成品油管道输送过程混油特性及泄漏测算方法研究

发布时间：2020-04-08 06:04

【摘要】：成品油管道运行过程中的混油跟踪和泄漏处理决策对其经济性和安全性影响很大。合理预测混油浓度分布是站场浓度切割的重要环节,而现有经典模型无法解释生产现场出现的混油拖尾现象。同时,成品油管道泄漏后果严重,不仅有油品损失、影响管道正常运行,还极易发生二次事故。然而,成品油管道正常输送及泄漏过程所涉及的复杂物理过程和边界条件,导致管道正常输送时的混油量以及泄漏发生后的泄漏量难以计算。因此,首先,本文介绍了单管顺序输送不同黏度液体的实验研究,利用搭建的实验环道平台,再现了混油拖尾现象,并对其进行了定量分析。提出了无量纲混油长度、轴向拖尾长度和径向浓度差异等指标来揭示浓度分布的拖尾特征。其次,基于Fick扩散定律,同时考虑到粗糙管壁对油品的吸附效应,提出了计算物质扩散系数和混油浓度分布的新模型。分析了前后油品物理性质差异、湍流效应以及吸附效应对混油浓度分布和拖尾现象的影响。然后,考虑管内外的导热换热耦合以及管道内的油品流动-传热-混合的耦合过程,数值模拟了单相不可压缩多组分流体的传热传质过程。分析了混油段内无量纲特征数的变化规律,得到了混油段内油品的流场和浓度分布。进一步对影响混油量及混油拖尾长度的关键因素进行了敏感性分析。另一方面,研究了泄漏或打孔盗油过程的水力特性并提出了测算泄漏量或盗油量的方法。计算了泄漏点处或打孔处瞬时泄漏流量和累计泄漏体积,并预测了泄漏孔大小。最后,将泄漏后非稳态管内流动规律、小孔处出流规律以及管外环境中的渗流扩散规律相结合,实现了“管流-泄漏-渗流”耦合计算。分析了泄漏油品在土壤多孔介质中的渗流扩散范围及其影响因素。研究结果显示,本文提出的混油浓度分布新模型能够描述混油拖尾现象,同时能够更加清晰地反映油品掺混的本质。实验中观察到,无论是在管道中心还是在管壁附近,浓度分布都显示出存在拖尾现象。混合段尾部长度比头部长7%~22%。无量纲混油长度远大于无量纲混油拖尾长度。随着Re的增加,无量纲拖尾长度和混油长度都在减小。上述规律在现有数值理论和经验公式中均未被揭示。数值模拟研究发现,成品油顺序输送属于高Pr数、高Pe数流动,Ri数始终小于1。温度和重力对混油形成的影响很小。对流对拖尾现象有正面影响,而扩散系数对拖尾现象有负面影响。在轴向上,对流效应贡献最大;而在径向上,扩散效应占主导地位。管道中心的扩散系数比管壁大。前后行油品物理性质的差异是形成混合段界面的重要因素,也是影响轴向扩散系数的主要因素;湍流效应是影响径向扩散系数的主要因素;吸附效果不直接影响扩散系数,但直接影响浓度的径向分布。上述3种效应共同作用于混合段的扩散系数,进而影响浓度分布及其拖尾现象。管径、流速、温度、扩散系数对混油量及混油拖尾长度二者的影响在趋势上相同,前者为正相关,后三者为负相关。另一方面,基于真实成品油管道分别进行了“小孔放油”和“分输下载”两种方式的现场泄漏实验,验证了本研究所提的泄漏量和打孔盗油量测算模型具有很好的精度和鲁棒性。输量越小、压力越高、泄漏速率越大、压力波动程度越大,模型计算结果精度越高。孔尺寸对精度的影响程度大于泄漏点压降、流量、温度。油品泄漏过程的“管流-泄漏-渗流”耦合模型具有更高的计算泄漏量的精度,并可同时给出泄漏油品在土壤中的渗流扩散范围随时间的演变规律。最后,本文的研究成果既可为现场混油预测及切割等工艺提供理论指导又可为管道事故处理提供重要依据和技术支持。
【图文】：

（b）物理实验系统图 2.1 实验装置和实验系统的示意图Fig. 2.1 Diagrammatic sketch of the experimental setup and the physical experimental system实验管段由 4 段有机玻璃管道组成，由 4 个 L 型气动三通阀控制，其中 PEV1和 PEV2联动控制，PEV3和 PEV4联动控制，如图 2.2 所示。两组气动三通阀可以在上位机上设定准确的启闭运行时间。通过分别控制两组气动三通阀的启闭前后泵入两种不同的工作介质在实验控制段形成不同的混油界面。

（b）物理实验系统图 2.1 实验装置和实验系统的示意图ig. 2.1 Diagrammatic sketch of the experimental setup and the physical experimental syst实验管段由 4 段有机玻璃管道组成，由 4 个 L 型气动三通阀控制，其中 PE PEV2联动控制，，PEV3和 PEV4联动控制，如图 2.2 所示。两组气动三通阀可上位机上设定准确的启闭运行时间。通过分别控制两组气动三通阀的启闭前入两种不同的工作介质在实验控制段形成不同的混油界面。
【学位授予单位】：中国石油大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TE832

【参考文献】

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本文编号：2618992