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Psmin；各泵站的出站压力小于或等于最大允许值Pdmax。
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 ＋PC＝PP＋PS＋PJ＋PZ＋PK（1）式中PH 、PK——管路起、终点压力；PC——各泵站提供的压力之和；PP——全线的压力损失之和；PS——各泵站的站内压力损失之和；PJ——各泵站节流压力损失之和；PZ——克服线路地形高差的压力损失。
(1)PC 的表达式各泵站提供的压力之和PC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ki台泵运行；aij——表示第i站第j台泵的泵特性系数；bij——表示第i站第j台泵的泵特性系数；ρi——某时刻流经第i站的油品密度；g——重力加速度。
(2)PP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QAB 和管径dAB以及流经该管段油品的粘度νAB 和密度ρAB，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LAB——AB管段的长度；则全线压力损失为（5）(3)PZ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γi——流经第i站的油品重度；Zi——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；γjf 、γjb——第j界面前行油品、后行油品的重度；Zj——第j界面处的高程。
(4)PS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PS为：PS＝0.1×n(7)2、约束条件各站进站压力：Pin ≥Psmin；各站出站压力：Pout≤Pdmax。
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dp1)，或进站压力过高(设进站压力比进站压力设定值高dp2)，且dp1＋dp2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V1，在第i步距结束时的流速为V2，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。
（8）式中C——混油长度，m；l、d——混油界面A距首站的距离及该处的管径，m；Rep——混油段A的前行和后行油品的平均雷诺数。
当104≤Rep ≤105时，α＝1.3；105≤Rep≤5×105时，α＝1.25。
考虑1 ％～99 ％的对称浓度范围，系数Z＝1.645。
二、程序流程成品油顺序输送过程模拟程序流程见图2。
图2 程序流程简图注T—模拟时间；V—模拟时间T内完成的输量；Vp—周期任务输量；dL—计算步距；dT—混油界面通过计算步距dL所用的时间；dV—时间dT内所输的油品量。
三、算例分析以拟建的林源—抚顺成品油管道为例，分析模拟的结果。
管道的概况为：林源至前郭注油站(161 km， φ406×6)；前郭注油站至牧羊站(24 km， φ406×6)；牧羊站至垂扬站(127 km， φ406×7)；垂扬站至铁岭站(221 km， φ457×7)；铁岭站至抚顺站(69 km， φ457×7)。
1、水力坡降线由于管道较长，管道内同时存在多种油品是可能的。
现假定初始时刻管内油品批次分布见图3。
图3 假定初始时刻管内油品批次分布假设图3中油品牌号依次为：0号柴油(FH管段长198 km）、90号汽油(DF 管段长198 km)、0号柴油(AD管段长204 km）。
此时水力坡降线见图4。
水力坡降图以距首站的距离为横坐标，以管道各点的总能头为纵坐标。
图中从下到上共三条线：依次为汽油地形线，柴油地形线，水力坡降线〔4〕。
其中，汽油地形线和柴油地形线是基本不变的。
随着混油段向前推移，不同时刻管内油品批次、批次的长度都有可能不同，所对应的水力坡降线也会有变化。
该软件能模拟水力坡降线的这种变化。
图4 水力坡降图图4中的几点说明：(1)距首站161 km的前郭注油站注油，使下游的流量增大，水力坡降线变陡。
(2)距首站204 km处存在混油界面，故水力坡降线变平缓，因前行油品90号汽油的粘度比后行油品0号柴油的小。
同时总能头突然降低是因为总能头等于管压与位能之和，管压是连续不突变的，而混油界面的左边界0号柴油密度大于右边界90号汽油，所以位能突然降低，导致总能头突然变小。
(3)距末站198 km处存在混油界面，总能头突然增大，水力坡降线变陡，原因同上，只是前行油品变为0号柴油，后行油品变为90号汽油而已。
欲了解混油变化的规律，以跟踪分析汽油顶替柴油的情况为例，研究该混油界面通过整个管道的动态过程。
假设T＝0时刻管内全是柴油，然后用汽油来替换柴油，直到管内全是汽油结束。
2、输送距离与混油长度关系曲线图5是管道距离与混油长度的曲线。
由图5可见，随着输送距离的增长，混油长度也在增加。
在初始阶段混油段长度增加较快。
图5 管道距离与混油长度曲线3、时间与流量关系曲线图6是前郭注油站的进出站流量随时间的关系曲线。
由于注油，出站流量高于进站流量。
在90号汽油顶替0号柴油的过程中，管道流量变化的总趋势是增大的。
但在它们的混油段通过沿线泵站时，管道流量突然变小。
原因是随着汽油顶替柴油，沿程摩阻越来越小，泵的工作点右移，流量增大；而当混油段通过泵站时，后继油品重度小，泵站提供的压力减小，因离心泵是自动平衡系统，使流量下降。
图6 注油站进站和出站流量曲线4、时间与压力关系曲线图7是垂杨站的进出站压力随时间的关系曲线。
首站开始换油时，垂杨站出站压力下降；随着混油段的推移，压力逐渐上升(但在混油段通过泵站时，压力突然降低)；在混油段到达垂杨站之后压力逐渐下降(但在混油段通过泵站时，压力突然增大)。
原因是在混油段到达垂杨站之前，垂杨站下游一直都是0号柴油，垂杨站至下一站间沿程摩阻随着流量的增大而增大，导致垂杨站压力增大；混油段到达垂杨站之后，垂杨站下游逐渐被90号汽油替换，油品粘度和重度的减小使垂杨站至下一站间沿程摩阻减小的幅度超过了因管道流量增大使沿程摩阻增大的幅度，故垂杨站的进出站压力下降。
图7 垂杨站进站和出站压力曲线通过对林源—抚顺、克拉玛依—乌鲁木齐、宁波镇海—杭州康桥等几条已建或拟建管道的模拟分析，软件取得了一些成果。
(1)针对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。
软件能模拟变管径、压力越站、串联泵组合和并联泵组合运行的工况以及定流量连续注放油工况和初步优化调节的功能。
(2)软件能模拟在不同的输油方案下，顺序输送过程中水力特性的变化及各站进出站压力、流量的变化及混油的变化，并能根据用户设定的工况界限进行自动调节。
通过多个不同输油方案的模拟分析，用户可判断出采用何种输油方案最为合理或者某个输油方案是否可行。
(3)软件能模拟单介质、某混油段及循环周期内不同牌号油品的输送过程。
软件不仅能对成品油管道的设计方案进行模拟分析，同时还能对管道的运行管理提供决策依据。
当然，软件不仅能对成品油管道的设计方案进行模拟分析，同时还能对管道的运行管理提供决策依据。
当然，软件在某些方面还有待进一步完善。
首先，软件中的注放油是以定流量连续注放油方式进行的，而现场有可能以定压力或定流量间歇注放油方式运行，所以软件在处理注放油的功能上需要加强。
另外，软件还将增加处理减压站的功能。
储祥萍于达等：成品油顺序输送过程模拟，油气储运，1999，18(4) 6～10。
作者单位：石油大学(北京)参考文献1，蒲家宁：管道水击分析与控制，机械工业出版社(北京)，1990。
2，严大凡(主编)：输油管道设计与管理，石油工业出版社(北京)，1986。
3，(苏)M．B．卢里耶等：成品油顺序输送最优化，石油工业出版社(北京)，1989。
4，梁翕章唐智圆(编著)：世界著名管道工程，石油工业出版社(北京)，1994。
（修改稿收到日期：1998-12-04）。
