含蜡热油管道总传热系数新模型的实验研究.pdf

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1、第34卷第4期OILANDGASTRANSPORTATIONANDSTORAGE油亏储运01含蜡热油管道总传热系数新模型的实验研究周刚1赵健1王倩楠1王蒙21．东北石油大学提高采收率教育部重点实验室，黑龙江大庆163318；2．大庆油田有限责任公司化工集团东吴公司表活济厂，黑龙江大庆163453摘要：通过分析起点温度、油品密度、流速、动力黏度、比热容、埋深处地温及清管后运行时间等多种因素与热油管道总传热系数之间的相关性，用4种无量纲数对总传热系数物理特性进行表征。通过环道实验装置设计无量纲实验，确定最优预测模型的函数形式及各无量纲数的物理意义，进一步提出了由无量纲数构成用于总传热系

2、数预测的新模型。对东北某输油管道进行预测的结果表明，新模型的预测结果与反算法计算结果相比，终点温度平均相对误差降低2．85％，在一定程度上解决了由于运行参数波动引起的预测误差偏大的问题。关键词：传热系数；蜡沉积；参数波动；量纲分析；环道实验DOI：10．3969／j．issn．1006—5539．2016．04．0010前言埋地热油管道总传热系数反映了热油管道内的油流至周围介质散热强度的大小⋯，是表征热油管道散热特性和保温性能的重要参数。求解管道的总传热系数的方法有：理论公式’2’4。、苏霍夫公式反算”“o及求解传热微分方程‘7“1。各种方法得到的总传热系数模型存在不同的缺陷，理论

3、公式中的多种参数测试过程复杂，且测试数据误差较大；苏霍夫公式反算理论上仅可用于稳定运行的工况，当运行工况出现波动时准确性较差；传热微分方程的求解算法复杂，在预测精度要求较高时，需加密网格，求解时间较长。另外，在实际运行工况中各运行参数是随机波动的，导致利用已有的工艺计算方法对总传热系数进行预测时误差较大，可能导致无法确定有效的调度决策，甚至发生凝管事故。因此，有必要寻找一种新的方法，减小参数波动引起的总传热系数误差，本文通过设计无量纲实验，用4种无量纲数对总传热系数进行有效表征，构建基于量纲分析法∽叫o】的总传热系数预测的新模型。1总传热系数的无量纲模型构建量纲分析法是在物理领域中

4、建立数学模型的1种有效方法⋯叫2。，结合相应的实验结果，可以确定各参数之间复杂的耦合函数关系。由于多个运行参数和油品物性与管道总传热系数有关，且多个参数之间的相互作用，函数关系不明确。因此，可以尝试用量纲分析法来解决总传热系数K值的求解问题。埋地热油管道总传热系数K值与起点温度、油品密度、流速、动力黏度、管径、比热容、埋深处地温、蜡沉积速率及清管后运行时间有关，在实际管道输油过程中，出站油温、输量和自然地温的改变，会使埋地热油管道周围土壤温度场发生相应的改变，导致K值波动；随着清管后时间的累积，蜡层不断变厚，使K值变小；同时K值还受油品比热容、密度、动力黏度等物性参数波动的影响。运

5、用量纲分析原理，总传热系数与这些因素的函数关系可以表示为：八K，T1，P，∥，弘，d，f，c，To，W，，t)=0(1)式中：K为埋地热油管道总传热系数，w／(nl2·oC)；T．收稿日期：2016—03—10基金项目：国家自然科学基金重点资助项目(51534004)；国家科技支撑计划资助项目(2012BAH28F00)；中国石油科技创新基金资助项目(2014D一5006—0607)作者简介：周刚(1988一)，男，山东潍坊人，硕士研究生，主要从事油气长距离管输技术研究。02天然号与石油NATURALGASANDOIL2016年8月为起点温度，℃；p为油品密度，kg／m3；移为流速

6、，m／s；／,为动力黏度，Pa·S；d为管径，m；c为比热容，J／(kg·oC)；r。为埋深处地温，oC；W。为蜡沉积速率，g／(m2·h)；t为清管后运行时间，h。由于采用起点过余温度(日。=T。一To)比直接采用起点温度及埋深处地温作为研究变量更能反映管道沿线温降问题的本质‘3o，因此式(1)可转化为：以K，9l，P，秽，c，／z，d，f，W。t)=0(2)式中：p。为起点过余温度，日。=T。一To，oC；W。t为蜡沉积厚度，mm。选取原油密度、流速、管径、比热容为基本量，则量纲公式为：[P]=[L1roMl610][vl=[￡1r叫Mo@o][d]=[L1PMoOo][C]=

7、[￡2rt胪臼。1](3)式中：￡为长度量纲，m；T为时间量纲，s；M为质量量纲，kg；@为温度量纲，℃。它们的量纲指数行列式为：一30l一1102—210—1=1≠0(4)这4个变量可做为基本量，进而可确定5个无量纲量的基本形式为：盯。=面K，盯：=了col，盯，=盖，耵。=万W,t，盯，=了l盯·2面汀z2了汀，2茄汀。2万汀s2了(5)式中：1Tl、叮r2、1T3、1T4及叮T5为无量纲量。各无量纲量间的无量纲关系式为：叮Tl2-，(叮T2，叮T3，叮r4，'I