输油管道积水驱除流动特性研究*

耿光伟,畅元江,刘洪佳,倪玲英

(1.中国石油大学(华东) 机电工程学院,山东 青岛 266580;2.中海油石化工程有限公司,山东 青岛 266010;3.中国石油大学(华东) 石油工程学院,山东 青岛 266580)

0 引言

目前国内大中型机场一般采用机坪管网输送航煤供飞机加油,管道布置均采用地下穿越方式,当管道定向穿越跑道、滑行道等道路时无法设置低点排水,同时航空煤油中含有微量水,在一定的温度和压力条件下,部分水会在输油过程中分离出来聚集在管道低点底部形成积液,造成管道内部腐蚀[1-3]。因此,设计管道时提出取消低点导淋,将管道内部各低点处游离水集中携带至指定低点进行统一处理。考虑到管输油品对积水具有一定的冲刷携带作用,因此采用油流携带积水的方式清除管内积水[4-5]。针对油携水驱除机理开展了大量的研究工作,在实验过程中发现积水以水滴的方式被携带出管道[6-9]。由于受实验条件的限制,对于大管径管道积水驱除及积水分布流动特性研究相对较少[10-14]。为深入研究油-水两相流作用机理,更好地开展管道油携水流动特性分析,本文采用实验与数值模拟相互验证的方法对下倾-水平-上倾管段积水在油相携带作用下流动特性进行研究,研究结果可为实际工程中管道积水驱除操作提供参考。

1 实验概述

1.1 实验系统

为研究管道内部油相携水机理,搭建下倾-水平-上倾管段实验研究系统如图1所示。实验流程主要包括航煤分离系统、储存系统、测试管段、积水注入操作系统,如图1(a)流程图所示。其中实验管道总长约8 m,下倾、水平和上倾管段的长度分別约为0.5,1.5,4.5 m,其余约1.5 m用于保证实验管道两端的法兰连接、连接器连接。向下倾斜角度为4°,向上倾斜角度为13°,如图1(b)所示。实验介质采用航空煤油、自来水,20 ℃时对应的密度分别为794.1,997 kg/m3,黏度分别为2.21,0.895 mPa·s。实验管道系统采用无缝钢管和亚克力管结合串联,为避免对流动干扰及保证密封性,亚克力管之间通过连接器连接,无缝钢管通过平焊法兰连接。整个实验系统放置于可调铝型支架台上,以保证测试管段稳定性、管道倾斜角度可调性及低位水平管段上泄水阀放空操作。

图1 实验系统Fig.1 Experimental system

1.2 实验流程

将储油罐中的航空煤油通过离心油泵打入实验环道,经标定的流量计后进入实验测试管道,测试后的油-水混合液经旋流分离器分离后再回到储油罐。实验前采用注射器将标定的注水量注入水平管段底部,并利用高速摄像机监测记录水平及上倾管道中水相运动状态。

2 数值计算

根据测试实验管段建立几何模型,经过大量数值模拟试算,可以发现下倾管段对模拟结果影响不大。因此,只取水平与上倾管段作为研究对象,如图2(a)所示,同时考虑重力、界面张力以及壁面黏附力[15-16]。管道网格划分时,面网格采用非结构四边形网格,体网格采用Cooper方法混合网格,在管道弯头处进行局部加密。

图2 网格无关性检验Fig.2 Grid independence test

网格数量及质量直接影响计算迭代,为了保证计算精度及降低迭代耗时,对模型进行网格无关性检验,由图2(b)可知,当计算网格数为110 000个时,既能保证计算精度又能极大降低计算耗时。

FLUENT中VOF模型可以直观地表观非稳态多相流界面问题,在本文数值模拟中管道内油-水两相界面的位置动态变化是判定管道积水驱除完成的关键因素。管道积水研究属于瞬态过程,选取具有优势的PISO迭代算法,紊流模型采用标准k-ε模型。采用文献[17-18]提出的几何重构算法来处理界面。在整个计算区域中,油水两相使用同一个动量方程进行计算如式(1)所示:

(1)

边界条件的设置影响着数值模拟计算结果的精确性。模拟中入口边界条件为速度入口,出口边界条件为压力出口,管段内壁面处理采用静止、无滑移壁面边界[19-20]。初始条件下定义管道的入口处只有油相,水平管段为油相-水相共存,管道底部游离积水,上倾管段全部为油相。

3 等效切应力原理

张国忠等研究指出:管流液体的有效剪切应力是宏观表征摩阻特性的参数,管内流动处于层流亦或是紊流光滑区,管壁处的流动特性表现为层流,管壁处切应力应与管壁处的剪切速率表现为正比特性[21]。稳定流动条件下牛顿流体在紊流光滑区的管流有效剪切速率的计算公式如式(2)所示:

(2)

式中:u为油相流速,m/s;r为管道半径,mm;D为管道直径,mm;Re为雷诺数。

假设理想状态下实际工程中与实验管路中介质的性质相同,也就是意味着流体密度以及动力黏度一致。通过式(2)得如式(3)所示:

(3)

由式(3)可知,将管内流动速度介质控制在较低水平下,可以有效的避免由于管径变小而导致流速增大。并且,基于等效切应力原理通过小管径积水驱除运动特性数据反推大管径积水驱除特性。

4 实验与模拟结果比较

4.1 积水形态分布

通过监测管中油相对积水的携带过程,从实验整体考虑发现管道积水的流动状态主要表现为分层流和波浪流。当管径、上倾角和含水量相同,油相流速较小时,积水停留在弯管段,此时积水受到油流的剪切作用较小,油水界面比较平稳,呈现左端薄右端厚的大水滴状态,界面没有波动;油相流速变大,油相携带力增大,当携带力大于积水所受重力与壁面剪切力时,积水处于受迫爬升状态,爬升阶段积水呈现锯齿状波浪。由实验拍摄图像与数值模拟计算结果对比可知,二者积水流态基本特性表观一致,如图3所示。随着管内油相流速的不断增大,油相携带力完全可以满足驱除水平管道、上倾管道、弯头位置的积水重力与壁面剪切力,保证积水完全被携带出管道。

图3 不同油速的积水分布形态Fig.3 Distribution patterns of water accumulation under different oil velocities

当管径、油相流速及上倾角保持不变,含水量不同时,油水界面形态没有明显差异,此时积水大部分处于弯管段,积水状态为分层流和轻微波动的分层流。但随着含水量增加,促使进入上倾管段的积水量增多,导致处于弯管处的积水长度被拉长,积水厚度变大。这是由于管道中只有油相具有动力源,水相通过与油相之间的作用力开始运动,当积水流经弯管段,油流方向发生改变,此时积水在运动过程中所受到的剪切力不断变化,从而产生积水本身长度与厚度的改变,但积水形态沿移动方向变化基本一致。由图4实验与数模管道内积水流态分布可知,模拟结果的变化趋势与实验结果接近。

4.2 完全排出积水的时间

以管径50 mm,上倾角12°为例,对比分析含水量分别为10,25 mL时,在不同油相流量条件下管道积水被油流完全携带驱除所用的时间,如图5所示。实验中,管道积水完全被携带排出所用的时间为积水流经上倾管段的时间,数值模拟所用的时间为积水从静止到完全排出管道的时间。通过对比发现:当油量较小时,实验与数模结果相差较大,这是由于油量较小时,积水需要克服的油相剪切力及自身重力较大,积水移动相对缓慢,排出管道所需时间较长;当油量较大时,伴随积水自身运动惯性的增大,积水移动较快,所用时间较短。同时由于实验与模拟过程中所测量的时间有所不同,因此在数值上存在一定的时间差。总体而言,结合对比实验与数值模拟结果,将管道积水完全携带驱除所用的时间基本接近。

图5 不同油相流量条件下完全排出积水用时Fig.5 Time using to completely discharge water accumulation under different oil phase flow rates

4.3 等效切应力原理的应用

通过以上分析,不论是底部积水形态还是积水完全携带排出所用的时间,数值模拟结果都能很好的与实验结果吻合。基于等效切应力原理,依据实验得出的较小管径的工况数据推出较大管径所需数据,同时采用Fluent软件对大管径的管道进行数值模拟。

选取管径分别为50,600 mm,上倾角13°,含水量60 mL的工况,其中管径600 mm时,其水平管长15.6 m,上倾管长48 m,皆为管径50 mm管道尺寸的12倍,对比2种管径在不同油速条件下完全驱除积水所用的时间。通过等效切应力原理即可得到相同工况下的管径为600 mm的油相流速,如式(4)所示:

(4)

当运行工况相同,管径不同时,管径600 mm的油相速度是管径50 mm时油相速度的1.426 2倍,如表1所示。

表1 不同油速条件下完全排出积水所用的时间Table 1 Time using of drainage water at different oil velocity

对比表1中数据发现,上倾角和含水量不变时,对于不同的油速,管径600 mm时将积水完全排出管道所用的时间基本接近管径50 mm时所用时间的12倍。由此说明数值模拟可以很好的解释分析大管径管道底部积水驱除系统的流动特性。

4.4 大管径管道积水形态分布

基于等效切应力原理,选取管径600 mm,油相流速v=0.863 m/s,上倾角12°的工况,分析大管径的管道积水被油流携带驱除过程的流态分布,如图6所示。通过对比发现:不同时刻对应不同的积水形态,初始阶段积水平铺在水平管段,积水长度在油相剪切力作用下逐渐拉长,呈现中间厚两端薄的状态,此时为分层流;随着时间的延长,积水受到壁面剪切力和油水界面张力作用开始爬坡,积水大部分聚集在上倾管段,但由于自身重力的作用,水平管段依然聚集部分积水,且积水两端出现轻微波动,此时为有轻微波动的分层波浪流;随着积水慢慢向前移动,油相在爬坡过程中会通过摩擦阻力耗散剪切赋予的能量,导致积水厚度变薄。此时油水界面失稳,小水滴被油流打散脱离积水主体,部分小水滴在前进过程中聚集成大水团继续爬坡,此时积水状态为有水滴进入油相的波浪流。

图6 D=600 mm、v=0.863 m/s的积水形态Fig.6 Forms of water accumulation at D=600 mm and v=0.863 m/s

5 结论

1)管道底部的积水形态表观主要受持液率及油相流速影响,其中油相流速占主导因素。油相流速较低时,油水界面为稳定的分层流;油相流速较高时,油水界面表现为紊乱的锯齿波浪流,部分积水积聚在管道上倾段。

2)采用有机玻璃管开展管道油携水特性实验研究,通过对比积水形态与积水完全排出管道用时,发现实验结果与数模结果基本一致,为研究大管径管道特性提供参考价值。

3)基于等效切应力原理对大管径的管道积水形态进行数值求解验证,可以很好地解释管道积水驱除系统的流动特性,对管道积水驱除的实际开展应用具有指导意义,对保障管道安全具有重大意义。