袁宗明，王勇*，謝英，王大鵬

原油高溫結(jié)垢速率測(cè)定和預(yù)測(cè)模型研究進(jìn)展

袁宗明1，王勇1*，謝英1，王大鵬2

1.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)，四川成都610500 2.中國(guó)石油塔里木油田公司塔北勘探開發(fā)項(xiàng)目經(jīng)理部，新疆庫(kù)爾勒841000

綜述了原油高溫結(jié)垢的室內(nèi)測(cè)定和預(yù)測(cè)模型的研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)回顧分析了預(yù)測(cè)模型的發(fā)展歷程。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和模型預(yù)測(cè)是研究原油高溫結(jié)垢速率的重要方法。常用室內(nèi)結(jié)垢實(shí)驗(yàn)裝置分為攪拌式和回路式，通過(guò)實(shí)驗(yàn)可快速獲取大量有效數(shù)據(jù)，但是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)往往存在缺陷，無(wú)法直接應(yīng)用指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)換熱器防垢。結(jié)垢預(yù)測(cè)模型需要反映原油高溫結(jié)垢的化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)，體現(xiàn)原油物性、溫度、流速等重要因素以及不同過(guò)程對(duì)結(jié)垢速率的影響。目前結(jié)垢預(yù)測(cè)模型，包括已經(jīng)取得巨大成果的臨界模型，大多屬于半經(jīng)驗(yàn)公式，其精度和適用性始終有限。更精確的模型必須基于對(duì)結(jié)垢機(jī)理的進(jìn)一步研究。由于能夠成功描述非線性系統(tǒng)特征，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型也將是另一種十分有前景的預(yù)測(cè)技術(shù)。

原油結(jié)垢；結(jié)垢速率；實(shí)驗(yàn)；預(yù)測(cè)模型；人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

引言

原油在換熱器內(nèi)結(jié)垢一直是原油加工過(guò)程中需要面對(duì)的重要問(wèn)題之一。尤其是對(duì)常減壓裝置的換熱網(wǎng)絡(luò)（Pre-Heat Train，PHT）而言，換熱表面結(jié)垢產(chǎn)生的沉積層會(huì)使換熱熱阻增大，換熱效率降低，動(dòng)力和熱力負(fù)荷增大，嚴(yán)重時(shí)帶來(lái)安全隱患，影響煉油廠產(chǎn)量［1］。室內(nèi)結(jié)垢實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)預(yù)測(cè)模型是研究原油結(jié)垢的重要方法，尤其是結(jié)垢預(yù)測(cè)模型，是優(yōu)化換熱器設(shè)計(jì)和運(yùn)行工況，防止和緩解換熱器結(jié)垢，制定換熱器清洗周期的必要步驟。由于原油結(jié)垢機(jī)理復(fù)雜，影響因素多，因此預(yù)測(cè)模型多為室內(nèi)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的半經(jīng)驗(yàn)數(shù)學(xué)模型，且尚無(wú)某個(gè)模型能夠完全表征所有原油的結(jié)垢速率。本文概述了常用原油結(jié)垢的實(shí)驗(yàn)方法和重要的結(jié)垢預(yù)測(cè)模型，并對(duì)其缺陷以及未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行了闡述。

1 原油換熱器結(jié)垢速率的表征及測(cè)定

1.1 原油結(jié)垢熱阻及結(jié)垢速率的表征

原油在換熱器中結(jié)垢導(dǎo)致?lián)Q熱器熱阻變大，能耗增加。通常采用一段時(shí)間內(nèi)傳熱熱阻Rf的變化反映換熱器表面結(jié)垢情況［2-3］

原油結(jié)垢速率可通過(guò)0到tt時(shí)間段內(nèi)熱阻增量的平均速率得到

1.2 原油結(jié)垢速率的室內(nèi)檢測(cè)裝置

現(xiàn)場(chǎng)獲取結(jié)垢數(shù)據(jù)的周期較長(zhǎng)，不能滿足基礎(chǔ)研究的迫切需要，研究者大多采取室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的方法獲取原油結(jié)垢的有效數(shù)據(jù)［5］。原油高溫結(jié)垢的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)裝置可分為攪拌式和循環(huán)式（回路式）兩類。

1.2.1 攪拌式結(jié)垢裝置

圖1［5］所示為攪拌式結(jié)垢實(shí)驗(yàn)裝置，由釜體、管式加熱器、加熱測(cè)試探頭、攪拌轉(zhuǎn)子以及冷卻系統(tǒng)等組成。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，釜內(nèi)原油可在加熱器和冷卻盤管的的綜合作用下維持設(shè)定溫度，經(jīng)攪拌以規(guī)定流速流過(guò)測(cè)試探頭表面，在探頭表面沉積結(jié)垢。改變操作條件，可以研究管壁溫度、原油溫度、流速、壓力等因素對(duì)結(jié)垢速率的影響［5-6］。

圖1 攪拌式原油結(jié)垢實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 Batch stirred crude oil fouling apparatus

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中如果保持熱流密度q和原油溫度Tb恒定，結(jié)垢速率可由式（2）變化為

攪拌式結(jié)垢裝置的核心部分是加熱測(cè)試探頭，其外部為結(jié)垢探頭，內(nèi)部為功率可調(diào)的管式加熱器。內(nèi)外兩部分緊密結(jié)合。具體內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示［5］。它既是原油加熱裝置，也是污垢沉積和壁面溫度測(cè)量的場(chǎng)所。測(cè)試探頭壁內(nèi)埋有3個(gè)不同高度的熱電偶，用以監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中管壁溫度隨軸向長(zhǎng)度的變化。

圖2 加熱測(cè)試探頭結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Heated test probe structure diagram

Yang M等［7］用CFD手段分析攪拌式結(jié)垢實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析釜內(nèi)流型，判斷壁面溫度和壁面剪切力分布。結(jié)果表明，除末端外，剪切力沿測(cè)試探頭軸向保持不變；表面溫度呈拋物線分布。

1.2.2 循環(huán)式結(jié)垢裝置

圖3［8-9］為循環(huán)式原油高溫結(jié)垢裝置示意圖。循環(huán)式結(jié)垢實(shí)驗(yàn)裝置是由原料儲(chǔ)罐、環(huán)形結(jié)垢測(cè)試段、離心泵、泄壓閥、流量計(jì)、調(diào)節(jié)閥以及連接管路構(gòu)成的回路系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)較攪拌式復(fù)雜。

圖3 循環(huán)式結(jié)垢實(shí)驗(yàn)裝置Fig.3 Recirculation crude oil fouling test unit

環(huán)形結(jié)垢測(cè)試段是整個(gè)循環(huán)式結(jié)垢系統(tǒng)的關(guān)鍵。測(cè)試段中心為加熱功率可調(diào)的柱體電加熱棒（加熱探頭），內(nèi)置4個(gè)熱電偶，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)加熱和測(cè)溫的功能。常用的加熱探頭參數(shù)為［9］：外徑11.0mm、加熱段長(zhǎng)度102.0mm、環(huán)空外徑25.4mm、最大加熱功率1 920 W最大電壓220 V。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，加熱探頭提供熱量，產(chǎn)生高溫。原油以一定流速流經(jīng)環(huán)形空間，在加熱棒表面結(jié)垢沉積。測(cè)試段出口壓力表檢測(cè)該段壓力，進(jìn)出口熱電偶確定原油主體溫度。循環(huán)式系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)計(jì)算機(jī)完成自動(dòng)控制。結(jié)垢熱阻及結(jié)垢速率可分別通過(guò)式（1）、式（2）求得。

Crittenden B D等［10］用管式循環(huán)結(jié)垢裝置研究原油結(jié)垢。該裝置測(cè)試段為一個(gè)長(zhǎng)560.00 mm、內(nèi)徑14.83 mm、外徑19.05 mm的套管，外部覆蓋電加熱元件，加熱段長(zhǎng)度為270.00 mm。電加熱功率可由電腦控制，原油在內(nèi)壁面結(jié)垢。考慮到鋅的低熱阻特性，利用鋅填充加熱元件與套管外壁之間的空隙，在實(shí)驗(yàn)中傳遞能量。套管內(nèi)壁開有3個(gè)互成120?的凹槽用以安置熱電偶，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)表面溫度。管式循環(huán)結(jié)垢裝置的其他組成、測(cè)量原理與前文循環(huán)式結(jié)垢裝置大致相同。

原油高溫結(jié)垢的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)比見(jiàn)表1，部分研究者結(jié)垢實(shí)驗(yàn)所用裝置與實(shí)驗(yàn)設(shè)備見(jiàn)表2。

表1 原油結(jié)垢裝置對(duì)比Tab.1 Comparison of different crude oil fouling test units

1.2.3 管壁溫度測(cè)試校正

嚴(yán)格意義上講，熱電偶測(cè)量溫度為測(cè)試管壁內(nèi)部溫度Tw，并非管壁與流體（或污垢）接觸處溫度Ts。因此，需要對(duì)測(cè)量溫度進(jìn)行校正［9］

改變加熱功率，保證Tmc?Tb為定值，測(cè)定不同流速下非結(jié)垢流體（一般為水或丙酮）的熱阻1/hc。選取不同指數(shù)n做1/hc～1/Ubn曲線，從而可以得到與測(cè)量值最為接近的指數(shù)n。曲線的斜率為C，截距即Rm。

1.2.4 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的限制

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)研究原油結(jié)垢性質(zhì)有重要作用。但是，針對(duì)某個(gè)特定條件下的結(jié)垢實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相互獨(dú)立，無(wú)法推廣應(yīng)用。同時(shí)，如果直接將實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)或僅通過(guò)簡(jiǎn)單類推后的數(shù)據(jù)應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中指導(dǎo)原油換熱器優(yōu)化仍存在問(wèn)題。原因?yàn)椋?-3］：（1）現(xiàn)場(chǎng)流體組成不固定，隨生產(chǎn)情況變化；（2）室內(nèi)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，原油重復(fù)、循環(huán)使用，會(huì)對(duì)結(jié)垢數(shù)據(jù)造成影響；（3）現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)中結(jié)垢本質(zhì)有差異；（4）室內(nèi)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)換熱器的流體動(dòng)力學(xué)有差異；（5）實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)存在壓力效應(yīng)的影響，尤其是在特定場(chǎng)合中會(huì)出現(xiàn)兩相流的情況；（6）室內(nèi)實(shí)驗(yàn)通常是在精心控制的條件下進(jìn)行的，而現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)受制于生產(chǎn)中的很多因素。因此，需要在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，建立能夠涵蓋不同原油、不同工況下的數(shù)學(xué)模型（原油結(jié)垢的預(yù)測(cè)模型）。

表2 部分研究者結(jié)垢實(shí)驗(yàn)Tab.2 Crude oil fouling experiments by some researchers

2 原油結(jié)垢速率預(yù)測(cè)模型

2.1 能夠表征化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)

原油高溫結(jié)垢是在較高溫度（200～400?C）下，原油中的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)和物理變化，最終在換熱表面形成穩(wěn)定的沉積層，使得換熱器熱阻增大，換熱效率降低。換熱器表面的結(jié)垢類型按照其機(jī)理可劃分為6類［22］，其中，化學(xué)反應(yīng)垢是指流體與熱表面之間由于發(fā)生自氧化、聚合、熱分解等化學(xué)反應(yīng)而造成的固體沉積，是原油結(jié)垢的主要成因。研究者引入反應(yīng)活化能以及Arrhenius公式表征原油結(jié)垢的化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)以及結(jié)垢快慢。

2.2 能夠反映不同過(guò)程對(duì)結(jié)垢速率的影響

原油結(jié)垢是一個(gè)多物質(zhì)、多步驟、相互協(xié)同、相互競(jìng)爭(zhēng)的物理化學(xué)過(guò)程。Watkinson A P和Wilson D I［23］認(rèn)為，烴類有機(jī)物結(jié)垢過(guò)程中存在反應(yīng)物、產(chǎn)物前驅(qū)物（或稱污垢前驅(qū)物），以及污垢物3個(gè)重要物質(zhì)的多步化學(xué)變化；Epstein N［24］指出，結(jié)垢需要經(jīng)歷起始、遷移、沉積、剝蝕和老化5個(gè)階段。原油高溫反應(yīng)加劇、反應(yīng)物或產(chǎn)物向傳熱表面遷移會(huì)增大結(jié)垢速率；產(chǎn)物在傳質(zhì)和流體剪切的作用下從傳熱表面剝離抑制污垢生成。準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)模型需要能夠反映不同作用對(duì)結(jié)垢快慢的影響，因此結(jié)垢速率預(yù)測(cè)模型一般由污垢生成項(xiàng)與抑制項(xiàng)兩部分組成，凈結(jié)垢速率是二者的差值。

2.3 能夠反映主要影響因素的作用

原油結(jié)垢的產(chǎn)生機(jī)理和影響因素極其復(fù)雜，原油組成、密度、黏度、溫度、流速、氧含量、硫含量以及傳熱表面溫度等都會(huì)影響結(jié)垢速率的快慢。其中，原油物性、溫度、流速是最重要的影響因素。預(yù)測(cè)模型需要反映結(jié)垢過(guò)程中主要因素對(duì)結(jié)垢速率的影響。因此，有必要在模型中引入不同的影響因素。通常，以普朗特?cái)?shù)表征原油物性，以原油溫度、傳熱表面溫度、有效膜層溫度表征溫度，以流速、雷諾數(shù)反映流速的影響。個(gè)別模型以氧氣分壓表征氧含量對(duì)結(jié)垢速率的影響［25］。

2.4 具有較高精度

對(duì)于任何預(yù)測(cè)模型而言，最重要的在于精度。驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性的方法可分為兩種，一是對(duì)比結(jié)垢速率的預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值，二是對(duì)比相同結(jié)垢速率下的工況預(yù)測(cè)值和實(shí)際操作條件。在沒(méi)有完全理清原油結(jié)垢機(jī)理的前提下，研究者大都利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立半經(jīng)驗(yàn)的預(yù)測(cè)關(guān)系式。模型的精度雖然逐步提高，但是仍與精確值有較大差距。提高模型精度的方法可分為3種，一是進(jìn)一步研究結(jié)垢機(jī)理，從理論上提出新的表達(dá)式；二是在現(xiàn)有模型的基礎(chǔ)上，引入新變量，或者調(diào)整參數(shù)值；三是利用新方法，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，建立預(yù)測(cè)模型。近幾年的研究表明，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型正成為一種有效的建模途徑。

3 原油結(jié)垢速率預(yù)測(cè)模型發(fā)展歷程

常見(jiàn)的原油結(jié)垢速率預(yù)測(cè)模型見(jiàn)表3，下文簡(jiǎn)單介紹原油結(jié)垢速率預(yù)測(cè)模型發(fā)展過(guò)程中，具有代表意義的模型。

表3 常見(jiàn)原油結(jié)垢速率預(yù)測(cè)模型Tab.3 Prediction models for crude oil fouling rate

3.1 Kern-Seaton模型

Kern D Q和Seaton R E［26］提出，換熱器表面的污垢在形成和沉積的過(guò)程中，會(huì)經(jīng)歷兩個(gè)效果截然相反的過(guò)程：一個(gè)是污垢在換熱表面沉積，致使熱阻增大；另一方面，到達(dá)換熱表面的沉積物或污垢前驅(qū)物因?yàn)榱黧w沖刷作用而離開換熱表面，熱阻減小。換熱表面沉積物的凈增量是上述兩種效果的疊加（式（9））。

恒定質(zhì)量流量下，沉積層厚度隨時(shí)間的變化關(guān)系見(jiàn)式（10）。因此，初始結(jié)垢速率為

Kern-Seaton模型首次提出了影響污垢沉積的兩個(gè)相反的過(guò)程，為后續(xù)研究者進(jìn)一步研究結(jié)垢機(jī)理、建立結(jié)垢預(yù)測(cè)模型奠定了基礎(chǔ)。往后的研究人員大多是在此模型的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展，不同的是根據(jù)不同的流體種類以及觀測(cè)結(jié)果，對(duì)沉積項(xiàng)和剝蝕項(xiàng)賦予了不同的內(nèi)涵。但是該模型一個(gè)明顯的缺點(diǎn)在于，污垢沉積層的剝離速率取決于沉積層厚度。只有當(dāng)壁面的沉積層達(dá)到一定尺寸時(shí)，才能從模型中體現(xiàn)出剝離速率。不論換熱壁面是否已有沉積層，高流速場(chǎng)合中應(yīng)用Kern-Seaton模型，沉積過(guò)程都將被徹底抑制。

3.2 Watkinson改進(jìn)模型

針對(duì)Kern-Seaton模型的缺陷，WatkinsonAP引入污垢前驅(qū)物流量以及附著概率，并對(duì)Kern-Seaton模型進(jìn)行了必要的改進(jìn)［27］。

Watkinson A P將沉積速率大小的控制因素歸納為3類，并總結(jié)出相應(yīng)的結(jié)垢速率表達(dá)式，如表4所示［27］。

表4 Watkinson對(duì)Kern-Seaton模型的改進(jìn)Tab.4 Improvement in Kern-Seaton model by Watkinson

3.3 Epstein模型

Epstein N［29］建立了一個(gè)包含傳質(zhì)、吸附和附著的換熱表面初始結(jié)垢速率的數(shù)學(xué)模型。Epstein N認(rèn)為，附著作用是一系列傳質(zhì)過(guò)程的結(jié)果，與流體在熱表面停留時(shí)間有關(guān)。流體停留時(shí)間越長(zhǎng)，附著結(jié)垢的幾率越高。

初始時(shí)刻的結(jié)垢速率可表示為式（15），式（16）。式（16）中，等式右邊分母的第一項(xiàng)表示污垢物或前驅(qū)物傳質(zhì)到加熱表面，第二項(xiàng)表征物質(zhì)的反應(yīng)和附著過(guò)程，n為反應(yīng)、附著過(guò)程指數(shù)。

n=2.5時(shí)，模型與Crittenden B D的關(guān)于苯乙烯聚合物結(jié)垢的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合度高［10］，而且能夠充分揭示溫度和流速對(duì)結(jié)垢的影響。但是對(duì)于結(jié)構(gòu)和性質(zhì)都更為復(fù)雜的原油，n、Sc值難以確定，因此沉積速率與速度的關(guān)系不明顯。同時(shí)，由于無(wú)法將主要的反應(yīng)前驅(qū)物分離出來(lái)，造成了前驅(qū)物濃度確定不準(zhǔn)確，其在結(jié)垢過(guò)程中的重要作用不清晰［36］。

Yeap B L等對(duì)Epstein N化學(xué)反應(yīng)結(jié)垢的一級(jí)動(dòng)力模型（即上式中n=1.0）進(jìn)行調(diào)整，引入U(xiǎn)0.8表征沉積物在湍流情況下因傳質(zhì)而減少的量。Yeap改進(jìn)模型更直觀地表述了結(jié)垢速率與流速、密度、黏度等的關(guān)系。具體表達(dá)式為見(jiàn)表3中式（20）［32］。

3.4 結(jié)垢臨界預(yù)測(cè)模型

Ebert W和Panchal C B等在分析Exxon原油結(jié)垢的基礎(chǔ)上，于1995年提出了原油結(jié)垢臨界模型［30］（即在一定的條件下，原油結(jié)垢與不結(jié)垢之間存在著閾值），認(rèn)為原油高溫結(jié)垢反應(yīng)發(fā)生在熱邊界層，反應(yīng)溫度為平均膜層溫度，在熱邊界層內(nèi)溫度線性變化。污垢從熱邊界層和換熱表面剝離的機(jī)理不同：污垢由熱邊界層剝離主要源于傳質(zhì)機(jī)理，而從換熱表面脫離則是由于湍流理論［37］。在缺少更為詳盡分析的基礎(chǔ)上，Ebert W和Panchal C B采用熱表面剪切應(yīng)力表征污垢的剝離過(guò)程，從而建立一個(gè)結(jié)垢速率與臨界膜層溫度、臨界流速半經(jīng)驗(yàn)的數(shù)學(xué)預(yù)測(cè)模型（式（17））。

邊界層溫度計(jì)算公式為

傳熱表面的剪切力

此模型表明在低溫和強(qiáng)的剪切力下可以產(chǎn)生一個(gè)結(jié)垢臨界狀態(tài)，使結(jié)垢速率為零，相應(yīng)的溫度和流速就是結(jié)垢臨界的操作條件。

Ebert-Panchal模型與Kern-Seaton模型的區(qū)別在于：（1）Ebert-Panchal臨界模型認(rèn)為結(jié)垢反應(yīng)發(fā)生在熱邊界層上，反應(yīng)溫度為膜層溫度，因此需要確定膜層溫度。Kern-Seaton模型主要關(guān)注熱阻的漸近值的預(yù)測(cè)。（2）Ebert-Panchal臨界模型認(rèn)為污垢的沉積和剝蝕過(guò)程與結(jié)垢膜的厚度無(wú)關(guān)。而在Kern-Seaton模型中，剝蝕率與結(jié)垢膜厚度呈線性關(guān)系。（3）Ebert-Panchal臨界模型認(rèn)為，污垢物質(zhì)基于傳質(zhì)機(jī)理，從熱邊界層上剝蝕；而Kern-Seaton模型認(rèn)為污垢物質(zhì)是在換熱表面上脫落。

3.5 Panchal改進(jìn)模型

Ebert-Panchal模型忽略了原油導(dǎo)熱率、比熱等物理性質(zhì)的影響，Panchal于1997年對(duì)Ebert-Panchal臨界模型進(jìn)行了修正，依然采用熱邊界層溫度，將普朗特?cái)?shù)引入模型表征原油物性對(duì)結(jié)垢速率的影響，并根據(jù)傳熱關(guān)系確定出普朗特?cái)?shù)的冪指數(shù)為-0.33（式（18））［31］。

3.6 Polley改進(jìn)模型

Polley J G等利用Panchal改進(jìn)模型與Knudsen的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)［38］進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，流速對(duì)臨界溫度的影響比實(shí)際情況大。預(yù)測(cè)的臨界結(jié)垢溫度普遍高于測(cè)定值，并且隨著平均流速提高，二者的誤差越來(lái)越大。因此，2002年，Polley J G等對(duì)Panchal預(yù)測(cè)模型進(jìn)行改進(jìn)，在Knudsen實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上提出了一個(gè)新的模型：Polley改進(jìn)模型（式（19））［3］。

Polley改進(jìn)模型以管壁溫度代替膜層溫度，剝蝕項(xiàng)考慮傳質(zhì)理論，用γRe0.8代替管壁剪切力。Polley J G等將建立的模型與Knudsen J G［38］、Scarborough C E［39］、Panchal C B［31］的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了其模型的準(zhǔn)確性。并計(jì)算確定了相關(guān)模型常數(shù)。

3.7 Nasr-Givi模型

2006年，Nasr M R J和Givi M M利用Saleh Z S關(guān)于澳大利亞輕油的結(jié)垢數(shù)據(jù)［15］提出了一個(gè)與普朗特?cái)?shù)無(wú)關(guān)的新的結(jié)垢速率預(yù)測(cè)模型［33］，并用Re0.4表示污垢物的剝蝕率（式（21））。

NASR M R J將此模型與Ebert、Panchal、Polley模型比較，證明其精度有了顯著提高。但是，其缺點(diǎn)在于，與其他模型相比，β取值為-1.547時(shí)沒(méi)有任何實(shí)際的物理含義，因而該模型難以推廣應(yīng)用到其他工況條件。

馬業(yè)超［17］、王一行［18］利用攪拌式結(jié)垢裝置分別對(duì)SZ36-1和輪古原油的高溫結(jié)垢特性進(jìn)行了測(cè)試。利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)臨界結(jié)垢模型進(jìn)行了改進(jìn)，得到了適用于上述油樣的結(jié)垢模型，其中，王一行的模型如表3中式（23）所示。

3.8 原油臨界模型的意義及不足

雖然臨界預(yù)測(cè)模型可以反映主要影響因素對(duì)原油結(jié)垢速率的影響，但是原油結(jié)垢機(jī)理復(fù)雜，影響因素眾多，半經(jīng)驗(yàn)性質(zhì)的臨界模型暫時(shí)還不能完全體現(xiàn)原油結(jié)垢的反應(yīng)機(jī)理。而且不能直接用來(lái)模擬和預(yù)測(cè)換熱器殼程的結(jié)垢情況，因此仍存在不小缺陷。應(yīng)用時(shí)需要根據(jù)不同種類原油確定模型參數(shù)，其普適性和準(zhǔn)確性有所欠缺。預(yù)測(cè)模型的進(jìn)一步發(fā)展必須基于對(duì)原油結(jié)垢機(jī)理的充分研究。但即便如此，臨界模型概念仍然具有重要的意義［40］：

（1）臨界結(jié)垢模型以及臨界值概念的提出，表明換熱器運(yùn)行過(guò)程中存在結(jié)垢速率近似為零的工況，即臨界工況，對(duì)應(yīng)的流速和溫度分別為臨界流速和臨界溫度，從而可得到換熱器安全、高效運(yùn)行工況范圍。同時(shí)，利用臨界值可以提早判定換熱器是否存在結(jié)垢的危險(xiǎn)。對(duì)于存在結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn)的換熱器，可以提早采取緩解結(jié)垢措施。

（2）在以往設(shè)計(jì)換熱器時(shí)，通常是采用相關(guān)文獻(xiàn)中推薦的污垢熱阻漸進(jìn)值，通過(guò)增大換熱器尺寸的方法來(lái)滿足最差換熱條件下的要求。而臨界模型將重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)結(jié)垢速率而非最終的熱阻值，使得設(shè)計(jì)時(shí)上述觀點(diǎn)有所轉(zhuǎn)變。事實(shí)上，鮮有數(shù)據(jù)能夠充分證明因原油結(jié)垢而導(dǎo)致的熱阻漸進(jìn)值的存在。

（3）使用臨界值概念設(shè)計(jì)得到的單體換熱器可在一定程度上避免結(jié)垢。同時(shí)臨界值概念也是對(duì)換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和優(yōu)化的數(shù)學(xué)工具。

（4）通過(guò)引入不同的物理量和模型參數(shù)可以完成對(duì)不同性質(zhì)原油的結(jié)垢速率預(yù)測(cè)，同時(shí)也可以在此模型的基礎(chǔ)上比較其結(jié)垢傾向。

4 ANN模型在結(jié)垢模型預(yù)測(cè)中的應(yīng)用

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Artificial neural network，ANN）模型由于能夠模擬復(fù)雜油品的性質(zhì)以及非線性系統(tǒng)，逐漸受到越來(lái)越多的重視，其最大的優(yōu)點(diǎn)在于脫離了反應(yīng)機(jī)理對(duì)建立模型的束縛。從21世紀(jì)初開始，研究者逐步將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到加熱器、換熱器的結(jié)垢探測(cè)以及速率研究上來(lái)［41-44］。Malayeri M R等［45］探索了在換熱器結(jié)垢研究中應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)后指出，只要主導(dǎo)變量已知，并且數(shù)據(jù)樣本數(shù)足夠，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型將是一種十分有前景的結(jié)垢速率預(yù)測(cè)技術(shù)。

Aminian J等［46］以Panchal C B等人的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，選取內(nèi)徑、流速、表面溫度為輸入變量，結(jié)垢速率為輸出變量，建立了一個(gè)含有兩個(gè)隱藏層的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。該模型以27組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本，17組數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證。結(jié)果表明由人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型得到的結(jié)垢速率預(yù)測(cè)值與Panchal、Polley以及Nasr模型相比精度更高。這種方法同樣被用于預(yù)測(cè)臨界工況，并取得了可喜的效果［47］。Kashani M N等［48］隨后采用優(yōu)化移動(dòng)窗神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，建立了一個(gè)更為復(fù)雜的動(dòng)態(tài)在線結(jié)垢監(jiān)控和預(yù)測(cè)模型。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）原油結(jié)垢速率可用熱阻與時(shí)間的導(dǎo)數(shù)、沉積層厚度對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)以及畢渥數(shù)對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)表示，多用熱阻與時(shí)間的表示。

（2）攪拌式結(jié)垢裝置占地小，設(shè)備較為簡(jiǎn)單，操作和清洗方便；回路式能夠能夠檢測(cè)原油結(jié)垢過(guò)程中的壓降和原油流速，還能模擬原油在換熱器中沿不同幾何路徑流動(dòng)的結(jié)垢過(guò)程。兩種裝置各有利弊，在條件允許的情況下盡量選用回路式結(jié)垢裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

（3）原油結(jié)垢預(yù)測(cè)模型需要能夠反映結(jié)垢過(guò)程的化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)、不同物理化學(xué)過(guò)程以及主要影響因素的作用。傳統(tǒng)的半經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型計(jì)算方便，為換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)、優(yōu)化操作以及清洗提供了一定理論基礎(chǔ)，但不能完全體現(xiàn)原油結(jié)垢的反應(yīng)機(jī)理，其預(yù)測(cè)精度仍然有限。對(duì)結(jié)垢機(jī)理的深度研究必將是完善預(yù)測(cè)模型的必經(jīng)之路。

（4）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型脫離了反應(yīng)機(jī)理對(duì)建立模型的束縛，能夠模擬復(fù)雜油品的性質(zhì)以及非線性系統(tǒng)，可作為建立結(jié)垢模型的另一條途徑。只要方法適當(dāng)，樣本數(shù)據(jù)充足，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型的精度比臨界模型精度高得多，是一種十分有前景的預(yù)測(cè)模型。

符號(hào)說(shuō)明

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編輯：王旭東

編輯部網(wǎng)址：http：//zk.swpuxb.com

Research Advances in Measurement and Prediction Models of Crude Oil Fouling Rate Under High Temperature

YUAN Zongming1，WANG Yong1*，XIE Ying1，WANG Dapeng2
1.State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation，Southwest Petroleum University，Chengdu，Sichuan 610500，China
2.Management Department of North-Terim Exploration and Development Project，Tarim Oilfield Company，CNPC，Korla，Xinjiang 841000，China

A comprehensive review in aspect of laboratory measurement and prediction models is conducted in this paper，and more focus is put on the analysis and development of prediction models.Both experiments and prediction models play significant role in determining crude oil fouling rate under high temperature.As a quick access to vast amounts of valid data，laboratoryexperiments，eitherbatchstirredorrecirculationtestapparatuscannotdirectlyguidefoulingpreventioninproduction. Proper models must reflect the chemical nature of fouling，the significance of influencing factors such as physical properties，temperature，flow rate and other different process.Although the threshold models have gained great achievements in field，which are semi-empirical formula，the precision and applicability of most prediction models at present are limited.More accurate models must be based on further studies on fouling mechanism.Meanwhile，according to its successful application to description of the characters of nonlinear systems，the ANN（artificial neural network）will be a new promising prediction skill.

crude oil fouling；fouling rate；experiments；prediction models；ANN

袁宗明，1949年生，男，漢族，四川簡(jiǎn)陽(yáng)人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事油氣長(zhǎng)輸理論與技術(shù)、油氣礦場(chǎng)集輸理論與技術(shù)、油氣儲(chǔ)運(yùn)安全技術(shù)相關(guān)領(lǐng)域研究。E-mail：zmyuan028@163.com

王勇，1988年生，男，漢族，陜西西安人，博士研究生，主要從事油氣礦場(chǎng)集輸理論與技術(shù)、油氣儲(chǔ)運(yùn)工程工藝及設(shè)施相關(guān)領(lǐng)域研究。E-mail：wyong029@163.com

謝英，1972年生，女，漢族，四川樂(lè)山人，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事油氣集輸工藝?yán)碚撆c技術(shù)、油氣管網(wǎng)數(shù)值模擬以及油氣管道多相流技術(shù)的教學(xué)與科研工作。E-mail：xying429@163.com

王大鵬，1986年生，男，漢族，山東威海人，助理工程師，主要從事油田產(chǎn)能建設(shè)、油氣處理工藝方面工作。E-mail：wdp88299368@163.com

10.11885/j.issn.1674-5086.2013.11.21.04

1674-5086（2016）01-0170-11

TE624.2

A

http：//www.cnki.net/kcms/detail/51.1718.TE.20160107.1625.010.html

袁宗明，王勇，謝英，等．原油高溫結(jié)垢速率測(cè)定和預(yù)測(cè)模型研究進(jìn)展［J］．西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，38（1）：170-180．

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2013-11-21網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-01-07

王勇，E-mail：wyong029@163.com