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我国生产的原油大部分含蜡量高,凝点高。不管是陆上还是海上,含蜡原油管道都存在蜡沉积问题。为了提高含蜡原油管道运行的经济性和安全性,有必要探寻管输条件下的蜡沉积规律,建立合理的蜡沉积模型,预测管道中的蜡沉积厚度分布,为制定合理的清管方案和管道优化运行方案提供依据。
建立了一套用于进行蜡沉积的两段式环道模拟装置,并给出了新的管壁平均结蜡厚度的计算方法和蜡沉积层内侧温度梯度的计算方法。改进的差压法改变了文献方法修正过度的缺陷。在恒壁温管流温度场计算公式的基础上,进一步推导出了变壁温、管壁有结蜡层条件下的温度场计算公式,并给出了计算方法。
对青海原油进行蜡沉积模拟实验,总结实验规律。影响管流蜡沉积的因素除了含蜡原油的组成、密度-温度关系和粘度-温度关系等内在因素外,还有几项外在因素,包括原油管道内的温度场、速度场、粒子的布朗运动、流体的剪切和蜡粒子间(或蜡粒子与管壁间)的结合力。
在Fick第一定律的基础上,建立了新的蜡沉积动力学模型,对原油蜡沉积实验数据进行了回归分析,效果很好。在此基础上得到了多个不同精度的简化模型。澄清了剪切和弥散对管道蜡沉积所起的作用不同。剪切对蜡沉积既有促进作用又有抑制作用。对于管道层流条件下的蜡沉积,忽略弥散作用影响不大。
利用紊流条件下动量传递和能量传递的比拟关系,得到了稳定紊流条件下管道能量平衡型蜡沉积厚度的计算公式。利用现役管道运行数据来回归模型中的参数,可对沿线蜡沉积厚度进行预测。利用本文的管道蜡沉积厚度计算公式,详细分析了多种因素对管道蜡沉积厚度的影响以及由于蜡沉积引起的管道运行参数的变化规律。
将管壁的蜡沉积过程分为三个阶段:诱导期、正常蜡沉积期和蜡沉积衰减期。通过对沉积粒子的浓度进行分析,第一次得到了诱导期的蜡沉积厚度表达式,正常沉积期的蜡沉积速度用本文的动力学新模型表达,衰减期的蜡沉积速度可用本文的能量平衡型蜡沉积积厚度公式计算。详细分析了三个不同阶段影响蜡沉积速度的因素。
诱导期内的影响因素,除了管内的流场和温度场,还有粒子的物理化学特性、管壁表面特性的影响和初始沉积函数。正常蜡沉积时间的长短主要取决于沉积层内侧温度变化的快慢以及μm3(dT/dr)n近似等于常量的温度范围。蜡沉积衰减期沉积速度取决于众多因素的协同作用。
管道沉积物的老化过程除了包含二次传质过程,还应该包含沉积物中网络结构在力作用下屈服、失稳扭曲甚至压断继而被压实重组的过程。本文首次对沉积物进行了详尽的应力分析和变形分析。理论分析证实,管内流体的压力作用以及沉积物内的温度收缩都对管壁附近的沉积物有压实作用。
计算实际管道内沉积物厚度需要精度较高的参数和可靠的工艺计算方法。本文对输油管道工艺计算中的平均温度计算公式进行了修正,给出了不但简单而且精度较高的工艺计算方法。对于总传热系数的反算,本文强烈建议需要考虑结蜡潜热的影响,需要考虑摩擦温升沿程变化而不是作为常数,传统的反算总传热系数方法导致结果偏低。
对于散热过快的管道,可以利用更长更厚的沉积层,达到降低出站温度提高经济效益的目的。当蜡沉积物厚度超过允许厚度时,可以不进行清管,代之以提高出站温度对沉积层进行冲刷,将沉积层厚度始终控制在经济范围之内。