输油管道设计与管理62

混油有两种一般来说，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。第二节顺序输送管道的混油一、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。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，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。层流：B油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。紊流：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％。B油A油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、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。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。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=0.5b、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。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。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座标系K－x座标系，移动速度为V，座标原点位于起始接触面上，纵座标表示油品浓度，横座标为某截面到起始接触面的距离，这样纵座标轴（即起始接触面）将混油段分为左右两部分。①t1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输送方向A油B油OKB=1KA=0KA=KB=0.5KA=1KB=0t1②t2>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：在起始接触面上：x=0，在起始接触面右边：x>0,

在起始接触面左边：x<0,输送方向A油B油OKA=KB=0.5t2l1l1KAKB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↑，混油浓度曲线变平。输送方向A油B油OKA=KB=0.5t3l2l2KAKB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)3、混油段的浓度分布(1)扩散速度w

油品在管道内交替时，由于对流和扩散的作用，A油的分子从高浓度区向低浓度区扩散，使B油中混入A油。同时B油分子向A油中扩散，使A油中混进B油。定义：单位时间内，某一种油品经过单位截面积扩散至另一种油品中的体积，称为扩散速度。单位为m/s根据扩散理论(Fick定律)，扩散速度与扩散方向上的浓度梯度成正比，即：式中：DT

为油品在管道轴向的有效扩散系数。(2)混油浓度微分方程设有一顺序输送A、B油的管线，流速为V，混油长度为2l，起始接触面把混油段分为两部分，长度各为l。建立移动座标系K－x，速度为V，座标原点在起始接触面处。在距起始接触面x处取一微元段dx，考察单位时间内dx段上B油量的变化。A油B油xllKxVdx在x处截面上，B油浓度为KB，沿x方向浓度梯度为在x+dx截面上,B油浓度为：,浓度梯度为单位时间内由x处截面扩散进入dx段的B油量为:（F为管子截面积）同时由x+dx截面扩散出dx段的B油量为：dx段上B油浓度随时间的变化率为，则dx段上单位时间内B油变化量为：根据质量守恒，有：,即即：上式即为两种油品顺序输送时混油段内混油浓度微分方程。它表示距起始接触面x处B油浓度随时间的变化关系。(3)混油浓度计算公式求解上述偏微分方程即可得到混油浓度计算公式。为了求解上述偏微分方程，引入综合变量，则对上式进行积分：即即对上式二次积分：积分常数

C1、C2

的确定：x=0,Z=0,KB=0.5,则C2=KB=0.5则：令由此可知，混油段内油品浓度KA、KB

是综合变量Z的函数。Z与油品浓度的关系见教材P300

图6-17。知道Z，就可由图6-17求得混油浓度KA、KB。注：概率积分函数φ(Z)为奇函数，φ(-Z)=-φ(Z)

。若Z处KA=80%，则在-Z处，KA=1-80%=20%。反之若KA处Z值为1.4，则在1-KA处Z值为-1.4。计算Z值时要用到有效扩散系数DT，下面讨论一下DT的计算方法。(4)有效扩散系数

DT表示浓度梯度为1时，单位时间内某一种油品经过单位截面积扩散到另一种油品中的量。它综合了油品交替过程中的对流、紊流扩散和分子扩散三种因素的作用。DT

越大，扩散越强，混油段越长。目前采用的计算公式都是由实验或生产数据总结出来的。下面介绍几个常见的公式。

①雅勃隆斯基公式②阿萨图良公式③泰勒公式泰勒使用数据分析方法，得出了适用于水力光滑区的有效扩散系数的计算公式：式中：Vcp──管内平均流速，m/sD──管道内径，mλ──水力摩阻系数泰勒公式的适用范围为Re>20000。1、管路终点的混油浓度

管路终点的混油浓度可以用前面推导出的浓度公式计算。关键是计算终点的Z值。其中x是某截面距起始接触面的距离。虽然终点截面不动，但起始接触面以速度V运动，所以终点截面到起始接触面的距离也是随时间变化的。设管长为L，时间从刚输入B油时算起。则：对于终点截面：设起始接触面从起点到终点所需时间为t0，则t0=L/V。引入无因次时间τ=t/t0，

t=0,x=L；t≠0时刻：x=L－Vt

三、混油量计算

则当t<t0时，τ<1,起始接触面未到达终点t=t0时,τ=1,起始接触面刚到终点，混油段已流出一半。t>t0时，τ>1,起始接触面已流出管线。式中称为贝克莱准数，是一个无因次量。由于混油段只占管长的1％左右，所以混油段中的各个截面到达终点的时间与t0很接近，即τ→1，因此，在起始接触面快到终点的情况下，可取,则对于管路终点，则管路终点的混油浓度为当管长L和所输送的油品一定时，Ped为定值，则终点混油浓度K只是τ的函数。2、管道终点的混油量工程所说的混油段是指某一混油浓度范围内的混油段，该浓度范围是根据油品质量指标的要求人为确定的。工程上往往对混油段进行对称切割，即常取某种油品的对称浓度作为混油段。如95%～5%，99%～1%。混油段以外的混油则切入A油罐和B油罐，这样可以减少混油量提高经济效益。因此在提到混油段长度时应说明相应的浓度范围。⑴混油段浓度范围⑵任意浓度切割的混油量计算已知管线长度为L，内径为D，输量为Q，平均流速为V，两种油品的粘度为υ1,υ2，下面我们来讨论浓度范围KA1~KA2之间的混油量计算。假设浓度为KA1的截面(混油头)到达终点的时间为t1，浓度为KA2的截面到达终点的时间为t2，KA1到KA2浓度范围内的混油量Vh

应当等于(t2-t1)时间内流过的油品的体积。即：式中Vg=Qt0为管路总容积。上式适用于任意浓度范围的混油量计算。由KA1、KA2查图可求得Z1、Z2，代入上式计算混油量。将式中的Vg改为L即变为混油长度计算公式：则混油量计算公式变为：⑶对称浓度切割的混油量计算对于对称浓度切割，总有KA1=KB2，KA2=KB1根据混油浓度计算公式：即：根据概率积分函数的性质知则混油量计算公式变为：将，代入上式，得：上式即为对称浓度切割时的理论混油量计算公式。当Re较小时，该式的计算结果偏小。因为它只考虑了紊流扩散混油，没有考虑层流边层和密度差引起的混油。当Re较大时，后两项与紊流扩散混油相比较小，偏差相对减少。为了考虑后两项的影响，在上式中引入修正系数α，则上式变为：α的值见下表。由表中数据可知：α与Re和切割浓度范围有关，Re↑,α↓，切割浓度范围越大，α越大。浓度范围%104≤Re≤105105≤Re≤5×105浓度范围%104≤Re≤105105≤Re≤5×10599～11.301.2596～41.151.1098～21.251.2095～51.101.0597～31.201.1594～61.051.00实际生产中习惯用混油长度C表示：上式实际上是半理论半经验公式。混油浓度分布是由扩散理论得到的，而扩散系数

DT

和修正系数α则是由生产或实验数据总结出来的。(4)混油量计算的经验公式奥斯汀和柏尔弗莱收集并整理了大量实验和生产数据，得到了混油长度计算的经验公式。整理数据时作了如下假设：①混油的粘度按下式计算，并由此粘度计算雷诺数。式中：υA、υB：A、B油在输送温度下的粘度，厘沱；υ：混油的粘度，厘沱。②不考虑输送顺序对混油的影响。实际上是有影响的，高粘油在前，混油量大。③混油段浓度范围为99～1％。图6-7由图可知：

混油长度C与Re的关系可分为两个区，两个区的分界雷诺数称为临界雷诺数，用ReLj表示。管径不同ReLj也不同。在每个区中，C2/LD

和Re在双对数座标系中均呈线性关系。Re>ReLj，曲线平缓,Re↑,C

缓慢减小,称为平滑区。它对应于光滑区的大雷诺数范围和混合摩擦区。在该区，Re较大，层流边层较薄,对混油量的影响很小,混油主要是扩散作用引起的。所以为了减少混油,设计和运行时应使管线在该区工作。Re<ReLj，曲线较陡，Re↓，C↑↑，称为陡斜区。它对应于光滑区中的较小雷诺数范围。在该区，层流边层较厚，对混油量的影响很大。根据上述曲线，可以得到计算混油长度的公式。Re<ReLj（陡斜区）:Re>ReLj（平滑区）:联解上述两式可得到的ReLj

表达式为：四、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：管经越大，混油量越大；(2)管长L：管道越长，混油量越大；(3)雷诺数Re：Re越大，混油量越小。(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、影响混油量的其它因素不同油品在长输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：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。目前还没有较好的计算停输混油的方法。(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。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。(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280～400m；前苏联管径为0.5m的古比雪夫--勃良斯克成品油管道的初始混油长度约为600m，兰成渝管道的初始混油长度约为250m(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15s内。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10～15km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％。(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。在输油首站开始两种油品交替时，倒换流程的过程如下：首先开启后行油品储罐的阀门，逐渐关闭前行油品储罐的阀门，实现输油批量的交替。在油罐切换的短暂时间内，前后两种油品同时进入首站泵的吸入管道，形成所谓的初始混油。初始混油量的大小取决于切换油罐的速度、首站泵吸入管道的布置和首站的排量。考虑初始混油量的影响，管道终点的混油长度可用下式计算：五、初始混油、中间站混油的计算1、初始混油的计算式中C——管道终点混油总长度，m；C*——不考虑初始混油影响的管道终点混油长度，m；

C0——初始混油长度，m；

L——管道长度，m；

Z——对称切割混油头浓度对应的值；

Ped——贝克莱准数。由上式可知，管道愈长，初始混油对管道终点总的混油量影响愈小。例如，DN500的管道，取初始混油长度为500倍管内径，Pea=106，对称切割浓度为0.01～0.99时，由上式计算的C/C*的结果见下表：管道长度L(km)50100200300500700C/C*(％)182126107103.2101.1100.6由计算结果可知，在管道首站产生的初始混油，对短距离管道影响是很大的，当管道长度增加到300km时，初始混油的影响已不明显，不过初始混油总是使管道终点的混油量有所增加。

2、中间站混油的计算顺序输送过程中，混油段每经过一个中间站，混油长度就有所增加。从减少中间站对混油量影响的角度考虑，对于顺序输送管道，尽量简化中间站流程，减少涡流源和盲管长度。目前，长距离输油管道都采用密闭输送方式，站场流程也越来越简单，因此，站场混油的增加量不大。设计中可以将初始混油和站场混油综合用一个系数加以考虑。六、隔离液与隔离器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。1、隔离液2、凝胶体隔离塞(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。(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。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：

(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。3、固体隔离(1)机械隔离器常用的机械隔离器有橡胶隔离球(器)和皮碗形机械隔离器两种。把隔离器置于两种油品的界面处与管内壁紧密接触，且随油品沿管道向前推进，可以避免两种油品之间的直接接触，从而减少混油。实际使用的皮碗形隔离器外径一般比管内径大1％～3％，以便在隔离器与管内壁之间有较好的密封作用，但这就会在隔离器的前后产生压差。在这种压差作用下，后行油品也会往前行油品中泄漏，会增加混油。生产实际中，机械隔离器的运行速度很难与油流的平均速度相一致，这种速度的不同步也会增加混油量。(2)橡胶隔