王仲輝 銀建中 韓冬艷 胡大鵬

（大連理工大學(xué)化工機(jī)械學(xué)院）

0 引言

隨著石油資源的日益緊缺，海上油氣田及沙漠邊遠(yuǎn)地區(qū)的油氣田勘探開發(fā)已經(jīng)成為油氣開發(fā)的主要部分。在這些油氣開采中，往往會(huì)涉及到油氣兩相的輸送及其相關(guān)問(wèn)題。在油氣兩相集輸中，若采用油氣分輸技術(shù)，盡管工藝可靠成熟，但會(huì)帶來(lái)設(shè)備繁多、前期投資較高以及運(yùn)營(yíng)費(fèi)用增加等問(wèn)題。因此從經(jīng)濟(jì)性上考慮，合理可靠的兩相混輸技術(shù)通常要優(yōu)于用兩條管線分別輸送原油和天然氣的分輸技術(shù)。另外，在某些開采環(huán)境下，其自然條件也不便于安裝油氣分離和初加工設(shè)備。例如，在深海油氣田開采中，其井口平臺(tái)就不適于進(jìn)行油氣處理，需要將油井采出物輸送到浮式儲(chǔ)油輪 (FPSO)中進(jìn)行分離、脫水處理；在邊遠(yuǎn)地區(qū)的地面油氣田中,考慮到人員安全等問(wèn)題，亦不適于在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行油氣處理，必須采用混輸管路將油田所產(chǎn)的油氣集中輸送至某一平臺(tái)或聯(lián)合站上進(jìn)行加工處理。為了降低在混輸過(guò)程中的管線壓降以及提高油氣分離設(shè)備的效率，通常要對(duì)采出的油氣兩相混合物進(jìn)行加熱處理，提高溫度以降低黏度。該加熱升溫的過(guò)程通常在加熱爐或者管殼式換熱器中進(jìn)行，而這必然要涉及到油氣兩相傳熱計(jì)算的問(wèn)題。

油氣兩相混合物的流動(dòng)和傳熱機(jī)制十分復(fù)雜，其原因[1]有如下幾個(gè)方面：(1)兩相之間存在質(zhì)量和能量的交換；(2)多相管流中流態(tài)的多樣性和難確定性；(3)氣液界面的不穩(wěn)定性； (4)兩相管流中流動(dòng)參數(shù)的難測(cè)性。目前，國(guó)內(nèi)外的科研院所對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了廣泛研究。胡志華[2]等對(duì)垂直上升管內(nèi)的多相流橫掠流動(dòng)與傳熱特性進(jìn)行了研究，并且建立了相應(yīng)的換熱預(yù)測(cè)模型。黃興華[3]等對(duì)氣液兩相混合在換熱器殼側(cè)的傳熱進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)并得出了適用的換熱準(zhǔn)則。Kim[4]等對(duì)垂直上升管和水平管內(nèi)氣液兩相流動(dòng)與對(duì)流傳熱做了大量研究工作，為后續(xù)的研究提供了一定參考。

在解決這種油氣兩相混合流動(dòng)問(wèn)題時(shí)，常作一些使問(wèn)題簡(jiǎn)化的假設(shè)，一般采用以下三種處理方法：(1)將油氣兩相混合物看成一種均勻介質(zhì)，因此可以把油氣兩相流動(dòng)當(dāng)作單相流動(dòng)來(lái)處理；(2)把管線內(nèi)油氣兩相的流動(dòng)看作是油氣各相分別的流動(dòng)進(jìn)行計(jì)算，之后利用合適的混合規(guī)則綜合考慮；(3)建立流型判斷的模型，根據(jù)不同流型的特點(diǎn)，分析其流動(dòng)特性，建立不同的關(guān)系式。本文將對(duì)上述三種常用處理方法所得的油氣兩相傳熱模型進(jìn)行介紹分析，同時(shí)也用Aspen模擬軟件中的相關(guān)處理模塊計(jì)算水平管內(nèi)的油氣兩相傳熱，并結(jié)合實(shí)際工程設(shè)計(jì)對(duì)各計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，探討油氣兩相傳熱計(jì)算的可行模型，總結(jié)其中經(jīng)驗(yàn)以供工程設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)參考應(yīng)用。

1 油氣兩相傳熱計(jì)算模型

對(duì)于水平管內(nèi)油氣兩相混合物的傳熱計(jì)算，各學(xué)者總結(jié)了很多計(jì)算模型。下面就前文中的三種處理方法，介紹由此得出的相應(yīng)的計(jì)算模型：均相傳熱模型、分相傳熱模型以及流型傳熱模型。

1.1 均相傳熱模型

均相傳熱模型[5]是假定油氣兩相混合十分均勻，將兩相混合物看成單相介質(zhì)進(jìn)行傳熱計(jì)算。均相傳熱模型也意味著在水平管內(nèi)油氣兩相的流動(dòng)速度相等，因而管內(nèi)截面含氣率、體積含氣率等亦相等，同時(shí)管內(nèi)油氣兩相介質(zhì)相互間已達(dá)到了熱力平衡，油氣只與管外加熱介質(zhì)發(fā)生熱量傳遞而不進(jìn)行油氣兩相間的傳熱。均相傳熱模型可用油管內(nèi)單相傳熱模型表示，但其中物性參數(shù)需使用油氣兩相混合物的均相物性表示。均相傳熱模型可用下式表示：

式中 αi——傳熱膜系數(shù)，W/(m2·K)；

λog——混合物導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；

Di——換熱盤管內(nèi)徑，m；

Grog——格拉曉夫數(shù)；

Reog——雷諾數(shù)；

Pr——普朗特?cái)?shù)；

下標(biāo)og——混合物平均溫度下的參數(shù)值；

下標(biāo)w——管壁面平均溫度下的參數(shù)值。

式（1）的使用范圍：Reog<2000，GrogProg>500；式（2）的使用范圍： 200010000，Prog<2500。式中油氣混合物的平均物性參數(shù)可以由油氣兩相各自物性值的質(zhì)量加權(quán)法得出。

1.2 分相傳熱模型

分相傳熱模型是將油氣兩相的流動(dòng)看成是兩相各自在管內(nèi)流動(dòng)，即假定油氣兩相在管內(nèi)有各自的流通面積，其流動(dòng)速度可用油氣混合后的折算流速表示。同時(shí)，油氣兩相間可能有質(zhì)量交換，但兩相間介質(zhì)處于熱力平衡狀態(tài)，沒有相間的熱量傳遞。利用上述假定，分別求出油氣兩相在水平管內(nèi)各自的傳熱膜系數(shù)，之后通過(guò)適當(dāng)?shù)募訖?quán)系數(shù)[6]來(lái)表示兩相混合后的傳熱膜系數(shù)。分相傳熱模型如下式所示：

式中 αi——傳熱膜系數(shù)，W/(m2·K)；

x——?dú)庀噘|(zhì)量分率；

W——介質(zhì)質(zhì)量流量，kg/h；

下標(biāo)i——兩相混合物；

下標(biāo)o——油相；

下標(biāo)g——?dú)庀唷?/p>

式 （4）中油氣兩相各自的傳熱膜系數(shù)計(jì)算時(shí)，其中的質(zhì)量流量按兩相混合流量計(jì)算，但其他的物性參數(shù)則采用油氣兩相各自在工況下的物性計(jì)算。

1.3 流型傳熱模型

流型傳熱模型是指首先判斷油氣兩相在水平管內(nèi)的流型，然后根據(jù)確定下來(lái)的流型特點(diǎn)，分析其傳熱的流動(dòng)特性進(jìn)而建立相應(yīng)的傳熱模型。對(duì)于水平管內(nèi)油氣兩相發(fā)生的流動(dòng)傳熱過(guò)程，其管內(nèi)流型可劃分為泡狀流、塊狀流、環(huán)狀流、過(guò)渡流及噴霧流。Chen[7]等人在研究管內(nèi)有沸騰現(xiàn)象的傳熱過(guò)程時(shí)認(rèn)為，兩相傳熱膜系數(shù)可由泡核沸騰膜傳熱系數(shù)與兩相混合流強(qiáng)制對(duì)流膜傳熱系數(shù)之和組成，由于此處油氣兩相管內(nèi)混合物的傳熱過(guò)程沒有沸騰傳熱現(xiàn)象，因此其傳熱過(guò)程只考慮油氣兩相的強(qiáng)制對(duì)流傳熱部分即可。通常可以用傳熱加強(qiáng)模型表示油氣兩相混合物的傳熱膜系數(shù)，即認(rèn)為兩相傳熱膜系數(shù)可以由其中單相的傳熱膜系數(shù)乘以某一適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)系數(shù)來(lái)表示，該加強(qiáng)系數(shù)與兩相物性、流型等因素有關(guān)。對(duì)于水平管內(nèi)流型為泡狀流、塊狀流及環(huán)狀流的傳熱流動(dòng)過(guò)程，Chen[7]等人提出了如下所示的油氣兩相傳熱膜系數(shù)計(jì)算模型：

式中 αi——傳熱膜系數(shù)，W/(m2·K)；

x——?dú)庀噘|(zhì)量分率；

F——加強(qiáng)系數(shù)；

Xtt——Martinelli參數(shù)；

m——Blasius型摩擦因子關(guān)系式中Re數(shù)的指數(shù)，通常取0.2；

μ——黏度，mPa·s；

ρ——密度，kg/m3;

其余各符號(hào)的含義與前述各式相同。

對(duì)于流型為噴霧流的傳熱流動(dòng)過(guò)程，Lavin[8]等人用氟利昂進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，所得的結(jié)果歸納出如下所示的氣液兩相計(jì)算模型：

式中 αi——傳熱膜系數(shù)，W/(m2·K)；

x——?dú)庀噘|(zhì)量分率；

Reg——?dú)庀嗬字Z數(shù)；

Prg——?dú)庀嗥绽侍財(cái)?shù)；

λg——?dú)庀鄬?dǎo)熱系數(shù)；W/(m·K)。

2 Aspen EDR軟件模擬計(jì)算

Aspen EDR(exchanger design and rating)是由Aspen Tech公司推出的一款用于傳熱計(jì)算的工程軟件，可用于各類傳熱設(shè)備的計(jì)算。該軟件中的Shell&Tube Exchanger模塊是專門用于管殼式換熱器傳熱計(jì)算的，其提供了設(shè)計(jì) (design)、校核(rating/checing)、模擬 (simulation)及最大污垢(maximum fouling)四種計(jì)算模式，可進(jìn)行單相流、沸騰或冷凝以及多相流的傳熱計(jì)算。本文利用該模塊對(duì)油氣兩相混合物在水平盤管內(nèi)的傳熱問(wèn)題進(jìn)行模擬計(jì)算，以便于與前述各個(gè)模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

3 實(shí)例計(jì)算與分析

為了進(jìn)一步直觀地對(duì)前述的各個(gè)模型及軟件計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，以某油田地面工程中實(shí)際使用的一臺(tái)加熱爐為例，分別利用前述傳熱模型進(jìn)行計(jì)算。該加熱爐系使用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且在實(shí)際運(yùn)行時(shí)工況良好，能達(dá)到設(shè)計(jì)的工藝要求。加熱爐的加熱盤管采用兩組U型盤管串聯(lián)的形式進(jìn)行加熱，其相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

由表1的設(shè)計(jì)參數(shù)可以得出，加熱爐的傳熱面積為117.304 m2，盤管的總傳熱膜系數(shù)為104.418 W/(m2·K)。根據(jù)盤管內(nèi)外設(shè)計(jì)時(shí)的污垢熱阻等數(shù)據(jù)可得，盤管管內(nèi)傳熱膜系數(shù)為111.349 W/(m2·K)。通過(guò)前文所述的計(jì)算模型及軟件，利用表1中的設(shè)計(jì)參數(shù)，分別對(duì)管內(nèi)傳熱膜系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果及其與實(shí)際設(shè)計(jì)值的相對(duì)誤差如表2所示。

表1 加熱爐盤管參數(shù)及結(jié)構(gòu)尺寸

表2 傳熱計(jì)算結(jié)果

從表2的計(jì)算結(jié)果可以看出，均相傳熱模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際設(shè)計(jì)值偏差最大，可達(dá)26.5%，而流型傳熱模型的計(jì)算結(jié)果最接近實(shí)際設(shè)計(jì)值，偏差只有2.4%。這可能與均相傳熱模型沒有考慮油氣兩相在管內(nèi)的實(shí)際流動(dòng)狀態(tài)及兩相間的相互影響，只是簡(jiǎn)單地取平均值，當(dāng)作單相流體進(jìn)行計(jì)算有關(guān)，其與實(shí)際情況相差較大，故計(jì)算偏差較大。分相傳熱模型與Aspen EDR軟件計(jì)算結(jié)果則介于上述兩者之間，其計(jì)算結(jié)果的誤差分別為6.1%與8.4%，均與實(shí)際設(shè)計(jì)值較吻合。

對(duì)于水平盤管內(nèi)油氣兩相的傳熱效果，其影響因素主要是：管內(nèi)油氣兩相的相互影響以及管內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài)。下面利用上述傳熱計(jì)算模型對(duì)管內(nèi)傳熱情況進(jìn)行計(jì)算分析。對(duì)于影響管內(nèi)流體流動(dòng)的上述因素，可在保持管內(nèi)油氣兩相的流量及油氣質(zhì)量比不變的情況下，通過(guò)調(diào)整水平盤管結(jié)構(gòu)尺寸，在不同管內(nèi)流速下進(jìn)行觀察分析，得到的各計(jì)算結(jié)果如圖1所示。

從圖1可以看出，管內(nèi)油氣兩相傳熱膜系數(shù)隨著流速的增加而增大，這與實(shí)際情況相符，流體流速增加，導(dǎo)致其中的擾動(dòng)加大，使傳熱得到強(qiáng)化，傳熱膜系數(shù)增大。另外，當(dāng)管內(nèi)流速較小時(shí)，各個(gè)模型的計(jì)算結(jié)果很接近，但其中均相傳熱模型的計(jì)算結(jié)果較其他計(jì)算模型的結(jié)果偏大，而當(dāng)流速增加到一定值后，均相傳熱模型計(jì)算結(jié)果又偏小，其原因可能與前文一樣，均相傳熱模型只是簡(jiǎn)單地取平均值計(jì)算，并沒有考慮兩相的實(shí)際流動(dòng)情況，因而與其他模型的結(jié)果存在一定的偏差。

圖1 水平管內(nèi)的傳熱膜系數(shù)與管內(nèi)流速的關(guān)系曲線

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)油氣兩相混合物在水平管內(nèi)的傳熱計(jì)算情況的分析，以及實(shí)際工程設(shè)計(jì)中各計(jì)算模型和軟件的計(jì)算結(jié)果比較分析，可以得出以下結(jié)論。

（1）油氣兩相的傳熱計(jì)算模型中，均相傳熱模型其計(jì)算簡(jiǎn)捷，但計(jì)算結(jié)果的精度需改進(jìn)。流型傳熱模型盡管結(jié)果準(zhǔn)確，但需先對(duì)流型進(jìn)行判斷，計(jì)算過(guò)程不夠簡(jiǎn)便快捷。因此采用何種模型，應(yīng)視具體實(shí)際情況而定。

（2）油氣兩相傳熱受兩相質(zhì)量比與流動(dòng)狀態(tài)的影響。一定質(zhì)量的氣相加入可使管內(nèi)傳熱得以強(qiáng)化，同時(shí)增大管內(nèi)流速也能增加流體擾動(dòng)，使傳熱膜系數(shù)增大。

（3）對(duì)于油氣兩相混合物的傳熱機(jī)制還需深入研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)及數(shù)值分析等方法，得出更能精確反映水平管內(nèi)實(shí)際傳熱情形的計(jì)算模型。

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