周 剛 趙 健 王倩楠 王 蒙

1.東北石油大學提高采收率教育部重點實驗室,黑龍江 大慶 163318;2.大慶油田有限責任公司化工集團東昊公司表活濟廠,黑龍江 大慶 163453

?

含蠟熱油管道總傳熱系數(shù)新模型的實驗研究

周 剛1趙 健1王倩楠1王 蒙2

1.東北石油大學提高采收率教育部重點實驗室,黑龍江 大慶 163318;2.大慶油田有限責任公司化工集團東昊公司表活濟廠,黑龍江 大慶 163453

傳熱系數(shù);蠟沉積;參數(shù)波動;量綱分析;環(huán)道實驗

0 前言

埋地熱油管道總傳熱系數(shù)反映了熱油管道內(nèi)的油流至周圍介質(zhì)散熱強度的大小[1],是表征熱油管道散熱特性和保溫性能的重要參數(shù)。求解管道的總傳熱系數(shù)的方法有:理論公式[2-4]、蘇霍夫公式反算[5-6]及求解傳熱微分方程[7-8]。各種方法得到的總傳熱系數(shù)模型存在不同的缺陷,理論公式中的多種參數(shù)測試過程復雜,且測試數(shù)據(jù)誤差較大;蘇霍夫公式反算理論上僅可用于穩(wěn)定運行的工況,當運行工況出現(xiàn)波動時準確性較差;傳熱微分方程的求解算法復雜,在預測精度要求較高時,需加密網(wǎng)格,求解時間較長。另外,在實際運行工況中各運行參數(shù)是隨機波動的,導致利用已有的工藝計算方法對總傳熱系數(shù)進行預測時誤差較大,可能導致無法確定有效的調(diào)度決策,甚至發(fā)生凝管事故。因此,有必要尋找一種新的方法,減小參數(shù)波動引起的總傳熱系數(shù)誤差,本文通過設計無量綱實驗,用4種無量綱數(shù)對總傳熱系數(shù)進行有效表征,構(gòu)建基于量綱分析法[9-10]的總傳熱系數(shù)預測的新模型。

1 總傳熱系數(shù)的無量綱模型構(gòu)建

量綱分析法是在物理領域中建立數(shù)學模型的1種有效方法[11-12],結(jié)合相應的實驗結(jié)果,可以確定各參數(shù)之間復雜的耦合函數(shù)關系。由于多個運行參數(shù)和油品物性與管道總傳熱系數(shù)有關,且多個參數(shù)之間的相互作用,函數(shù)關系不明確。因此,可以嘗試用量綱分析法來解決總傳熱系數(shù)K值的求解問題。

埋地熱油管道總傳熱系數(shù)K值與起點溫度、油品密度、流速、動力黏度、管徑、比熱容、埋深處地溫、蠟沉積速率及清管后運行時間有關,在實際管道輸油過程中,出站油溫、輸量和自然地溫的改變,會使埋地熱油管道周圍土壤溫度場發(fā)生相應的改變,導致K值波動;隨著清管后時間的累積,蠟層不斷變厚,使K值變小;同時K值還受油品比熱容、密度、動力黏度等物性參數(shù)波動的影響。運用量綱分析原理,總傳熱系數(shù)與這些因素的函數(shù)關系可以表示為:

f(K,T1,ρ,v,μ,d,l,c,T0,Wt,t)=0

(1)

式中:K為埋地熱油管道總傳熱系數(shù),W/(m2·℃);T1為起點溫度,℃;ρ為油品密度,kg/m3;v為流速,m/s;μ為動力黏度,Pa·s;d為管徑,m;c為比熱容,J/(kg·℃);T0為埋深處地溫,℃;Wt為蠟沉積速率,g/(m2·h);t為清管后運行時間,h。

由于采用起點過余溫度(θ1=T1-T0)比直接采用起點溫度及埋深處地溫作為研究變量更能反映管道沿線溫降問題的本質(zhì)[3],因此式(1)可轉(zhuǎn)化為:

f(K,θ1,ρ,v,c,μ,d,l,Wtt)=0

(2)

式中:θ1為起點過余溫度,θ1=T1-T0,℃;Wtt為蠟沉積厚度,mm。選取原油密度、流速、管徑、比熱容為基本量,則量綱公式為:

[ρ]=[L-3T0M1Θ0]

[v]=[L1T-1M0Θ0]

[d]=[L1T0M0Θ0]

[c]=[L2T-2M0Θ-1]

(3)

式中:L為長度量綱,m;T為時間量綱,s;M為質(zhì)量量綱,kg;Θ為溫度量綱,℃。

它們的量綱指數(shù)行列式為:

(4)

這4個變量可做為基本量,進而可確定5個無量綱量的基本形式為:

(5)

式中:π1、π2、π3、π4及π5為無量綱量。

各無量綱量間的無量綱關系式為:

π1=f(π2,π3,π4,π5)

(6)

對特定管道進行分析時π5=l/d為定值,管道尺寸對K值的影響可以歸納到式(6)的系數(shù)中,則式(6)整理可得:

(7)

2 預測模型函數(shù)關系的確定

2.1 實驗設計

2.1.1 實驗裝置

原油輸送模擬實驗裝置由環(huán)道管路系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，實驗裝置流程見圖1。其中環(huán)道管路系統(tǒng)由油罐、水罐、螺桿泵、離心泵、測試環(huán)道及氮氣吹掃裝置等部分組成,測試環(huán)道管徑類型有：Φ 108 mm×4 mm(400 m)、Φ 159 mm×5 mm(500 m)和Φ 219 mm×7 mm(450 m),設計壓力為2.5 MPa。螺桿泵作為動力源可以將油罐中的原油注入測試環(huán)道的起點,且可有效減小原油的過泵剪切,流量為12.55～125.54 m3/h;離心泵可以將水罐中加熱后的水注入油罐夾層中,控制油罐內(nèi)原油溫度。溫度控制系統(tǒng)設有多臺水浴恒溫箱,換熱介質(zhì)為水/乙二醇,控制測試環(huán)道不同測試段的環(huán)境溫度,溫度為-18～85 ℃。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由現(xiàn)場檢測儀表、數(shù)據(jù)采集卡和上位機監(jiān)控軟件組成。

2.1.2 實驗參數(shù)

實驗選用油品析蠟點較高,蠟的碳原子數(shù)分布在15～35的高含蠟原油,基本物性參數(shù)見表1,原油黏溫關系見圖2。

圖1 原油輸送模擬實驗裝置及流程

表1 原油基本物性參數(shù)

20℃密度/(kg·m-3)析蠟點/℃反常點/℃凝點/℃50℃黏度/(mPa·s)50℃比熱容/(J·kg-1·℃-1)含蠟量/(%)膠質(zhì)或瀝青質(zhì)/(%)8414435289.31222518.258.31

圖2 原油黏溫關系

2.1.3 實驗方法

2.2 實驗結(jié)果與分析

原油輸送實驗過程中流量設為70 m3/h,通過對實驗數(shù)據(jù)的分析處理,獲得無量綱量之間的函數(shù)形式,實驗結(jié)果見表2,函數(shù)關系見圖3。

表2 確定π1與π2之間函數(shù)關系的原油輸送實驗結(jié)果

起點溫度/℃環(huán)境溫度/℃末點溫度/℃總傳熱系數(shù)/(W·m-2·℃-1)起點溫度/℃環(huán)境溫度/℃末點溫度/℃總傳熱系數(shù)/(W·m-2·℃-1)501849.661.25660859.441.285501649.641.25960659.421.286521651.621.26562661.391.289521451.601.26762461.371.290541453.571.27264463.351.290541253.551.27464263.331.293561255.531.27666265.301.293561055.511.28066065.281.294581057.481.28168067.261.29658857.461.28468-267.241.296

圖與的函數(shù)關系

π1與π3之間函數(shù)關系的確定實驗,流量以60 m3/h為π3取值基準,通過改變流量來改變π3取值。實驗結(jié)果見表3,函數(shù)關系見圖4。

設計蠟沉積模擬實驗確定π1與π4的函數(shù)關系,油溫控制在40 ℃,壁溫控制在35 ℃,流量為0.245 m3/h,實驗結(jié)果見圖5。

表3 確定π1與π3之間函數(shù)關系的原油輸送實驗結(jié)果

起點溫度/℃環(huán)境溫度/℃流量/(m3·h-1)末點溫度/℃總傳熱系數(shù)/W·(m-2·℃-1)起點溫度/℃環(huán)境溫度/℃流量/(m3·h-1)末點溫度/℃總傳熱系數(shù)/(W·m-2·℃-1)501860.0049.601.28260876.4959.491.274501661.8549.591.28060677.9459.481.272521663.6451.571.28062679.3761.471.273521465.3851.561.27862480.7861.461.272541467.0853.551.27764482.1663.451.272541268.7453.541.27664283.5263.451.269561270.3655.531.27766284.8565.441.269561071.9455.521.27566086.1765.431.270581073.4857.511.27468087.4667.421.26858875.0057.501.27468-288.7467.411.267

圖 與 的函數(shù)關系

a)蠟層厚度隨運行時間的變化

b)π4隨π1的變化規(guī)律圖與的函數(shù)關系

綜上所述,式(7)中各無量綱量之間的函數(shù)關系可確定為:

(8)

式中:a,b,c、k、α為擬合參數(shù)。

2.3 模型分析

因變量,

(9)

式中:Nu*為怒塞爾數(shù),無量綱;Pr為普朗特數(shù),無量綱。

其中Nu*與傳統(tǒng)的表征對流換熱的Nu略有不同,本文中Nu*表示油流對周圍環(huán)境散熱強度的大小；Re·Pr表示油品流動及流態(tài)變化對總傳熱系數(shù)的影響。

3 模型求解與應用

將新模型應用于現(xiàn)場輸油管道,所選管道管徑Φ 219 mm×5.6 mm,管長39.5 m,埋深1.65 m,保溫層40 mm。對油品物性進行取樣檢測,并對管道輸送過程中的運行參數(shù)及基礎數(shù)據(jù)進行為期2年的跟蹤測量。采用隨機抽樣的方法,分別抽取實際運行工況中的部分實測數(shù)據(jù)作為回歸樣本對模型參數(shù)進行優(yōu)化求解,可得:

(10)

為進一步驗證預測模型的可行性和泛化性,分別運用傳統(tǒng)的蘇霍夫公式反算和文中提出的量綱分析法建立預測模型,隨機選取部分現(xiàn)場新的實際生產(chǎn)數(shù)據(jù),對管道總傳熱系數(shù)進行預測,預測及分析結(jié)果見圖6及表4。

圖6 不同模型的總傳熱系數(shù)預測結(jié)果

表4 預測結(jié)果誤差分析

方法溫降相對誤差/(%)最大最小平均反算法12.530.055.38量綱分析法3.020.012.53

4 結(jié)論

1)本文旨在減小運行參數(shù)波動引起的總傳熱系數(shù)預測誤差,通過分析多種運行參數(shù)與熱油管道總傳熱系數(shù)之間的相關性,用4種無量綱數(shù)對總傳熱系數(shù)物理特性進行表征,建立了基于量綱分析法的總傳熱系數(shù)預測新模型。

2)通過單一變量法設計原油輸送和蠟沉積的量綱實驗,結(jié)合實驗現(xiàn)象的物理意義,根據(jù)實驗結(jié)果進行函數(shù)形式的優(yōu)化篩選,得到各無量綱量之間的具體函數(shù)關系。

[1] 林永剛,于 濤,李增材.長呼原油管道低輸量運行分析研究[J].天然氣與石油,2014,32(4):16-19.

Lin Yonggang,Yu Tao,Li Zengcai.Analysis on Chang-Hu Crude Oil Pipeline Operating in Low Flow[J].Natural Gas and Oil,2014,32(4):16-19.

[2] 楊新明,周曉紅,陳榮旗,等.綏中36-1油田外輸管道總傳熱系數(shù)理論計算分析[J].中國海上油氣,2008,20(2):132-135.

Yang Xinming,Zhou Xiaohong,Chen Rongqi,et al.Theoretical Calculation and Analysis on Total Heat Transfer Coefficient of Export Pipeline in SZ 36-1 Oilfield[J].China Offshore Oil and Gas,2008,20(2),133-135.

[3] 蔣 洪,朱 聰,雷 利,等.土壤導熱系數(shù)法測定魏荊輸油管道總傳熱系數(shù)[J].油氣儲運,2006,25(6):48-51.

Jiang Hong,Zhu Cong Lei Li,et al.Measuring the Overall Heat Transfer Coefficient of Wei-Jing Oil Pipeline by the Method of Soil Thermal Conductivity[J].Oil & Gas Storage and Transportation,2006,25(6):48-51.

[4] Tian Na,Chen Baodong,He Limin,et al.Research on the Overall Heat Transfer Coefficients of Crude Oil Pipeline and Product Pipeline Laid in One Ditch[J].Petroleum Science and Technology,2012,30(3):247-255.

[5] 蔣玉卓,于方涌.花—格管道傳熱系數(shù)分析[J].內(nèi)蒙古石油化工,2012,(8):68-69.

Jiang Yuzhuo,Yu Fangyong.Analysis of Total Heat Transfer Coefficient of H-G Pipeline[J].Inner Mongolia Petrochemical Industry,2012,(8):68-69.

[6] 張足斌,張國忠,王海琴.計算含蠟原油熱輸管道總傳熱系數(shù)的新方法[J].油氣田地面工程,2009,28(7):10-11.

Zhang Zubin,Zhang Guozhong,Wang Haiqin.A New Method of Calculation of Overall Heat Transfer Coefficient in Long Distance Waxy Oil Pipeline[J].Oil-Gasfield Surface Engineering,2009,28(7):10-11.

[7] 孫 民,趙連科,王凌鳳.原油輸送管道總傳熱系數(shù)的確定方法[J].輕工科技,2012,(6):24-25,27.

Sun Min,Zhao Lianke,Wang Lingfeng.The Determination Method of Total Heat Transfer Coefficient of Crude Oil Pipeline[J].Light Industry Science and Technology,2012,(6):24-25,27.

[8] 楊 軍,鐘仕榮,王建華.熱油管道不飽和輸送工況下總傳熱系數(shù)的取值[J].油氣儲運,2006,25(3):55-57.

Yang Jun,Zhong Shirong,Wang Jianhua.Determining the Total Heat Transfer Coefficient for Hot Oil Pipeline Under the Condition of Low Throughput[J].Oil & Gas Storage and Transportation,2006,25(3):55-57.

[9] 謝 萍,馬晨波,林小飛,等.風城稠油摻稀流動性變化規(guī)律研究[J].天然氣與石油,2014,32(6):5-10.

Xie Ping,Ma Chenbo,Lin Xiaofei,et al.Study on Flow Property Change Regularity of Diluted Fengcheng Heavy Crude Oil[J].Natural Gas and Oil,2014,32(6):5-10.

[10] 孫法峰,田旭東,尚 義,等.西部某原油管道冬季安全運行總結(jié)與思考[J].天然氣與石油,2015,33(2):18-22.

Sun Fafeng,Tian Xudong,Shang Yi,et al.Summary and Thinking of Safe Operation of Certain Western Crude Oil Pipeline in Winter[J].Natural Gas and Oil,2015,33(2):18-22.

[11] Laskowski R M.The Application of the Buckingham Π Theorem to Modeling High-Pressure Regenerative Heat Exchangers in Off-Design Operation[J].Journal of Power Technologies,2011,91(4):198-205.

[12] 王新穎,邵 輝,王宏鑫.基于量綱分析的輸液管道泄漏量計算模型研究[J].工業(yè)安全與環(huán)保,2010,36(4):43-44.

Wang Xinying,Shao Hui,Wang Hongxin.Research on the Calculation Model of Pipeline Leakage Rate Based Dimension Analysis[J].Industrial Safety and Environmental Protection,2010,36(4):43-44.

[13] 崔秀國,姜保良,鄭月好,等.埋地熱油管道停輸溫降的大型環(huán)道測試分析[J].油氣儲運,2009,28(7):59-62,87.Cui Xiuguo,Jiang Baoliang,Zheng Yuehao,et al.Large-Scale Flow Loop Experiment and Analysis on Temperature Drop of Buried Hot Oil Pipeline After Shutdown[J].Oil & Gas Storage and Transportation,2009,28(7):59-62,87.

[14] 王 龍.埋地原油管道降溫特性的大型環(huán)道試驗研究[D].青島:中國石油大學,2010.

Wang Long.Experimental Research on Characteristic of Oil’s Temperature Decrease in Buried Pipe by Real Scale Flow Loop[D].Qing Dao:China University of Petroleum,2010.

[15] Li Hongying,Zhang Jinjun,Song Chaofan.The Influence of the Heating Temperature on the Yield Stress and Pour Point of Waxy Crude Oils[J].Journal of Petroleum Science and Engineering,2015,135:476-483.

[16] Zhang Guozhong,Liu Gang.Study on the Wax Deposition of Waxy Crude in Pipelines and Its Application[J].Journal of Petroleum Science and Engineering,2010,70(1-2):1-9.

[17] 陳小榆,蘇 鑫,凌沛文.蠟沉積模擬與環(huán)道實驗的對比分析[J].油氣田地面工程,2015,34(6):13-15.

Chen Xiaoyu,Su Xin,Ling Peiwen.Comparative Analysis of Wax Deposition Between Simulation and Flow Loop Experiment[J].Oil-Gas Field Surface Engineering,2015,34(6):13-15.

[18] 陳 剛,蘇慧君,栗 菁,等.延長管輸原油的組分特征及其析蠟行為[J].石油學報(石油加工),2015,31(1):104-111.

Chen Gang,Su Huijun,Li Jing,et al.Characteristics of Yanchang Pipeline Crude Oil Components and Its Wax Deposition Behavior[J].Acta Petrolei Sinica(Petroleum Processing Section),2015,31(1):104-111.

[19] 張丙辰.西部原油管道滿輸量測試研究[J].天然氣與石油,2015,33(3):1-4.

Zhang Bingchen.Test Study on Western Crude Oil Pipeline with Full Capacity[J].Natural Gas and Oil,2015,33(3):1-4.

[20] 楊 梅.阿賽線蠟沉積規(guī)律及清管方案研究[D].成都:西南石油大學,2013.

Yang Mei.Research of Wax Deposition and Pigging of Ar-Sai Pipeline[D].Cheng Du:Southwest Petroleum University,2013.

[21] 楊顯志.海底輸油管道傳熱實驗研究[D].大慶:大慶石油學院,2007.

Yang Xianzhi.Experiment Study on Heat Transfer of Submarine Oil Pipeline [D].Da Qing:Daqing Petroleum Institute,2007.

[22] 魏立新,周 剛,于 航,等.基于相關向量機算法的埋地熱油管道溫降預測[J].數(shù)學的實踐與認識,2016,46(11):143-148.

Wei Lixing,Zhou Gang,Yu Hang,et al.Prediction for Temperature Drop of Buried Hot-Oil Pipeline Based on the Relevant Vector Machine [J].Mathematics in Practice and Theory,2016,46(11):143-148.

[23] 王 云,馬貴陽,趙 梁,等.管道停輸開挖過程傳熱數(shù)值計算[J].遼寧石油化工大學學報,2015,35(3):23-26.

Wang Yun,Ma Guiyang,Zhao Liang,et al.The Numerical Calculation of Pipeline Heat Transfer During the Periods of Shut Down and Excavation [J].Journal of Liaoning University of Petroleum & Chemical Technology,2015,35(3):23-26.

[24] 齊 龍,曹 放.埋地熱油管道傳熱規(guī)律研究[J].當代化工,2015,44(10):2462-2464.

Qi Long,Cao Fang.Study on Heat Transfer of Buried Hot Oil Pipeline [J].Contemporary Chemical Industry,2015,44(10):2462-2464.

2016-03-10

國家自然科學基金重點資助項目(51534004)；國家科技支撐計劃資助項目(2012 BAH 28 F 00);中國石油科技創(chuàng)新基金資助項目(2014 D-5006-0607)

周 剛(1988-),男，山東濰坊人，碩士研究生，主要從事油氣長距離管輸技術研究。

10.3969/j.issn.1006-5539.2016.04.001