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油田集输系统换热器中污垢热阻预测研究点击：1823 日期：[ 2014-04-26 21:36:08 ] |
| 油田集输系统换热器中污垢热阻预测研究 刘 磊1 王振业2 吴 彬3 (1·中国石油大学(北京)机械与储运工程学院,北京102249;2·中国石油天然气管道工程有限公司上海分公司,上海200127;3·北京石油化工设计院上海分院,上海200030) 摘要：为了提出一个更加可靠、实用的污垢热阻随时间变化的预测模型,以解决油田集输系统内间接加热系统换热器结垢问题。针对油田间接加热系统内管壳式换热器的传热特点,通过分析其结垢机理,在综合考虑结垢过程与温度场耦合作用下,建立了无相变管壳式换热器中污垢热阻预测模型。采用C语言对模型进行编程迭代计算,得到了换热器不同时间下的污垢热阻值。计算结果与文献实验数据比较表明,预测模型是正确、可靠的。 关键词：集输系统;管壳式换热器;污垢热阻;预测模型 中图法分类号：TE965 管壳式换热器由于生产成本低,选材范围广,清洗方便,适应性强,处理量大,工作可靠[1],因而被广泛应用在油田集输系统间接加热系统中。目前我国大部分主力油田进入了中后期高含水开发阶段,集输系统内结垢现象日趋普遍,对于间接加热系统换热器结垢尤为严重。而污垢是热的不良导体,导热率一般仅为换热面主要用材碳钢的几十分之一至几百分之一,由于污垢的存在导致换热设备传热性能的下降而给油田的安全生产带来的经济损失是巨大的。为了应对换热器污垢问题,无论是从换热器设计方面,还是从对换热器结垢量进行预测进而采取相应的防除垢方法方面着手来看,必须首先得到污垢热阻随时间的变化关系。因此,对污垢热阻随时间的变化关系的研究是非常有必要的。Watkinson and Epstein[2]通过石油气体油在炼厂用换热器中的结垢循环实验,研究了质量流量和热流密度因素对结垢热阻所随时间的变化关系的影响,但并未得出相应的结垢速率模型。文献[3]虽考虑了结垢过程与温度场的耦合作用,得到了换热器中析晶垢结垢过程的预测模型,但其求解算法过于复杂,不宜被工程技术人员使用。因此笔者针对集输系统内管壳式换热器的传热特点,建立了热平衡方程组,结合换热器结垢机理,在综合考虑温度场与结垢过程的耦合作用下,得到了一个更加实用、可靠的污垢预测模型。 1·污垢热阻预测模型 Kern和Seaton经过长期的观察发现,工业换热器内的结垢往往是渐进型的。1959年,在质量平衡的基础上,Kern和Seaton[4-5]提出结垢过程是沉积过程和脱除过程同时作用的结果。根据这一推测,他们用以下常微分方程来描述这个过程: 式中:mf为单位换热面上沉积污垢的质量,kg/m2;.md为质量沉积率,kg/(m2·s)。.mr为质量剥蚀率,kg/(m2·s)。Kern和Seaton模型的提出具有普遍意义,后来研究者基于此模型框架,提出了不同的污垢沉积脱除模型。对于油田集输系统间接式加热系统的换热器中热媒与采出液之间进行换热时,冷流体一侧的结垢为对流传质控制结垢过程[3],即: 式中:hm为对流传质常数;Cs为主流电解质浓度;Ce为垢层表面处的电解质浓度;md为污垢质量沉积率。 hm可通过传热与传质的柯尔本类比性,采用经典的迪图斯-贝尔关联式来计算[6]: 2·结垢过程与温度场的耦合 由于污垢导热率非常小,因此在换热器长时间的运行过程中,污垢热阻成为换热器传热过程中的主要热阻,垢层表面温度与清洁状态时换热表面温度也必然不同。理论和实验研究表明,换热面温度的高低对结垢过程有明显的影响[8].所以,要正确描述换热器结垢机理,必须考虑结垢过程与温度场的耦合。 2·1 管侧对流换热系数的计算 对于管壳式换热器,对流换热努塞尔数用格尼林斯基公式计算[9]: 2·2 壳侧对流换热系数的计算 油田集输系统换热器内换热过程大都不涉及管壳侧介质的相变,因此,对于管壳式换热器壳体内装弓形折流板,壳侧对流换热努赛尔数采用Kern公式[1]: 2·3 总传热系数K的计算 总传热系数K为 2·4 热平衡方程组的建立 换热面热平衡方程组为 当管侧、壳侧流体进口温度tt1、ts1以及Vt、Vs一定时,通过联立以上方程组可以求出垢层表面温度tf、壳侧流体温度ts,将其代入沉积-脱除模型,可得到相应温度场下的结垢速率和污垢热阻。 3·预测模型的求解及与文献数据的比较 模型处理过程如下: 3·1 模型的求解 采用C语言编程的方法,对所建立的换热器污垢热阻模型进行编程,时间步长取为24 h,终止条件取为2 160 h,计算流程见图1。 3·2 计算结果与文献数据的比较 目前,涉及污垢实验数据的公开发表的文献不是很多,同时与所建模型结垢机理相同的污垢实验数据则更少,所以要对笔者提出的结垢模型进行验证存在一定困难。笔者选用文献[10]给出的石脑油管壳式换热器不同时刻污垢热阻值与预测模型计算结果进行比较。表1给出了文献中石脑油换热器主要实验条件。图2中给出了文献[10]的实验结果与预测模型的计算结果。 4·结束语 针对油田集输系统管壳式换热器的传热特点,通过分析其结垢机理,得到了综合考虑结垢过程与温度场耦合关系的结垢热阻预测模型。采用C语言编程进行迭代计算得出的污垢热阻值与文献实验结果之间虽存在一定的偏差,但考虑到结垢机理的复杂性,所建模型还是准确、可靠的。同时从模型建立过程不难发现,所有换热器换热过程都应满足文中所建立的热平衡方程组,因此只要通过正确分析换热器各种工况下的结垢机理,综合考虑结垢过程与温度场的耦合,就能够得到可靠、实用的换热器污垢预测模型。 参考文献：略 |
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