2. 中国石油大学(北京)油气管道输送安全国家工程实验室
2. National Engineering Laboratory for Pipeline Safety, China University of Petroleum(Beijing)
0 引言
原油储罐在长期储存过程中会产生大量原油污泥并沉积在罐底[1]，为保证外输泵安全高效运行，通常会在外输泵前安装过滤器。由于外输时油泥溶解不充分以及油泥颗粒间的接触而发生颗粒再次聚结[2]，颗粒较大的油泥及机械杂质等进入过滤器后被过滤器拦截，油泥颗粒不断积累会导致过滤器堵塞，使得过滤器原油通过能力不断降低，影响正常外输，给生产运行带来安全隐患。
目前，过滤器的研究手段主要有两种：一种是室内试验研究，比如于旭永[3]、李强强等[4]、K.K.ZEIER等[5]、M.JUANICO等[6]对过滤器压力损失与流量关系的研究；另一种是数值模拟研究，比如王爱伟[7]、潘子衡[8]、王栋蕾等[9]对过滤器流场的研究。上述研究均是针对农田灌溉用过滤器，而原油的物性与水的物性有较大差异，因此有必要对原油外输用过滤器进行研究。本文通过数值模拟方法研究原油外输用过滤器压力损失的影响因素，以期为过滤器的结构优化与安全运行提供参考。
1 模型建立 1.1 工作原理含有污泥颗粒的原油在储罐液位静压的驱动下经过滤器入口进入滤芯，粒径大于滤芯孔隙的污泥颗粒被滤芯拦截，粒径小于滤芯孔隙的污泥颗粒随原油通过滤芯，被拦截的部分油泥沉积在滤芯内侧表面形成滤饼。滤芯两侧压力损失随着滤芯孔隙堵塞程度以及油泥沉积厚度的增加而增大[10]。
1.2 主体结构设计某原油储库外输流量为800~1 500 m3/h，按照最大输量1 500 m3/h进行设计计算，进口压力为0.15 MPa，进出口管径大小一致，经济流速为1.5~3.0 m/s，由此对过滤器结构参数进行计算。
根据进、出口管的经济流速及外输流量确定进、出口管径，计算公式为：
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(1) |
式中：Di为进口管直径，m；Do为出口管直径，m；vi为进口流速，m/s；Q为滤芯过滤能力，m3/h。
根据过滤能力确定滤芯面积，其计算公式为：
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(2) |
式中：A1为滤芯面积，m2；f为滤芯的净面积系数，取0.3；v为过滤速度，取1.5 m/s[12]。
为了能够最大程度延长过滤器的过滤时间，降低过滤器的压力损失，延长滤芯的使用寿命，要求楔形滤芯的净流通面积A2应是进口处流通面积的N倍[11]，计算公式为：
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(3) |
经计算，Di=Do=421~594 mm，A1=0.93 m2，A2=3.90 m2。根据立式高低接管式过滤器规格选取进、出口管径为500 mm。为保证过滤器的过滤能力，过滤面积取两者计算结果较大值3.90 m2，选择滤芯长径比为2:1[11]，则滤芯直径Dw=800 mm，滤芯高度Hw=1 600 mm。
封头结构选择标准型椭圆形封头，椭圆形封头包括半椭圆形球壳和圆柱形壳体。椭圆形封头较其他封头的优势在于焊接时焊缝位置在圆柱形壳体位置，避开与半椭圆球壳连接，避免了边缘应力与焊接热应力叠加的不利情况发生。椭圆形封头受力性能最好，在过滤器制造中应用广泛[13]。
1.3 模型建立及网格划分根据上述计算数据及管道用篮式过滤器设计规范[11]建立三维几何模型，如图 1a所示。进、出口管径为500 mm，壳体直径D=1 000 mm，圆筒高度H=2 300 mm，采用标准椭圆封头。为减小出入口速度分布不均对流场的影响，出入口长度L=1 100 mm，滤芯直径Dw=800 mm，滤芯高度Hw=1 600 mm，排污管管径Dp=80 mm，滤芯锥底角度取30°，采用四面体自上而下的方法划分网格，结果如图 1b所示。
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| 图 1 过滤器模型 Fig.1 Filter structure model |
2 模拟参数设置 2.1 基本假设
为了模拟方便，对过滤器模型进行内部流场求解时，做如下假设[14]。
(1) 过滤器的工作温度为常温，在一次流场分析中原油黏度为常数，忽略温度对进出口压力损失的影响。
(2) 过滤器开关持续时间短，忽略开关时流体的流态剧烈变化。只研究流体稳定工况，认为在一次流场分析中进油流量为定值。
(3) 在清油条件和浊油条件下，过滤器的速度及压力分布差异很小，因此只选择清油条件下的原油流动情况进行流场分析。
2.2 边界条件 2.2.1 入口边界条件过滤器入口压力为0.15 MPa，将入口边界条件设置为压力边界。
2.2.2 出口边界条件将出口边界条件设置为速度边界，速度值为入口速度值的负数，表示从边界流出。湍流参数与入口条件设置相同，采用湍流强度和水力直径，湍流参数设置如表 1所示。
| 入口流量/ (m3·h-1) | 入口速度/ (m·s-1) | 雷诺数 | 湍流强度 | 水力直径/m |
| 1 100 | 1.56 | 8 718.07 | 0.051 472 | 0.5 |
| 1 300 | 1.84 | 10 303.17 | 0.050 408 | 0.5 |
| 1 500 | 2.12 | 11 888.27 | 0.049 514 | 0.5 |
| 1 700 | 2.41 | 13 473.38 | 0.048 746 | 0.5 |
| 1 900 | 2.69 | 15 058.48 | 0.048 073 | 0.5 |
2.2.3 多孔介质跳跃边界
由于滤芯孔隙较小，如果按照楔形滤芯的实际结构进行建模，就会造成网格质量降低，滤芯处数据量过于庞大，导致计算成本大幅度增加，所以将滤芯简化为不具厚度的面，在进行数值模拟时设置滤芯的边界条件为多孔介质跳跃边界，该边界模型具有更好的鲁棒性和收敛性。不同滤芯孔径对应的多孔介质跳跃模型参数[15]如表 2所示。
| 滤芯目数/目 | 滤芯厚度/mm | 孔隙比 | 黏性阻力系数/m-2 | 渗透率/ m2 | 惯性阻力系数/m-1 |
| 5 | 3 | 0.66 | 3.97×106 | 2.52×10-7 | 1 061 |
| 10 | 3 | 0.50 | 7.50×107 | 1.33×10-8 | 7 000 |
| 20 | 3 | 0.30 | 3.85×109 | 2.59×10-10 | 108 921 |
| 30 | 3 | 0.23 | 2.03×1010 | 4.93×10-11 | 369 168 |
2.3 数值模拟合理性验证
以进口流量1 500 m3/h、滤芯目数20目的运行工况为例进行数值模拟，计算过滤器内流体速度及压力分布。
2.3.1 网格无关性对过滤器模型进行网格划分，分别得到3万、13万、35万和48万等4种密度网格，分析出口管段轴线上的压力及进出口压力损失随网格密度的变化趋势，结果如图 2所示。由图 2b可见，进出口压力损失随网格密度增加的相对增加量分别为2.03%、1.79%和0.28%，即网格数由35万增加至48万，进出口压力损失相对增加0.28%，综合考虑计算精度和计算成本两种因素，选择网格数量为35万的划分方式进行数值模拟。
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| 图 2 网格无关性验证 Fig.2 Grid-independent verification |
2.3.2 计算结果合理性
图 3为过滤器内部速度云图。原油以2.12 m/s均匀速度流入过滤器，进入腔体时，由于过流断面面积突然增加，原油流速会突然降低，腔体中心流速最低为0.03 m/s。由于滤芯的阻力作用，经过滤芯后，原油速度会明显降低，尤其是入口管一侧的速度降低较为明显。其主要原因是入口侧流体的流动速度较小，通过滤芯的能力较弱，出口管一侧因为滤芯的阻碍作用及过流面积的突然减小，导致出水管处流速增大，最大为4.03 m/s。
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| 图 3 过滤器内部速度场云图 Fig.3 Internal velocity field of the filter |
图 4为过滤器内部速度矢量及流线图。原油进入过滤器后遇到过滤器壳体，一部分油品沿着管壁向上流动，在过滤器壳体上部空间形成漩涡；另一部分油品进入滤芯内部沿着滤芯右侧壁面向下流动形成漩涡，漩涡中心处速度最小。
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| 图 4 过滤器内部速度矢量图 Fig.4 Internal velocity vector of the filter |
图 5为出口处速度矢量图。由图 5可见，由于重力作用以及油品突然遇到出口管，油品由原来沿过滤器壳体壁面方向运动迅速转变为沿出口管下侧方向运动，导致在出水管上侧形成漩涡，最终混合后流出出水管边界。
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| 图 5 出口处速度矢量图 Fig.5 The velocity vector at the outlet |
图 6为过滤器内部的压力分布。由图 6可见，原油进口管压力为0.15 MPa，出口管压力为0.04 MPa，进口管压力远大于出口管压力。其主要原因是原油以较高流速经过滤芯，滤芯对原油流动产生阻碍作用，造成0.11 MPa的压降，出口管压力比滤芯外侧压力低。
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| 图 6 过滤器内部压力场分布 Fig.6 Pressure field distribution inside the filter |
3 过滤效果影响因素
过滤器结构以及操作运行条件会对过滤器的速度分布和压力分布产生不同的影响，从而影响过滤器的压力损失。为了保证过滤器安全高效运行，需要对影响过滤器压力损失的因素进行研究，提出最优的过滤器结构形式以及操作运行条件。分别在滤芯内、外取不同直线，观测直线上流速的变化情况。图 7为滤芯内、外取的观测线位置。
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| 图 7 滤芯内、外观测位置 Fig.7 Observation point inside and outside the filter |
3.1 出口位置对内部流场的影响
设距入口管中心距离为500、1 050和1 600 mm三个不同出口位置的出口管，分别为出口1、出口2和出口3，模拟三种情况下过滤器内部速度和压力分布。根据模拟结果研究过滤器出口位置对内部流场的影响规律。
图 8为过滤器入口管侧(R)的滤芯内(N)、外(W)速度变化曲线。由图 8可见，靠近入口管侧滤芯内部流体速度大于滤芯外部流体速度。这是因为滤芯对流体流动具有阻碍作用。对于出口3而言，滤芯内外侧速度差沿过滤器轴线方向向上整体呈先增大再下降的趋势，并且滤芯内侧流体速度始终大于外侧流体速度，说明过滤过程在整个滤芯上均为正向过滤，且在滤芯中部内外速度差最大，即起主要过滤作用的是滤芯中部；对于出口2而言，速度差沿轴线方向相对均匀，但平均过滤速度低于出口3；对于出口1而言，速度差沿轴线方向正负交替，表明在滤芯上同时存在正向过滤与反向过滤，且平均过滤速度低于出口2。因此，出口3的过滤效率更高。
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| 图 8 入口侧滤芯内外速度轴向分布 Fig.8 Axial velocity distribution in and out of the filter at the inlet side |
图 9为过滤器出口管侧(C)的滤芯内外速度变化曲线。
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| 图 9 出口侧滤芯内外速度轴向分布 Fig.9 Axial velocity distribution in and out of the filter at the outlet side |
由图 9可知：出口3滤芯外侧速度最高点在出口管附近，最高速度为3.1 m/s；出口2的速度最高点在出口管上侧位置；出口1的速度最高点在出口管下侧位置，最高速度为3.0 m/s。出口3滤芯内侧的流体速度整体大于出口1和出口2滤芯内侧流体速度，即出口3比出口1和出口2的过滤能力强，同时出口1和出口2比出口3滤芯外侧底部流速小，更容易产生已经穿过滤芯的油泥颗粒沉积在滤芯与壳体底部之间的现象。
3.2 进口流量对内部流场的影响图 10为出口3过滤器入口侧滤芯内外速度沿轴线方向的分布曲线。由图 10可知：在滤芯下端160~320 mm范围内，随滤芯底部距离增加，滤芯内侧的速度呈现增加的趋势，随流量的增加，也呈现增加的趋势，流量最大为1 900 m3/h时，流速最大为0.71 m/s，流量最小为1 100 m3/h时，流速最小为0.38 m/s；距滤芯底部320~1 600 mm范围内，滤芯内侧速度随距滤芯底部距离增加而减小，但随流量的增加而增加，流量最小为1 100 m3/h时，流速最小为0.09 m/s。滤芯外侧的速度较低，并且随着距滤芯底部距离的增加而降低，这主要是因为外侧流体速度较低，重力对流体运动影响更大，导致流体速度在滤芯轴向上降低。
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| 图 10 入口侧滤芯内外速度轴向分布 Fig.10 Axial velocity distribution in and out of the filter at the inlet side |
图 11为出口3过滤器出口侧滤芯内外速度沿轴线方向的分布曲线。由图 11可见：滤芯内侧速度分布均匀，流速随着流量的增加呈现出递增的趋势，流量最大为1 900 m3/h时，最大流速为2.49 m/s；滤芯外侧流速主要分为两个阶段，从滤芯底部320 mm到距底部640 mm的位置，流速随距离和流量的增加而增加，最大流速为3.93 m/s；在距底部640~1 600 mm范围内，流速随距离的增加而减小，但随流量增加而增加。出现这种规律的主要原因是原油进入滤芯内侧后顺着滤芯均匀向下流动，而滤芯外侧最大速度出现在距离滤芯底部640 mm处，为出口管所在位置附近。
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| 图 11 出口侧滤芯内外速度轴向分布 Fig.11 Axial velocity distribution in and out of the filter at the outlet side |
图 12为压力损失随流量的变化曲线。通过数据拟合可以得到以下表达式：
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(4) |
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| 图 12 压力损失随流量的变化曲线 Fig.12 Pressure loss versus flow rate |
式中：Δp为过滤器压力损失，Pa；Q为流量，m3/h。
R2=0.999表示两者之间的数量关系为正相关。指数为1.09，接近1，表示压降曲线的斜率较小，局部水头损失随流量变化很慢，水力性能好，系数越小，过滤器初始水头损失越小，则过滤器结构性能好，设计合理。
3.3 滤芯目数对内部流场的影响图 13为出口3过滤器入口侧滤芯内外速度沿滤芯轴线方向的分布曲线。由图 13可见：滤芯目数为5目时，内外速度差较小且基本恒定，这是因为5目滤芯的油品通过能力较强；滤芯目数为10目时，内外速度差在滤芯底部较大，随轴向距离逐渐减小，说明油泥堆积厚度从下到上逐渐减小；滤芯目数为20目时，内外速度差先增大后减小，油泥主要堆积在中部；滤芯目数为30目时，滤芯外流体流速小于内侧流速，由于滤芯孔隙太小，阻力损失太大，内部流体无法流畅地穿过滤芯。
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| 图 13 入口侧滤芯内外速度轴向分布 Fig.13 Axial velocity distribution in and out of the filter at the inlet side |
图 14为出口3过滤器出口侧滤芯内外速度沿滤芯轴线方向的分布曲线。由图 14可见，不同目数下的速度沿滤芯高度方向上的分布趋势基本一致，滤芯内侧速度分布均匀，滤芯外侧速度在出口管附近最大，并且出口侧的速度随目数的增加基本不发生变化。这主要是因为出口侧滤网内侧原油流动速度较大，速度变化主要取决于来液量的大小，也就是原油进入过滤器的速度大小。
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| 图 14 出口侧滤芯内外速度轴向分布 Fig.14 Axial velocity distribution in and out of the filter at the outlet side |
图 15表示压力损失随滤芯目数的变化曲线。通过数据拟合可以得到以下表达式：
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(5) |
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| 图 15 压力损失随滤芯目数的变化曲线 Fig.15 Pressure loss versus filter mesh |
式中：x为滤芯目数，目。
R2=0.909表示两者之间的数量关系为正相关。指数为2.439 2，大于1，表示目数变化对压力损失的影响较大。这是因为目数增大，可以过滤的油泥颗粒直径更小，滤芯净面积系数更小，相同流量原油通过时阻力增大。
3.4 原油黏度对内部流场的影响图 16为出口3过滤器滤芯内外压力沿滤芯轴线方向的分布曲线。
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| 图 16 滤芯内外压力轴向分布 Fig.16 Axial pressure distribution in and out of the filter |
由图 16可见：随着原油黏度的增加，原油经过滤芯的压降增加；当黏度为33.8 mPa·s时，入口侧滤网内外最大压差为42.9 kPa，出口侧滤网内外最大压差为48.2 kPa；当黏度为46.3 mPa·s时，入口侧滤网内外最大压差为57.7 kPa，出口侧滤网内外最大压差为63.0 kPa；当黏度为81.2 mPa·s时，入口侧滤网内外最大压差为99.2 kPa，出口侧滤网内外最大压差为104.6 kPa；当黏度为136 mPa·s时，入口侧滤网内外最大压差为164.3 kPa，出口侧滤网内外最大压差为169.8 kPa；当黏度为157 mPa·s时，入口侧滤网内外最大压差为189.2 kPa，出口侧滤网内外最大压差为194.8 kPa。这是因为原油黏度越大，流动性越差，经过滤网的阻力损失就越大。出口侧最大压差大于入口侧最大压差的主要原因是出口管处滤网外的流体流动速度大于入口管侧滤网外流体流动速度。
图 17为压力损失随黏度的变化曲线。通过数据拟合可以得到以下表达式：
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(6) |
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| 图 17 压力损失随黏度的变化曲线 Fig.17 Pressure loss versus viscosity |
式中：μ为原油黏度，Pa·s。
R2=0.999 6表示两者之间的数量关系为正相关，指数为0.891 8，小于1，表示黏度增加对压力损失增加的影响越来越小。
4 结论(1) 出口管设置在最低位置时，过滤器处理能力最强，过滤器壳体底部流速最大，可避免污泥颗粒沉积在滤芯外的壳体底部而堵塞过滤器。
(2) 随进口流量的增加，原油通过滤芯的流速增大；随滤芯目数增大，原油通过滤芯的能力下降；随原油黏度的增加，原油通过滤芯的压力损失增大。
(3) 研究结果可为下一步原油库外输用过滤器运行操作及结构改进研究提供参考。
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