加熱爐火管高壓水射流清防垢管路噴嘴結構參數的數值模擬

2017-03-21 01:40:45劉鵬，王力

遼寧化工 2017年3期

劉鵬，王力

劉鵬，王力

（東北石油大學，黑龍江大慶 163318）

加熱爐火管；射流清垢；噴嘴結構；數值模擬

油田加熱爐是油氣集輸過程必不可少的換熱設備，在加熱爐加熱的介質中含有泥沙、懸浮固體等雜質，易沉積、粘附在火管頂面。經過長時間的高溫加熱后，雜質逐漸在火管頂面形成垢。垢的導熱系數遠低于鋼鐵，這樣就相當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。同時熱量不能及時傳導給爐內介質，使得火管頂面局部溫度升高，長時間局部過熱的部位就會出現鼓包、甚至穿孔，給加熱爐的安全運行帶來了極大的隱患。目前油田主要采用加化學藥劑的方法降低結垢速度，但清垢時需關停加熱爐，運行成本高，同時清垢效果并不好。通過對現場實際情況的調研，可知加熱爐火管清垢需滿足清洗對火管無損傷，清洗效率高、質量好和成本低的特點，因此采用高壓水力射流技術管路（如圖1所示）。

圖1 射流管路模型示意圖

圖2 射流管路參數示意圖

1 建模及邊界條件

通過現場調研發現，加熱爐火管在外表面頂部結垢，而且火管外表面結垢分布不均勻。由于軟件仿真模擬受制于有限的計算機資源和計算方法，不能使模型的條件完全和現實中相同，因此以結果的準確性為前提，對模型進行合理的簡化，取一個噴嘴作為研究對象，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，運用Gambit建立三維模型，如圖3所示。

圖3 幾何建模及網格劃分

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

2 數值模擬結果及分析

加熱爐火管表面的垢生成原因主要是油井來的采出液含有一定量的泥沙、鐵銹和鹽垢，進入加熱爐后流速突降，夾帶垢質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，垢質中的稠油稀釋溶解，溶液中新形成的垢質顆粒填充其孔隙，在逐漸積累過程中，垢層含油逐漸減少，變成致密的硬垢。硬垢結合強度較高，清除困難。因此，應在滿足一定清洗壓力條件下，增大清洗覆蓋面積，防止雜質在火管表面的沉積，在軟垢轉化成硬垢之前，就將火管表面剛沉積的軟垢清除掉。

圖4 壓力（H =25 mm、= 90°）

由于噴嘴內徑對流速的影響，作用在火管外表面的速度和壓力均隨噴嘴內徑的減小而增大。當=10 mm時，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，同時射流打擊表面壓力較低。當=8 mm時射流反彈對速度影響較小，且具備一定的清洗壓力，6 mm時的火管外表面壓力和速度明顯高于8 mm時，同時較高的速度使水的擾動更加劇烈，增強了清洗效果。但在生產實際過程中，口徑過小的噴嘴較易堵塞，結合模擬結果，射流管路噴嘴選取=8 mm。