CFD软件在油气储运工程领域的应用.pdf

第 4 4卷第 2期 2 0 1 5年 2月 当 代 化 工 C o n t e mp o r a r y C h e mi c a l I n d u s t r y V O ] ． 4 4． N 0 ． 2 F e b r u a r y，2 0 1 5 CF D软件在油气储运工程领域的应用 宋 博 ，王卫强，孟凡力，张晓博 辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院， 辽宁 抚顺 1 1 3 0 0 1 摘 要 随着 C F D技术的逐渐发展和 C F D软件应用的不断成熟 ， C F D软件在油气储运工程领域的应用越 来越普及。对此有必要对 C F D软件在油气储运领域的应用现状进行归纳总结，主要介绍了 C F D软件的基本原 理，计算流程以及常用的软件举例；分别叙述了C F D软件在管道顺序输送、管道运行安全、油罐等方面上的应 用，并对 C F D软件存在的不足进行简单概括分析，对于今后 C F D软件在油气储运领域更进一步的应用具有重 要意义 。 关键词C F D软件；油气储运；数值模拟 中图分类号 T E 8 2 文献标识码 A 文章编 号 1 6 7 1 0 4 6 0 2 0 1 5 0 2 0 3 1 0 0 3 Ap pl i c a t i o n o f CFD s o f t wa r e i n Oi l Ga s S t o r a g e a nd Tr a ns po r t a t i o n En g i ne e r i ng SONG Bo， WANG 阮 f qi an g， M ENG Fan l i ， Z HANG Xi a o b o C o l l e g e o f P e t r o l e u m a n d Na tur a l Ga s En g i n e e r i n g ， L i a o n i n g S h i h u a Un i v e r s i t y , L i a o n i n g F u s h u n 1 1 3 0 0 1 ， Ch i n a Ab s t r a c t W i t h t h e r a p i d d e v e l o p me n t o f CF D t e c h n o l o g y ，CF D s o f t wa r e b e c o me s mo r e a n d mo r e m a t u r e ，a n d a p p l i c a t i o n o f CF D s o f t wa r e i n t h e o i l g a s s t o r a g e a n d t r a n s p o r t a t i o n e n g i n e e ri n g fie l d i s b e c o mi n g mo r e a n d mo r e p o p u l a r ．I n t h i s p a p e r ,a p p l i c a t i o n s t a t u s o f CF D s o f t wa r e i n t h e fi e l d o f o i lg a s s t o r a g e a n d t r a n s p o r t a t i o n e n g i n e e r i n g wa s i n tr o d u c e d a s we l l a s i t s b a s i c p ri n c i p l e a n d wo r k i n g p r o c e s s ． Be s i d e s ， a p p l i c a t i o n o f CF D s o f t wa r e i n t h r e e a s p e c t s i n c l u d i n g p i p e l i n e tra n s p o rta t i o n ， t h e s a f e o p e r a t i o n o f p i p e l i n e ，a n d t h e o i l t a n k wa s d i s c u s s e d ． An d s ho rtc o mi n gs o f t h e e x i s t i ng CFD s o f t wa r e we r e a na l yz e d． Ke y wo r d s CF D； Oi l g a s s t o r a g e a n d t r a n s p o rta t i o n e n g i n e e rin g ； Nu m e ric a l s i mu l a t i o n 油气储运就是指石油 、天然气及其他油气产品 的储存 与运输 。在石油化工行业 ，它是联接油气生 产、资源加工、产品运输、商品销售等诸环节的重 要纽带。该领域主要包括油气集输与矿场加工 、油 气长距离运输 、转运枢纽站的储存和装卸 、终点分 配油库 或配气站 的营销 、炼油厂和石化厂的油 气储运等⋯ 。近年来随着石油化工行业的迅速崛起 ， 油气储运行业也得到了高速发展。因此仅仅依靠简 单 的理论分析和试验研究已经满足不了 日渐发展的 行业需求 ，所以必须采取更加有力的措施来解决油 气储运领域遇到的各种难题。C F D软件针对这种情 况下为解决遇到的实际问题提供了便利条件，推动 了油气储运行业的发展 。 C F D软件 C o mp u t a t i o n a l F l u i d D y n a m i c s ，中文 是计算流体力学， 它是基于现代 C F D技术开发出来 的数值模拟应用软件，主要用来模拟仿真实际的流 体流动情况。C F D软件是现代流体力学，数值计算 和计算机科学三者良好结合 的产物。计算流体力学 是基于离散化的数值计算方法 ，利用 电子计算机对 流体相对 于不 同固体边界 的内外流场进行 数值实 验 、 计算机模拟和分析研究 ， 以解决各种实际问题 ， 属于流体力学的一个分支口 。流体力学问题是油气 储运工程中遇到的关键问题。因为流体具有复杂的 流动性 ，理论分析无法求出的全部详细的解析解 ， 但计算流体力学 C F D 迅速的兴起以及 C F D软件 的灵活运用 ，很好地克服了理论分析与实验研究的 弱点 ，数值模拟形象地再现 了流动情况 ，为解决油 气储运工程领域中的重点和难点问题提供 了解决方 法 。 C F D软件具有适应性强、适用面广、操作方便 快捷等优点。 所有 C F D软件的总体结构包括； 前处 理、求解器、后处理三部分组成。与之分别对应的 三部分应用程序模块为前处理器 、求解器 以及后处 理器，各部分均有其独特的作用 ，如表 l 所示。 收稿 日期 2 0 1 4 - 0 9 一 l 2 作者简介 宋博 1 9 9 [ ，男，辽宁阜新人 ，辽宁石油化工大学油气储运工程专业在读硕士研究生 ，研究方向油气长距离管输技术。E - m a i l I s h s o n g b o 6 3 ． c o rn ⋯ ⋯ 。 。 。 第4 4卷第 2期 宋 博，等C F D软件在油气储运工程领域的应用 3 1 1 表 1 CF D的程序模块 T a b l e 1 Th e p r o g r a m mo d u l e s o f CFD s o f t wa r e 图 1 所示的是 C F D软件的计算流程。 l 堡皇 堡 塑堡l f } 确立初 始边界条 件l Ⅲ 分计算 网络 、生成计算节 5 l建立离散方程 离散初始条件及边界条件 I 给定定解计算参数 l 固 图 1 C F D软件的计算流程图 Fi g , 1 Th e c a l c u l a t i o n p r o c e s s o f CFD s o f tw a r e 目前世界上广泛应用的 C F D 软件有很多 如 C F X、F l u e n t 、P h o e n i c s ,S t a r - C D、F I D A P等 ，除 了 F l u e n t 、F I D A P是美国公司开发的软件外，其它 三个均为英国公司的产品。油气储运工程领域中较 为常用的C F D软件有 P h o e n i c s 、F l u e n t 、C F X等。 1 C F D软件在油气储运工程领域上的 应用 现状 1 ． 1 CF D软件在管道顺序输送中的应用 在同一种管道内，按一定批量 和次序连续输送 不同种类 的油品，这种输送方式称 为顺序输送 。管 道顺序输送是油 品的主要运输方式 。输油管道在 顺序输送 的过程 中可能会遇到多种情况 ，例如油品 的混输问题 、管路安全停输时间等问题。近年来 ， 越来越多的研究者利用 C F D 软件应用在成 品油顺 序输送上 ，模拟成品油顺序输送 的油品的混油问题 以及确定安全停输时间等实际问题，为以后的管道 优化运行提供方便条件 。 赵海燕 利用 F L U E N T软件 ，经过多次调整 ， 建立顺序输送的混油模型 ，应用 F L U E N T软件 中的 求解器对顺序输送的传质扩散问题进行模拟计算 ， 并分析了不同工况下对顺序输送混油的影响，为更 深人研究油品输送工艺提供了理论依据和指导，也 为 F L U E N T软件在今后管道顺序输送模拟中的开发 和应用做出贡献 。 刘扬 等 以地势较复杂的庆哈 大庆一 哈尔滨 埋地输油管道为例 ，并 以停输最危险管段为研究对 象 ，为确定该管段 的安全停输时间进行分析 。首先 建立该埋地输油管路停输后 的非稳态传热模型 ，利 用 C F D软件模拟原油温降规律 ， 在求解出停输后 的 温度场和流场的基础上对结果进行分析 ，以预测该 管段的合理的停输时间。预测结果为庆哈输油管线 以后的安全生产运行提供理论依据和指导。 1 ． 2 CF D软件在管道运行安全 中的应用 管道输送是石油 ，天然气最经济、最合理的运 输方式 。油气输送管道在经过长时间的服役后会 因 为内外部作用 ，腐蚀 、管材本身和施工质量等因素 发生泄露进而引起火灾和爆炸事故造成重大损失 。 所 以管道的安全运行也尤为重要 。腐蚀 、泄露、爆 炸是管道运行过程 中经常遇到的。为防止此类事故 出现， C F D软件可以根据的相应情况进行仿真模拟， 从而把损失程度降低到最小 。 李一庆 等人借助C F D软件对中西部地区天然 气集输管道的泄漏扩散进行了数值模拟，对比分析 了不同风速 、泄露倾角对泄露扩散的影响以及天然 气泄露扩散过程分布规律和危险区大小 ，为天然气 管道的实际生产运行和紧急救援提供参考。 李亮嘲 等以辽河油田柱气管线为例， 运用 C F D软 件对弯管中的多相流冲刷腐蚀进行数值模拟，并对 不同角度弯管 的多相流参数及腐蚀进行分析。通过 观察弯管云图可以得出随着弯曲程度的增加液相和 颗粒相分布和壁面磨损区域后移且数值慢慢变大。 秦政先 针对天然气管道 ，利用 F L U E N T软件 对管道进行天然气泄露扩散和爆炸数值模拟和后果 分析。 总结 出天然气管道泄露后的扩散和爆炸规律 ， 模拟结果完全符合扩散、着火爆炸理论，验证了选 用的模型 ，方法 的准确性。为今后天然气管道的事 故预防、事故研究、以及应急救援等方面提供了技 术支持 。 1 ． 3 C F D软件在油罐问题中的应用 油罐是重要 的石油储备设施 ，油品在储运作业 中难免会发生油气泄露的情况 ，此 时不但会造成经 济损失 ，污染环境 、人员伤亡 ，严重的还会发生爆 炸、二次污染情况发生，事故造成后果往往是无法 弥补 的。 所以近年来很多研究人员利用 C F D软件研 究油罐的泄露 ，油罐 的爆炸 、罐 内油温温降等多种 情况为以后的油罐的安全设计 、运行管理提供 了理 论借鉴。 郑志伟 叫 等利于 C F D软件模拟了立式油罐罐底 化 工 2 0 1 5 年 2月 渗漏油品的渗流场分布 ， 首先建立符合实际的几何模 型， 经过网格划分及相应的边界条件设定， 利用 C F D 软件中的 F L U E N T研究分析不同渗透量、渗透位置、 油品对渗流场的影响。 为以后油罐罐底的渗漏研究及 油品污染危害后果评价提供了一定的帮助。 赵祥迪” 等人借助 C F D软件针对埋地油罐的油 气爆炸危险性进行了事故模拟研究。以某加油站埋 地管道为例，按照实际油罐情况建模 ，运用一种基 于 C F D技术开发的 F L A C S软件对不同油气爆炸浓 度下的埋地油罐 以及油气爆炸后的破坏情况进行分 析研究。埋地油罐中油气爆炸发生、发展规律及爆 炸压力的影响对油罐安全防护、为国内提供相对缺 乏的数据资料具有重要意义 。 郭晓峰 利用 F L U E N T软件对储罐的温降过程 进行 了数值模拟。首先分析 了锦州石化公 司商业储 罐区的实际数据 ，以原油储罐为研究对象 ，建立相 应的数学模型，得出模拟结果 ，观察不同高度下油 罐温降温度的分布云图， 同时与实际数据进行 比较 ， 得出环境温差可 以导致原油密度发生变化进而造成 对流换热加快散热速度。分析结果为以后的储罐设 计提供 了数据支持。 2 C F D软件的不足 虽然 C F D软件在很多领域的应用广泛， 但相对 而言 C F D软件还是一个 比较年轻的软件 ， 在油气储 运工程领域的理论技术上 、前处理阶段上 、结果验 证等方面还存在很多不足之处。 流体力学问题是油气储运方面的难点问题 ，流 体力学的数学提法是基于非常复杂的多维非线性的 偏微分方程组 ，例如 N S方程。N S方程是现代流 体力学的主干方程 ，几乎所有涉及到粘性流体流动 问题的分析研究工作都是 以该方程为基础的，但它 的求解过程非常困难和复杂 。只有在某些特别简 单 的运动情况 中才能求得解析解 。非线性的偏微分 方程组数值解法的理论基础薄弱 ，这就使得 目前为 止 N S 方程本身还是一个没有解 的难题 ， 所以 C F D 软件在理论上就存在先天不足。 目前使用商用 C F D软件模拟复杂流场问题时， 消耗在几何建模和网格生成上的时间常常大于实际 C F D软件计算 的时间。建模速度和网格质量对 C F D 软件的计算效率和精度有着重要影响。所以计算精 确 、高效省时的前处理器是对整个过程尤为重要 。 C F D软件只提供相对简单的几何建模功能 ，但对于 复杂的流体运动模型就需要借助专用的 C A D 软件 如 P r o ／ E N G I N E E R 来完成几何建模过程。网格 生成是一个 “ 漫长而枯燥”的工作过程 。完成这项 繁杂的工作极为耗时且容易出错。因此 ，完善 C F D 的几何建模功能、简化网格生成量、减少网格生成 的工作量 、提高网格对复杂的流体模型 自适应能力 以及几何建模功能的灵活性等对于 C F D 软件在油 气储运领域今后 的应用具有重要意义。 C F D软件的模拟结果一般采用与实验数据进行 对 比来验证 C F D软件的可信度问题。 但 目前还存在 很多问题在实验结果上 ，比如 ，某些实验结果本身 就不是十分精确 ，这与 C F D 模拟 比较就会 出现偏 差。还有就是可用的 ，精确的实验数据并不多 ，尤 其是在复杂的流动情况下 的实验结果更是寥寥无 几。所以这是影响 C F D结果可信度的重要原因。 3 结束语 随着石油化工行业的蓬勃发展 ，C F D软件在油 气储运领域上还有很大的发展前景。 基于 C F D软件 的数值模拟同试验研究相 比，有其独特的优势 运 行成本低 、计算高效省时，运算结果精确 、气候条 件干扰性小 、实验数据 的全面性等方面。虽然 C F D 软件具有很多的优点 ，但是还不能完全代替试验研 究 ，所以在 以后的实际应用中还需根据相应 的实际 情况将 已有 的理论分析 、试验研究 、和仿真模拟三 者有效地结合起来进行考虑。 参考文献 [ 1 ] 严大宽． 油气储运工程[ MI． 北京 中国石化 出版社 ，1 9 9 6 1 5 [ 2]王福 军． C F D 软件原 理 与应用 【 M】 ． 北京 清华 大学 出版社 ， 2 】0 4 1 8 5 -2 5 3． [ 3] 朱红钧 ，林元华 ，谢龙汉． 流体分析及仿真实用教程[ M ] ． 北京 人 民邮电出版社 ，2 0 1 0 3 7 - 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