劉 鵬，王 力

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加熱爐火管高壓水射流清防垢管路噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)的數(shù)值模擬

劉 鵬，王 力

（東北石油大學(xué)， 黑龍江 大慶 163318）

加熱爐火管；射流清垢；噴嘴結(jié)構(gòu)；數(shù)值模擬

油田加熱爐是油氣集輸過(guò)程必不可少的換熱設(shè)備，在加熱爐加熱的介質(zhì)中含有泥沙、懸浮固體等雜質(zhì)，易沉積、粘附在火管頂面。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的高溫加熱后，雜質(zhì)逐漸在火管頂面形成垢。垢的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)低于鋼鐵，這樣就相當(dāng)于在加熱爐火管外部套了一層絕熱管線，這些污垢緊緊貼在火管表面，使火管表面的傳熱效率大幅度下降。同時(shí)熱量不能及時(shí)傳導(dǎo)給爐內(nèi)介質(zhì)，使得火管頂面局部溫度升高，長(zhǎng)時(shí)間局部過(guò)熱的部位就會(huì)出現(xiàn)鼓包、甚至穿孔，給加熱爐的安全運(yùn)行帶來(lái)了極大的隱患。目前油田主要采用加化學(xué)藥劑的方法降低結(jié)垢速度，但清垢時(shí)需關(guān)停加熱爐，運(yùn)行成本高，同時(shí)清垢效果并不好。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的調(diào)研，可知加熱爐火管清垢需滿足清洗對(duì)火管無(wú)損傷，清洗效率高、質(zhì)量好和成本低的特點(diǎn)，因此采用高壓水力射流技術(shù)管路（如圖1所示）。

圖1 射流管路模型示意圖

圖2 射流管路參數(shù)示意圖

1 建模及邊界條件

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，加熱爐火管在外表面頂部結(jié)垢，而且火管外表面結(jié)垢分布不均勻。由于軟件仿真模擬受制于有限的計(jì)算機(jī)資源和計(jì)算方法，不能使模型的條件完全和現(xiàn)實(shí)中相同，因此以結(jié)果的準(zhǔn)確性為前提，對(duì)模型進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化，取一個(gè)噴嘴作為研究對(duì)象，且由于火管直徑很大，噴嘴很小，所以射流靶面近似看做平面，運(yùn)用Gambit建立三維模型，如圖3所示。

圖3 幾何建模及網(wǎng)格劃分

設(shè)定流量一致，噴嘴入口選擇速度入口，模擬設(shè)置6 mm、8 mm、10 mm三種噴嘴內(nèi)徑的流速為計(jì)算值6= 200 m/s、8= 100 m/s、10= 64 m/s；出口選擇為邊界壓力出口；壁面無(wú)滑移，默認(rèn)即可；液體設(shè)置為水，初始默認(rèn)模型內(nèi)充滿水。壓力速度耦合方式選擇SIMPLE，壓力與動(dòng)量的離散格式和湍動(dòng)能及湍動(dòng)能耗散率默認(rèn)即可。

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

加熱爐火管表面的垢生成原因主要是油井來(lái)的采出液含有一定量的泥沙、鐵銹和鹽垢，進(jìn)入加熱爐后流速突降，夾帶垢質(zhì)的稠油顆粒沉降到火管表面，形成軟垢。在火管表面較高溫度加熱作用下，垢質(zhì)中的稠油稀釋溶解，溶液中新形成的垢質(zhì)顆粒填充其孔隙，在逐漸積累過(guò)程中，垢層含油逐漸減少，變成致密的硬垢。硬垢結(jié)合強(qiáng)度較高，清除困難。因此，應(yīng)在滿足一定清洗壓力條件下，增大清洗覆蓋面積，防止雜質(zhì)在火管表面的沉積，在軟垢轉(zhuǎn)化成硬垢之前，就將火管表面剛沉積的軟垢清除掉。

圖4 壓力（H =25 mm、= 90°）

由于噴嘴內(nèi)徑對(duì)流速的影響，作用在火管外表面的速度和壓力均隨噴嘴內(nèi)徑的減小而增大。當(dāng)=10 mm時(shí)，由于流速的減小，水射流打擊到火管外表面的反彈使射流中心速度明顯減小，同時(shí)射流打擊表面壓力較低。當(dāng)=8 mm時(shí)射流反彈對(duì)速度影響較小，且具備一定的清洗壓力，6 mm時(shí)的火管外表面壓力和速度明顯高于8 mm時(shí)，同時(shí)較高的速度使水的擾動(dòng)更加劇烈，增強(qiáng)了清洗效果。但在生產(chǎn)實(shí)際過(guò)程中，口徑過(guò)小的噴嘴較易堵塞，結(jié)合模擬結(jié)果，射流管路噴嘴選取=8 mm。

圖5 速度（H =25 mm、= 90°）

圖6 壓力（=90°、D =8mm）

圖7 速度（=90°、D =8mm）

圖8 壓力（H =25mm、D =8mm）

圖9 速度（H =25mm、D =8mm）

4 結(jié)束語(yǔ)

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Numerical Simulation of Structural Parameters of Nozzle for High Pressure Water Jet Cleaning and Scale Prevention

,

（Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318, China）

heating furnace fire tube; jet cleaning; nozzle structure; numerical simulation

2016-02-14

劉鵬（1994-），男，黑龍江省大慶市人，2016年?yáng)|北石油大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)，研究方向：復(fù)雜流體力學(xué)。

TE 85

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1004-0935（2017）03-0226-03