第五章 顺 序 输 送

2009-02-17

输油管道设计与管理第五章顺序输送油气管道输送课程第一部分2

5.1顺序输送的特点5.1.1概述

在一条管道内，按照一定批量和次序，连续地输送不同种类油品的输送方法称为顺序输送（或交替输送）。

采用顺序输送的原因顺序输送的发展情况及应用前景

第五章顺序输送3

科洛尼尔成品油管道林登(终点)休斯敦（起点）得克萨斯州路易斯安那州密西西比州亚特兰大佐治亚州南卡罗来纳州卡罗来纳州宾西法尼亚州格林斯巴勒米切尔新泽西州巴吞鲁日管道概况：干线全长：4649km(双线)；管径：762mm~1016mm；泵站：53座；压力：4.0MPa；输量：9300×104t/a交油站：281个;九家石油公司合股投资建设4

图例中石油中石化其他成品油干管约3800km（石油1783，石化267）。

中国第五章顺序输送5

起点：兰州北滩油库油终点：重庆全长：1247km管径：508/457/323mm

泵站：4座设计输量：500×104t/a

设计压力：10MPa兰成渝管道兰州成都重庆第五章顺序输送6

5.1.2顺序输送的特点顺序输送时会产生混油混油的处理与销售批量与最优循环次数首、末站批量油品的储存顺序输送时管道的水力特性不稳定

一年内完成的循环周期数第五章顺序输送顺序输送管道中，一次输送某种油品的量由不同的几种批量油品组成一个循环，完成一个循环所需的时间称为循环周期7

5.1.3顺序输送要解决的问题首要问题是如何减少混油损失确定混油量、混油到终点以后的切割方案，以及处理方案确定油品的输送顺序和合理的循环周期确定首站、末站和中间站必须建设的油罐容积在两种油品交替过程中，对混油的监视，控制和测量确定各个泵站在不同工况下的工作方式。

第五章顺序输送8

5.2混油的机理

两种油品在管内交替时，产生混油的因素主要有两个：一是管道横截面沿径向流速分布不均匀使后行油品呈楔形进入前行的油品中；二是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，在一定程度上使混油段油品沿管子截面趋于均匀分布。

5.2.1层流混油机理

层流时，出现楔形油头，混油量大

第五章顺序输送9

5.2.2紊流混油过程

第五章顺序输送10

归纳如下：(1)在起始接触面(0界面)上KA=KB=0.5;(2)在同一时间内，在混油段内距0界面不同距离的各截面上，混油浓度不同，混油浓度是距离的函数K=f(x);(3)在混油段内，距0界面同一距离的某一截面上，混油浓度随时间而改变，混油浓度是时间的函数K=f(t);(4)综合考虑

KA=f1(t,x)KB=f2(t,x)KA+KB=1orKB=1-KA

(5)注意0界面和起点截面的关系

第五章顺序输送11

第五章

顺序输送汽油煤油柴油12

第五章

顺序输送13

5.3混油浓度的分布规律5.3.1扩散速度

两种油品在管道内交替时，因为对流和扩散的作用，A油从浓度高处向低处扩散，使B油中混入A油；同时，B油也从高浓度区向低浓度区扩散，使A油中混入B油。在两种油品之间形成混油区。在混油区内油品浓度沿长度变化，而管道横截面上浓度基本趋于均匀。对于这种管内一维的扩散过程，可以近似用费克扩散定律描述第五章顺序输送14

5.3.2混油浓度的分布规律公式推导

第五章顺序输送q1q215

引入变量代入方程中解方程得

根据定解条件在的任一时刻，在x=0处，z=0，KB=0.5；在的任一截面上，t→0时，Z→∞，KB=0。

C2=0.5

（3）紊流扩散系数第五章顺序输送16

该积分具有如下性质：

1）当Z>0时，01，KB=0.502）当Z<0,分布是对称的。

（3）有效扩散系数

第五章顺序输送17

5.3管道终点混油的接收与销售5.3.1管道终点的混油浓度管长L，流速为V，则终点距0界面的距离

设0界面从管道起点流到终点所经历的时间间隔为t0，L=Vt0，则：设：则：

t

→t0

取则

第五章顺序输送18

因此有：

当输送条件一定时，某一特定管道终点所流出的油流浓度KA或KB仅是τ（时间）的函数。理论上是对称的。

第五章顺序输送1-Ped=100；2-Ped=1000，3-Ped=1000019

第五章顺序输送实测值不对称，产生很长的一个混油尾痕20

5.3.2管道终点的混油量和混油长度管道终点的混油量与所讨论的混油段的浓度范围有关。混油所占据的管段长度称为混油长度。显然，管道终点的混油量（混油长度）是个条件性的参数。预先确定的混油头、混油尾的切割浓度范围不同，管道终点产生的待处理的混油量也就不同。（1）混油量理论计算公式

混油段头到达管道终点截面的时间为t1，混油段尾通过管道终点的时间为t2，则在管道内形成的混油量Vh为

第五章顺序输送21

混油量与管道容积Vg之比称为相对混油量。

上式为管道终点处任意浓度范围内混油量的计算公式。由式（6－6）可知，Z1、Z2是油品KA、KB的函数。如已知混油的浓度范围，可由式（6－6）计算Z值或由图6－6查得Z1、Z2值，代入上式，即可求得已知浓度范围内的混油量。第五章顺序输送22

第五章顺序输送混油浓度与Z值KA1，%KA2，%ZKA1，%KA2，%Z9911.64590100.9069821.45285150.7339731.33080200.5959641.23875250.4779551.16370300.3719461.09965350.2729371.04460400.1809280.99455450.0899190.94850500.00023

如果是对称浓度，则计算公式可进一步简化，在对称浓度范围内，有Z1=-Z2。以99%~1%为例

另外，由概率积分函数：则：而：所以：因此对于对称浓度，理论混油量计算公式为

第五章顺序输送24

代入不同的有效扩散系数计算公式，可得有关混油量不同的计算公式。

按上式计算所得的混油量Vh与生产中测得的混油量相比，一般偏小。这是由于希兹基洛夫紊流扩散系数计算式对管壁处层流边层造成混油的影响估计不足。因而对公式引入修正系数，于是混油量可按下式计算

第五章顺序输送25

雷诺数越小，层流边层越厚，因流速分布不匀所增加的混油量就越多，值就大。由于层流边层内的液量不多，它主要影响对称浓度范围较宽的混油段的混油量，对较窄浓度范围的混油量影响不大。

如以C代表混油段长度，则

第五章顺序输送26

（2）混油量的经验计算公式

奥斯汀（Austin）和柏尔弗莱（Palfrey）收集并分析了有关顺序输送管道的大量实验和生产数据，给出了混油量的经验计算式。在整理这些数据时做了如下规定：1）混油的粘度按下式计算，并由此粘度计算雷诺数。

2）不考虑输送顺序对混油的影响3）根据对称浓度条件，把前行油品浓度为99％～1％范围内混油长度定义为混油段的长度。

第五章顺序输送27

第五章顺序输送28

在规定的对称浓度范围内，管内径d、管长L和雷数Re是影响混油量的主要因素。对于某一特定的顺序输送管道（即d、L为定值），雷诺数对混油长度的影响大致有两个不同的区域。在每一区域内，Re和无因次量C2/Ld在对数坐标系统中均呈直线关系。把C2/Ld值随雷诺数降低而缓慢增大的区域称为“平滑区”，在该区域内，直线的斜率为-0.2，因而图6-5“平滑区”内C2/Ld与Re的关系可用下式表示第五章顺序输送29

把C2/Ld值随雷诺数的降低而急剧增大的区域称为“陡斜区”、在该区域内直线的斜率为-1.8。无因次量C2/Ld值不仅决定于Re值，还和管径有关，其函数关系可用下式表示

两个区交点处混油长度相等，由两个区的计算公式可得：

把Rej称为临界雷诺数，低于该雷诺数时为“陡斜区”，混油长度随雷诺数的降低而急剧增加；高于该雷诺数时为“平滑区”，混油长度随雷诺数的降低，增长缓慢。第五章顺序输送30

在“平滑区”内，混油的形成主要是由于沿管道长度方向两种油品分子的紊流扩散。而“陡斜区”的雷诺数大致在水力光滑区的范围内，这时由于层流边层的液体流速远低于液流中心部分，管壁附近滞后的液体将使混油量急剧增加。而边层的厚度又取决于管径和雷诺数，即

δ(层流边层厚度)∝dRe-0.875

因而在雷诺数相同的情况下，管径越大、边层越厚、管道的混油量亦越多，这可从图6-5、“陡斜区”内不同管径有不同的C2/Ld和Re的关系曲线看出。第五章顺序输送31

可得到如下结论：

1）对某一直径的管道而言，在紊流区内有两个混油特点不同的区域，即“平滑区”和“陡斜区”。

2）由“平滑区”向“陡斜区”的过渡是急剧发生的，某一已知管道内两种油品交替时，其油品的混合特点可由临界雷诺数来判别，管径不同，其临界雷诺数亦不同。

3）为了减少混油量，管道应在大于临界雷诺数情况下运行。

4）不论在图6-5的那一个区域，混油长度均与管道长度（即界面移动距离）的平方根成正比。第五章顺序输送32

(3)影响混油产生的因素物理化学性质、流动状态、管道长度输送次序首站的初始混油中间泵站对混油量的影响停输对混油量的影响

第五章顺序输送33

5.3.3混油的接收与销售【例6-1】某油库区间管道，L=3km，d=0.207,V=2.07m/s,顺序输送汽油（A）和轻柴油（B），求混油段长度、混油体积，并提出终点混油的处理方案。已知：解：1）计算平均粘度

2）计算平均雷诺数

3）设混油浓度范围为99%-1%，查表（图）得

Z=1.645,

第五章顺序输送34

4）求混油段长度

5）混油量6）混油的处理设油库汽油罐和柴油罐的容积为10000m3，汽油中可以混入柴油的浓度为1%，柴油中可以混入汽油的浓度为0.5%，即：则：可见，混油可进入A油罐，也可进入B油罐。

第五章顺序输送35

【例6-2】其它条件不变，L=1000km，，求混油量，确定切割方案。4）求混油段长度

5）混油量6）混油的处理计算表明

而混油有66m3，因此需要建专门的混油罐。

第五章顺序输送36

关键是要在什么浓度下切割，才能使进入A油罐的B油刚好等于10m3，进入B油罐的A油刚好等于5m3呢？即：第五章顺序输送37

可见，还必须掌握混油浓度KA与混油量的关系，以便根据油罐中允许混入另一种油量，来确定当终点浓度达到多大值时，就必须切割混油段，以进行油罐切换。（1）纯油罐中允许的混油量某纯净油品是否允许混入另一种油品，允许混入的浓度大小，取决于两种油品的性质和油品质量指标的潜力。两种油品混合后的质量指标与混油浓度之间并不遵守相加原则。因此，两种油品交替输送之前，需在化验室进行不同浓度的混油调合，根据有关规定测定混油的性能，从而确定满足质量要求的最大允许混油浓度。第五章顺序输送38

顺序输送管道，对所有可能交替输送的油品，都需要进行这样的性能测定，规定允许混油浓度，以便进行输送次序的安排和混油的切割与处理，不同批次的油品，其质量指标也会变化，因此为确定允许混油浓度而进行的化验、分析工作是大量的经常性的工作。A、B两种油品交替输送，作如下符号规定：分别表示A油油罐的容积和B油油罐的容积，分别表示进入A油中允许进入B油的浓度以及B油中允许进入A油的密度。第五章顺序输送39

（2）管道终点混油段的切割浓度

在管道终点，假设在时间为t1时，从管道流出来的油流开始进入接收A油的储罐，此时管内充满A油，油流的浓度KA=1，KB=0；随着混油到达管道终点，KA逐渐减小，KB逐渐增大。到时间为t时刻，管道终点的油流浓度分别记为KAt及KBt，且KAt＋KBt=1。设管道稳定流量为Q，则在dt时间内由管道进入A油罐的A油量为QKAtdt，B油量为QKBtdt。若到时间t2时，油罐A被装满，流入A油罐的B油量恰好为A油罐中所允许的最大B油量VBA，调合后罐内B油浓度为KBA，管道终点的油流浓度为KAt2及KBt2。KAt2就是分割混油头的切割浓度，此时必需转换油罐，将后来的混油纳入专门接收混油的油罐内。为了在管道终点接收混油，需要求得管道终点混油浓度KAt2和A油中允许的最大B油浓度、以及A油罐容量之间的相互关系，以便根据KAt2来切割混油头和倒换油罐。第五章顺序输送40

混油头根据管道流量和混油浓度分布，t2－t1时间内，进入A油罐的B油量为

流入A油罐的A油量第五章顺序输送41

积分得：用Z替代τ

另外，当时间为t2，接收混油头的A油罐被装满时，由

联解两式得：第五章顺序输送42

式中：

当由化验确定了A油中允许混入的B油浓度KBA后，式中只有一个变量Z2，可由试算法或图解法求得，KBA与和Z之间的图形关系如图6-6所示。

求得Z2后，可由浓度计算公式确定管道终点混油浓度KAt2。第五章顺序输送43

管道终点A油浓度达到KAt2时，流入A油罐内的B油量已达到允许的最大值VB，此时必须转换油罐，使后来的混油进入混油罐。对某一顺序输送管道，可根据KBA、在图上查出Z2，并由Z2查出必须切换油罐的管道终点混油浓度KAt2。

应该说明的是，在推导公式中曾假定，在t2瞬时A油罐中的B油量达到最大允许值VB，同时A油罐刚好被装满。实际上，这两个条件很难同时满足，在A油罐中的B油量达到VB时，A油罐往往未被装满，这时需要往A油罐中补充纯净的A油，在油罐内调制后才能达到A油的质量标准。第五章顺序输送44

混油尾

在t2时刻以后，管道的混油进入混油罐。到时间t3，管道终点流出的混油中，大部分是B油，只掺有一小部分A油，这一剩下的混油尾可以收入B油罐内。故时间t3和相应的管道终点混油浓度KAt3为混油尾的切割浓度。按照混入B油罐的A油量不超过B油罐所允许的最大混油量VA和B油中所允许混入A油的浓度KAB，用上述方法同样可求得切割混油尾时的管道终点浓度KAt3，即第五章顺序输送45

混油段

在在t2到t3这一段时间内的混油进专门的混油罐，其体积为

现把以上所述过程归纳如下：1）切割混油头（进入A油罐）的管路终点浓度KAt2

第五章顺序输送KBA

Z2KAt2

ξA46

2）切割混油尾（进入B油罐）的管路终点浓度KAt3

3）进入混油罐的混油量第五章顺序输送KAB

Z3KAt3

ξB47

例5-3

第五章顺序输送

查图

48

由计算可知，在管道终点，KA由100%～76%的那一部分混油（也称混油头）可以切入A油（汽油）罐，KA由76%～38%的那一段混油切入混油罐，KA为38%～0%的那一部分混油（也称为混油尾）可以切入B油（煤油）罐。在顺序输送管道的实际生产中，由于混油尾较长、为了保证后行油品罐内的油品质量，一般混油尾的切割浓度小于理论计算值KAt3，实际切割浓度的取值与油品的输送顺序、管内流态等因素有关。第五章顺序输送49

（3）混油的接收与销售

顺序输送管道，一般在管道的终点接收混油，并进行处理和销售。理想的情况是把混油段切割为两段，前段进A油罐，后段进B油罐，其好处是可不设置专门的混油罐，减少了混油损失，而且还减少了混油处理等一系列业务，方便了操作。因此，在工艺条件许可的情况下，应尽量把混油段切割为两段。那么在什么条件下可把混油段切割为两段呢？两种油品性质比较相近，允许的混入浓度较高，以及油罐的容积较大。在这些条件下，按是上述方法计算的结果，必然是，此时，Vgh=0。将全部混油切割为两段，收入两种纯净油品的储罐内，不仅使操作简便，减少混油损失，而且管理方便，简化了混油处理过程。另外，制定切割方案时，一般总是往售价较高的油品中切入的混油量多一些，以减少混油的贬值损失。第五章顺序输送50

在这种情况下，混油可以分两段切割。因汽油价格高于煤油，为减少混油的贬值损失，理论上应选切割浓度为KAt2=47％。即在保证汽油质量的前提下，把较多的混油切入汽油罐。即将KA=47%之前的混油切入汽油罐，KA＝47%～0%的混油切入煤油罐。

第五章顺序输送51

当交替中的两种油品性质相差较大，相互间允许的混油浓度比较小时，只有一小部分混油头和混油尾的油品可直接进入纯净的油品储罐内，而中间部分的混油段需进入单独设立的混油罐。例如顺序输送汽油和柴油时，一般把大部分为汽油的混油部分和大部分为柴油的混油部分分别切入两个混油罐，以便把混油不断掺入其它纯净的汽油或柴油罐中进行销售。当油品在管道中间有大量分输时，进入末站的汽油和柴油量较少，本站储罐内可能会积存大量的混油。为满足管道正常运行对储罐容量的要求，可以把混油运输至最近的炼油厂加工处理。同时，应对本站补充同样数量的商品油，以便完成油品供应计划。第五章顺序输送52

在成品油管道的未站也可以设常压分馏装置，把混油分馏成汽油和柴油馏分。试验表明，这种常压馏分的特性已相当接近相应的商品成品油，可以大量（10%～30%）混入商品油而不致破坏油品质量。此种方法可以减少销售和运输混油造成的损失。（4）实际工作中混油的切割

虽然，应用公式和图表可以算出需要切换油罐时的管道终点油流浓度和KAt2和KAt3，但公式和图表均以理论浓度曲线为依据，它与实际的浓度分布有一定的差别。实测的浓度曲线存在很长的混油尾痕，其长度与所输油品性质、输送顺序、流速、站内管汇、干线起伏情况等一系列因素有关，难以准确计算。第五章顺序输送53

上述计算的管道终点切割浓度，只能在管道设计时对管道终点的混油处理提供一个初步的依据。在运行的顺序输送管道上，寻找管道终点切割浓度最可靠的方法是在接近终点的管道上，检测实际的混油浓度的变化曲线，并根据A油罐允许混入的B油量VBA和B油罐中允许混入的A油量VAB，用数值积分法寻找切割点。第五章顺序输送图6-8由实测的混油浓度分布找混油的切割点54

第五章顺序输送55

5.4最优循环次数

在顺序输送的输油管道中，为减少混油损失，总是按油品的物理-化学性质相接近的程度来安排输送次序。如管道输送汽、煤、柴三种油品时，其输送顺序一般按“汽—煤—柴—煤—汽”来安排。一般而言，若管道输送m种油品，按油品性质接近的程度安排输送次序如下所示：第五章顺序输送56

循环、循环周期、循环次数

在一个循环内，形成混油段的数量n:

最优循环次数的确定应从建造、经营油罐区的费用和混油的贬值损失两方面综合考虑。

若输油管道顺序输送m种油品，在一次循环内输送第一种油品的时间为t1、输送第二种油品的时间为2t2、……输送第m种油品的时间为tm，则完成一次循环所需的时间，即循环周期为第五章顺序输送57

在该循环内不输送第一种油品的时间为

在该段时间内，首站必须设置的第一种油品的容量为：

在该段时间内，末站必须设置的第一种油品的容量为：

若输油管道沿线共有s个进油点分别与相邻的炼油厂相连接，在T－t1时间内第1种油不能进输油管，需在进油点设置储罐把炼油厂来油储存起来。各进油点储存第一种油品的储罐总容量应为第五章顺序输送58

若输油管道沿线共有r个分油点，同样各分油点需设置的第一种油品的储罐总容量应为

因此，为协调产、运、销之间的平衡，全线各站需增设的油罐如下：首站：进油点：

末站：分油点：全线储罐总容量：第五章顺序输送59

循环周期和循环数的关系：

建造、管理油罐区的费用和混油贬损的总损失为Sz（元/年）为

上式对循环次数求导数，求得总损失费用最小的最优循环次数Nop

第五章顺序输送60

求得最优循环次数后，可求全线需设置的储罐总容量以及首站、终点站、进油点和分油点的储罐容量。并决定循环周期和在循环周期内各种油品的输送时间tp，求得循环周期内各种石油产品的输送量。

按以上方法确定的最优循环次数是基于全年对油的均衡需求的条件下得到的。实际上，由于季节不同，或成品油供应计划变化，通常管道的输油量是不均衡的。在这种情况下，全线的油罐容量为定值，每一循环的油品批量和最优的循环次数是根据油品实际的供、求量和沿线油罐容量的可能性来确定的。有时在管道中间分输站和末站可能出现供油量不足的部分需由其它输送方式补充。

第五章顺序输送61

5.5顺序输送管道的水力计算5.5.1顺序输送管道水力计算的特点

顺序输送管道的水力计算，其基本原则和方法与输送单种油品的输油管道相同，但顺序输送管道又有它的特点。（1）计算粘度

按粘度最大的油品在年平均地温下的粘度进行计算，因为整条管路的通过能力将受到粘度最大的油品的“限制”。（2）流态

紊流，保持尽可能大的流速，Re>104

第五章顺序输送62

（3）选泵

1）根据所有油品的年平均输量初选离心泵。

2）作每种油品的管路特性曲线和所有泵站的总特性曲线，以求得每种油品的实际输量。

第五章顺序输送图6-9求每种油品的工作点流量63

a.一个泵站不能满足输量的要求；b.两个泵站不是所有的工作点均在高效区，并