管道。由于重新建立的流速斷面以及湍流強(qiáng)度、擴(kuò)散過(guò)程的變化，油品混摻與滿(mǎn)管時(shí)的情況不同，也會(huì)在一定程度上增大混油量。輸量調(diào)節(jié)、中途分輸或進(jìn)油、油品交替、管徑變化等引起流速變化，管道沿線(xiàn)溫度變化以及管道沿線(xiàn)的支管、旁通管等都將影響輸送中形成的混油量。四、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。可用作隔離液的物質(zhì)有：與兩種油品性質(zhì)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(shí)，其性質(zhì)與所輸送的兩種油品的性質(zhì)要有較好的相容性。這就意味著隔離液可以大量地補(bǔ)充到兩種成品油中去。隔離液的長(zhǎng)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(shí)，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(mǎn)管道橫截面，可以清除管壁處層流邊層內(nèi)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(nèi)變徑、管接頭、彎頭等的擾動(dòng)。(3)對(duì)管內(nèi)的機(jī)械雜質(zhì)、沉積物攜帶作用強(qiáng)。(4)凝膠體具有較強(qiáng)的非牛頓特性，在管內(nèi)能始終作為一個(gè)整體塞狀物沿管道運(yùn)動(dòng)；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(shí)油(氣)與水的隔離，而且可用于清除管內(nèi)沉積物、管道排空等。凝膠體隔離塞與機(jī)械隔離塞相比，有如下特點(diǎn)：

(5)凝膠體具有良好的再聚合能力。通過(guò)泵、閥，受到劇烈剪切后，凝膠體具有很強(qiáng)的自持力和再聚合能力，可以較快地恢復(fù)結(jié)構(gòu)使隔離塞的整體性不受到破壞。選擇凝膠物質(zhì)作隔離塞時(shí)，需要防止其對(duì)油品的污染，同時(shí)對(duì)于長(zhǎng)距離輸送管道，要考慮凝膠物質(zhì)的抗剪切性，以防止在經(jīng)長(zhǎng)距離的管道剪切和多次過(guò)泵剪切而產(chǎn)生整體性的破壞。3、固體隔離(1)機(jī)械隔離器常用的機(jī)械隔離器有橡膠隔離球(器)和皮碗形機(jī)械隔離器兩種。把隔離器置于兩種油品的界面處與管內(nèi)壁緊密接觸，且隨油品沿管道向前推進(jìn)，可以避免兩種油品之間的直接接觸，從而減少混油。實(shí)際使用的皮碗形隔離器外徑一般比管內(nèi)徑大1％～3％，以便在隔離器與管內(nèi)壁之間有較好的密封作用，但這就會(huì)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(huì)往前行油品中泄漏，會(huì)增加混油。生產(chǎn)實(shí)際中，機(jī)械隔離器的運(yùn)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(huì)增加混油量。(2)橡膠隔離球橡膠隔離球?yàn)橐缓癖谥锌盏南鹉z球體。使用前在球內(nèi)充以一定壓力的水或所輸油品，在冬季嚴(yán)寒地區(qū)可充以防凍液，使球外徑膨脹到稍大于管內(nèi)徑。這樣可以在隔離球與管壁間產(chǎn)生一定的密封壓力，并可防止在管內(nèi)油流壓力作用下球發(fā)生變形。影響隔離球隔油效果的主要因素有：球的耐磨性、球腔的充液量、球的過(guò)盈量、投放隔離球的數(shù)量、球間距等。由于影響隔離球隔油效果的因素較多，油品通過(guò)球而漏泄的過(guò)程又很復(fù)雜，再加上管道的長(zhǎng)度、管子的安裝和質(zhì)量不同，各種文獻(xiàn)中對(duì)隔離球的隔油效果眾說(shuō)不一，有的認(rèn)為，采用球型隔離器減少的混油量很少。目前隔離球一般僅用于管道投運(yùn)時(shí)的油水隔離。前面介紹了固體隔離器和液體隔離塞兩類(lèi)減少混油的措施，但應(yīng)注意，隔離措施只能減少沿程混油。能采用直接接觸輸送的兩種油品，如產(chǎn)生的混油又比較容易處理，應(yīng)盡量采用直接接觸輸送。必須進(jìn)行隔離輸送時(shí)，選用哪種隔離措施，需根據(jù)實(shí)際情況，通過(guò)經(jīng)濟(jì)比較選擇最佳方案,特別是凝膠及固體隔離器應(yīng)慎重選擇。五、減少混油的措施(1)在保證操作要求的前提下，盡量采用最簡(jiǎn)單的流程，以減少基建投資與混油損