【摘要】：成品油管道運行過程中的混油跟蹤和泄漏處理決策對其經(jīng)濟性和安全性影響很大。合理預測混油濃度分布是站場濃度切割的重要環(huán)節(jié),而現(xiàn)有經(jīng)典模型無法解釋生產(chǎn)現(xiàn)場出現(xiàn)的混油拖尾現(xiàn)象。同時,成品油管道泄漏后果嚴重,不僅有油品損失、影響管道正常運行,還極易發(fā)生二次事故。然而,成品油管道正常輸送及泄漏過程所涉及的復雜物理過程和邊界條件,導致管道正常輸送時的混油量以及泄漏發(fā)生后的泄漏量難以計算。因此,首先,本文介紹了單管順序輸送不同黏度液體的實驗研究,利用搭建的實驗環(huán)道平臺,再現(xiàn)了混油拖尾現(xiàn)象,并對其進行了定量分析。提出了無量綱混油長度、軸向拖尾長度和徑向濃度差異等指標來揭示濃度分布的拖尾特征。其次,基于Fick擴散定律,同時考慮到粗糙管壁對油品的吸附效應,提出了計算物質(zhì)擴散系數(shù)和混油濃度分布的新模型。分析了前后油品物理性質(zhì)差異、湍流效應以及吸附效應對混油濃度分布和拖尾現(xiàn)象的影響。然后,考慮管內(nèi)外的導熱換熱耦合以及管道內(nèi)的油品流動-傳熱-混合的耦合過程,數(shù)值模擬了單相不可壓縮多組分流體的傳熱傳質(zhì)過程。分析了混油段內(nèi)無量綱特征數(shù)的變化規(guī)律,得到了混油段內(nèi)油品的流場和濃度分布。進一步對影響混油量及混油拖尾長度的關(guān)鍵因素進行了敏感性分析。另一方面,研究了泄漏或打孔盜油過程的水力特性并提出了測算泄漏量或盜油量的方法。計算了泄漏點處或打孔處瞬時泄漏流量和累計泄漏體積,并預測了泄漏孔大小。最后,將泄漏后非穩(wěn)態(tài)管內(nèi)流動規(guī)律、小孔處出流規(guī)律以及管外環(huán)境中的滲流擴散規(guī)律相結(jié)合,實現(xiàn)了“管流-泄漏-滲流”耦合計算。分析了泄漏油品在土壤多孔介質(zhì)中的滲流擴散范圍及其影響因素。研究結(jié)果顯示,本文提出的混油濃度分布新模型能夠描述混油拖尾現(xiàn)象,同時能夠更加清晰地反映油品摻混的本質(zhì)。實驗中觀察到,無論是在管道中心還是在管壁附近,濃度分布都顯示出存在拖尾現(xiàn)象�；旌隙挝膊块L度比頭部長7%~22%。無量綱混油長度遠大于無量綱混油拖尾長度。隨著Re的增加,無量綱拖尾長度和混油長度都在減小。上述規(guī)律在現(xiàn)有數(shù)值理論和經(jīng)驗公式中均未被揭示。數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn),成品油順序輸送屬于高Pr數(shù)、高Pe數(shù)流動,Ri數(shù)始終小于1。溫度和重力對混油形成的影響很小。對流對拖尾現(xiàn)象有正面影響,而擴散系數(shù)對拖尾現(xiàn)象有負面影響。在軸向上,對流效應貢獻最大;而在徑向上,擴散效應占主導地位。管道中心的擴散系數(shù)比管壁大。前后行油品物理性質(zhì)的差異是形成混合段界面的重要因素,也是影響軸向擴散系數(shù)的主要因素;湍流效應是影響徑向擴散系數(shù)的主要因素;吸附效果不直接影響擴散系數(shù),但直接影響濃度的徑向分布。上述3種效應共同作用于混合段的擴散系數(shù),進而影響濃度分布及其拖尾現(xiàn)象。管徑、流速、溫度、擴散系數(shù)對混油量及混油拖尾長度二者的影響在趨勢上相同,前者為正相關(guān),后三者為負相關(guān)。另一方面,基于真實成品油管道分別進行了“小孔放油”和“分輸下載”兩種方式的現(xiàn)場泄漏實驗,驗證了本研究所提的泄漏量和打孔盜油量測算模型具有很好的精度和魯棒性。輸量越小、壓力越高、泄漏速率越大、壓力波動程度越大,模型計算結(jié)果精度越高。孔尺寸對精度的影響程度大于泄漏點壓降、流量、溫度。油品泄漏過程的“管流-泄漏-滲流”耦合模型具有更高的計算泄漏量的精度,并可同時給出泄漏油品在土壤中的滲流擴散范圍隨時間的演變規(guī)律。最后,本文的研究成果既可為現(xiàn)場混油預測及切割等工藝提供理論指導又可為管道事故處理提供重要依據(jù)和技術(shù)支持。
【圖文】：

（b）物理實驗系統(tǒng)圖 2.1 實驗裝置和實驗系統(tǒng)的示意圖Fig. 2.1 Diagrammatic sketch of the experimental setup and the physical experimental system實驗管段由 4 段有機玻璃管道組成，由 4 個 L 型氣動三通閥控制，其中 PEV1和 PEV2聯(lián)動控制，PEV3和 PEV4聯(lián)動控制，如圖 2.2 所示。兩組氣動三通閥可以在上位機上設(shè)定準確的啟閉運行時間。通過分別控制兩組氣動三通閥的啟閉前后泵入兩種不同的工作介質(zhì)在實驗控制段形成不同的混油界面。

（b）物理實驗系統(tǒng)圖 2.1 實驗裝置和實驗系統(tǒng)的示意圖ig. 2.1 Diagrammatic sketch of the experimental setup and the physical experimental syst實驗管段由 4 段有機玻璃管道組成，由 4 個 L 型氣動三通閥控制，其中 PE PEV2聯(lián)動控制，，PEV3和 PEV4聯(lián)動控制，如圖 2.2 所示。兩組氣動三通閥可上位機上設(shè)定準確的啟閉運行時間。通過分別控制兩組氣動三通閥的啟閉前入兩種不同的工作介質(zhì)在實驗控制段形成不同的混油界面。
【學位授予單位】：中國石油大學(北京)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TE832

【參考文獻】

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本文編號：2618992