（石油与天然气工程专业论文）花—格新线结蜡特性和清管周期研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 花格新线结蜡特性和清管周期研究 石油与天然气 骆建武( 签名 何光渝( 签名 纪国富( 签名 摘要 本文主要针对四个油样：( 1 ) 一厂来油；( 2 ) 二厂来油；( 3 ) 外输混合油；( 4 ) 5 0 万 吨来油。分三部分进行了研究：第一部分主要是对所给的四个油样进行物性分析及流变 性研究；第二部分主要研究所给原油的结蜡特性，并建立结蜡模型；第三部分根据结蜡 特性编制软件确定合理的清管周期。通过研究，对花格管道所输送的四个油样的结蜡特 性有了一定的了解，进而确定出了合理的清管周期，为花格新线的经济安全平稳运行 提供了科学的依据。 关键词：物性分析流变性结蜡特性清管周期 论文类型：应用基础 s u b j e c t ： h ua _ g e p i p e l i n el i n ew a xp r e c i p i t a t i o nc h a r a c t e r i s t i ca n dc l e a rt u b e c y c l er e s e a r c h s p e c i a l i t y ： m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g n a m e ：l u oj i a n w u ( s i g n a t u r e )k 曩肛沁 i n s t r u c t o r ：h eg u a n 斟u ( s i g n a t u r e ) 左2 鱼堕垒扩 j ig g u o f u ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c t n l i sa i t i c l em a i n l ya i m sa tf o u ro i lt y p e s ：a ( 1 ) f a c t o r yc o m e s t l l eo i l ；( 2 ) t w of a c t o r i e s c o m et h eo i l ；o u t s i d e ( 3 ) l o s e st h eo i lm i x t u r e ；( 4 ) 5 0 0 ，0 0 0t o n sc o m et h eo i l d i v i d e dt h r e e p a r t st oc o n d u c tt h er e s e a r c h ：t h ef i r s tp a r ti sm a i n l yt of o u ro i lt y p e sw h i c hg i v e sc a r r i e s o n t h en a t u r a la n a l y s i sa n dt h er h e o l o g i c a lp r o p e r t y l e s sr e s e a r c h ；t h es e c o n dp a r t o fm a i n r e s e a 】r c hi n s t i t u t ef o rt h ec r u d eo i lw a xp r e c i p i t a t i o nc h a r a c t e r i s t i c ，a n de s t a b l i s h e st h ew a x p r e c i p i t a t i o nm o d e l ；t h i r dp a r t o fb a s i sw a xp r e c i p i t a t i o nc h a r a c t e r i s t i ce s t a b l i s h m e n t s o n 、) l 协r ed e t e h n i n a t i o nr e a s o n a b l ec l e a rt u b ec y c l e t h r o u g ht h er e s e a r c h ，f o u ro i lt y p e sw a x p r e c i p i t a t i o nc h a r a c t e r i s t i cw h i c ht r a n s p o r t st oh u a - g ep i p e l i n eh a dc e r t a i nu n d e r s t a n d i n g ， t h e nd e t e n n i n e dm er e a s o n d b l ec l e a rt u b ec y c l e ，w a s h u a g ep i p e l i n e se c o n o m i cs e c u r i t y s t e a d ym o v e m e n t h a sp r o v i d e dt h es c i e n c eb a s i s k e yw o r d s ：n a t u r a la n a l y s i s r h e o l o g i c a lp r o p e r t y w a xp r e c i p i t a t i o nc h a r a c t e r i s t i c c l e a rt u b ec y c l e p a p e rt y p e ：a p p l i c a t i o nf o u n d a t i o n i i i 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 日期：竺翌生哆 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名： 导师签名： 隗掣 日期：龟丝! 竺：? 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 趔氍 前言 】z _ k 日i j吾 国外对析蜡的热力学模型是利用相平衡、相转变等方面来论证的，第一个热力学模 型是由w o n n 于1 9 8 5 年提出的，当时，w o n 仅考虑了液固相平衡，并将原油假设为理想 溶液，不久，w o n ”1 又提出心的热力学模型。在模型中，w o n 采用修正的正规溶液理论 描述液固相平衡，用s r k 状态方程进行气液相平衡计算，并引入修正的溶解度参考来处 理固体混合物( 蜡) 的非理想性。h a n s e n 等人3 1 对液相应用了聚合物溶解理论，将固 相以理想混合物看待。p e d e r s e n 等人h 1 在w o n 模型的基础上，考虑了固液相比热容的 差异。e r i c k s o n 等人如1 认为正构烷烃和异构烷烃在析出时是有区别的，建立模型时应 考虑这一点。 p e d e r s e n 邸1 认为w o n 、h a n s e n 和p e d e r s e n 等人在进行气液固相平衡计算时，使用 了两种不同的液相模型，在热力学上不一致，而且还会引发计算过程的收敛问题。为此， p e d e r s e n 提出了相容性模型，他还指出，重组分中仅有部分能进入蜡相。 h a n s e n 等人7 1 对北海原油进行试验，观察到沉积蜡的相变，基于上面的发现， l i r a - g a l e a n e 等人n 1 提出的多固相模型，模型中假设已析出的蜡由多个固相组成，每 一个固相都可以看成纯组分或假组分，随后，p a n 等人9 1 修正了l i r a g a l e a n e 等人的多 固相模型，并考虑了压力和原油组成对析腊的影响。 p a u l y 等人n 们建立的模型中用w i l s o n 方程描述固相，该模型应用在窄烷烃分布中 得到了满意的结果。若加宽烷烃分布，则模型预测的结果就会高估了轻组分的析出量， 为解决这一问题，c o u t i n h o 等人“提出使用u n i q u a c 方程代替w i l s o n 方程。s i n g h 等 人n 2 1 改进了c o u i n h o 等人的模型，应用的结果与试验吻合很好。 我国盛产含蜡原油。含蜡原油是一种组成复杂的混合物，其流变性质与其组成( 蜡、 胶质和沥青质) 有关，也与其经历的热历史和剪切历史有关。其中蜡的组成、含量、性 质及其在原油中的形态等是导致原油流变性质复杂的根本原因。在不同的温度下，原油 中的蜡处于不同的形态导致原油呈现出不同的流变性质【l3 1 。热历史和剪切历史也是通过 影响蜡晶形态和结构来影响含蜡原油的流变性质。 温度较高时，原油中的蜡以分子形式完全溶解，原油宏观上表现出牛顿流体流变性 质 1 3 - 1 4 1 ：随着温度的降低，原先处于溶解状态的石蜡成分将逐渐开始析出，形成很小的 蜡晶，分散的沥青质也会附着在蜡晶上或共晶形成分散相，而液态烃、胶质等为连续相， 形成一定浓度的分散悬浮体系；温度进一步降至凝点下则形成空间网状结构，体系失去 流动性，表现出极其复杂的屈服一假塑性、触变性。 目前，国内外大都采用加热输送工艺管输含蜡原油。这种工艺虽然可行，但存在许 多缺点，消耗燃料是其中之一。为了节能，逐步降低输油温度，进而实现接近地温条件 下的常温输送是管输含蜡原油的发展趋势。然而随着长输管线的运行时间，管道内璧含 蜡的累积也是不可忽略的问题，所以要根据蜡沉积模型，以及管道运行的动力费用、热 西安石油大学硕十学位论文 力费用和清管费用，建立管道最佳清管周期模型是长输管道一直研究的重要课题。 本文主要针对四个油样：( 1 ) 一厂来油；( 2 ) 二厂来油；( 3 ) 外输混合油；( 4 ) 5 0 万 吨来油。分三部分进行了研究：第一部分主要是对所给的四个油样进行物性分析及流变 性研究；第二部分主要研究所给原油的结蜡特性，并建立结蜡模型；第三部分根据结蜡 特性编制软件确定合理的清管周期。 第一章主要研究四种原油的流变特性，油样化验分析还包括一厂原油罐底样和两个 二厂原油罐底样。先对四个油样进行基本物性及流变性研究，具体内容如下： ( 1 ) 一厂来油、二厂来油、外输混合油、5 0 万吨来油、一厂原油罐底样、二厂原油 罐底样及二厂原油罐底样等共七种油样中蜡、胶质、沥青质等的含量测定； ( 2 ) 一厂来油、二厂来油、外输混合油及5 0 万吨来油四种原油的密度及其与温度的 关系测定； ( 3 ) 一厂来油、二厂来油、外输混合油及5 0 万吨来油四种原油的比热测定； ( 4 ) 一厂来油、二厂来油、外输混合油及5 0 万吨来油四种原油的热处理效果评价； ( 5 ) 一厂来油、二厂来油、外输混合油及5 0 万吨来油四种原油粘温曲线的测定。 第二章主要针对所给的四种原油进行蜡沉积规律研究，内容主要有以下几个方面： ( 1 ) 运用现有的蜡析出模型计算了一厂来油、二厂来油、外输混合油及5 0 万吨来油 不同温度段析出的蜡量，为计算蜡分子浓度梯度提供了依据； ( 2 ) 实验研究了壁温相同、不同油温条件下一厂来油、二厂来油、外输混合油及5 0 万吨来油蜡沉积规律； ( 3 ) 实验研究了原油管壁温差相同、不同温度区间一厂来油、二厂来油、外输混合 油及5 0 万吨来油蜡沉积规律； ( 4 ) 实验研究了流速对一厂来油、二厂来油、外输混合油及5 0 万吨来油蜡沉积规律 的影响； ( 5 ) 建立了一厂来油、二厂来油、外输混合油及5 0 万吨来油蜡沉积模型。 第三章在前两个部分研究的基础上，建立清管周期模型，并编写软件，确定最佳清 管周期。 2 第一章原油物性分析及流变性研究 第一章原油物性分析及流变性研究 这一部分是对四个油样进行基本物性及流变性研究，油样化验分析还包括一厂原油 罐底样和两个二厂原油罐底样，具体内容如下： 1 1 原油的基本组成与物性 1 1 1 原油的基本组成 对四种原油油样进行有关实验，测得原油的基本组成及物性如表1 1 所示： 表1 - 1 原油基本物性参数测定 一厂 二厂 5 0 万吨 外输一厂原油二厂原油 二厂原 油罐底执行标准 来油来油来油混合油罐底样 罐底样 样 石科院推荐 胶质，m 7 7 49 6 36 9 98 0 97 4 77 9 l7 8 8 方法 正庚烷 0 o l o “5 西安石油大学硕士学位论文 3 g2 5 0 刍 o 2 0 0 j 1 1 0 0 1 0 0 y ( s - 1 ) 图卜l l 二厂来油在不同测量温度下的流变曲线 二厂来油在牛顿流体温度范围内的粘度以及测量温度范围内的的粘温曲线分别如 表1 1 2 、图1 1 2 所示。 表1 1 2 二厂来油在牛顿流体温度范围内的粘度及粘温方程 测量温度 粘度( m p a s ) 牛顿流体温度范围内 ( )的粘温方程 3 l5 7 9 4 3 54 2 2 3 l g , u = 2 7 5 7 0 0 3 2 2 t 4 02 9 7 1 ( 3 i c t 4 2 。c ) 4 52 3 - 3 6 5 0 1 9 1 7 l g g = 2 0 6 9 0 0 1 5 7 t 5 5 1 6 0 6 ( 4 2 t 6 0 ) 6 01 3 5 9 青 士 v 3 图1 1 2 二厂来油粘温曲线 1 2 第一章原油物性分析及流变性研究 可见5 0 热处理后，二厂来油的析蜡点为4 2 ，反常点为3 l 。牛顿流体范围内， 体系的粘度小于5 7 9 4 m p a s 。 1 2 2 3 小结 通过以上实验研究可知： ( 1 ) 就二厂来油的热处理效果来说，在5 0 - - - , 7 0 的加热温度范围，二厂来油的凝点 没有变化，均为2 5 。 ( 2 ) 在5 0 热处理条件下，二厂来油的析蜡点为4 2 ，反常点为3 l 。 1 2 3 外输混合油 1 2 3 1 外输混合油的热处理 实验测得不同热处理温度下外输混合油的凝点见表1 1 3 。 表i - 1 3 不同加热温度对外输混合油凝点的影响 热处理温度5 0 6 07 0 c i凝点( )2 92 92 9 j 表1 1 3 表明，在5 0 7 0 的加热温度范围，外输混合油的凝点没有变化，均为 2 9 。 1 2 3 2 原油粘温曲线 根据常用现场工况和加热温对凝点的影响，选择加热温度为5 0 并测量其粘温曲 线。实验条件：将油样加热到5 0 并恒温一段时间，然后以0 5 。c m i n 的冷却速率静态 降温至测量温度，测量动平衡流变特性，并回归出相应的流变方程和流变曲线。 实验所得外输混合油的表观粘度以及相应的流变曲线随温度的变化分别如表1 1 4 、 图1 1 3 所示。 表i 1 4 外输混合油在不同温度下的表观粘度及流变方程 测量温度不同剪切速率下的表观粘度( m p a s ) 流变方程 ( )5 0 s 。18 8 9 s 11 5 8 s 。l2 8 1 s 。15 0 0 s 1 2 71 8 0 6 1 3 6 31 0 4 3引3 86 4 2 6 r = 2 2 4 3 + 0 5 4 9 9 o 6 4 3 2 91 1 8 69 8 8 58 1 3 26 5 7 85 3 1 8 f = 0 4 9 5 5 o 6 4 1 3 l 7 0 4 2 6 4 7 35 8 0 55 0 7 l4 3 7 l _ r = o 1 8 4 7 , o 7 6 9 3 34 2 5 8 4 1 4 2 3 9 4 l3 7 1 8 3 4 5 0 f = 0 0 6 8 5 9 0 8 9 0 西安石油大学硕士学位论文 1 6 0 1 4 0 ：伽 曼1 j 4 0 1 y ( s 1 ) 图1 1 3 外输混合油不同温度的流变曲线 外输混合油在牛顿流体温度范围内的粘度以及实验温度范围内的粘温曲线分别如 表1 1 5 、图1 1 4 所示。 表1 1 5 外输混合油在牛顿流体温范围内的粘度及粘温方程( 加热温度5 0 c ) 测量温度 粘度( m p a s ) 牛顿流体温度范围内 ( ) 的粘温方程 3 52 5 6 0 l g , u = 2 4 8 9 0 0 3 0 9 t 4 01 7 9 4( 3 5 t 4 2 ) 4 51 4 0 9 5 01 1 5 6 l g g = 1 8 0 9 - 0 0 1 4 8 t 5 59 7 9 ( 4 2 t 6 0 ) 6 08 4 4 o 生 0 1 2 53 03 54 04 5 5 05 56 5 t ( 1 2 ) 图1 1 4 外输混合油粘温曲线 1 4 第一章原油物性分析及流变性研究 可见5 0 c 热处理后，外输混合油的反常点为3 5 c 。牛顿流体范围内，体系的粘度 小于2 5 6 0 m p a s 。 1 2 3 3小结 通过以上实验研究可知： ( 1 ) 外输混合油的析蜡点为4 7 c ，并存在两个析蜡峰，高温段的析蜡峰温度在4 3 ( 2 左右，峰值较低；低温段的析蜡高峰温度在2 4 左右，峰值高。 ( 2 ) 就外输混合油的热处理效果来说，在5 0 , - , 一0 c 的加热温度范围，外输混合油的 凝点没有变化，均为2 9 ，反常点为3 5 。 1 2 45 0 万吨来油 1 2 4 15 0 万吨来油的热处理 与前面三种原油不同，热处理会影响5 0 万吨来油的流变性，实验研究了不同热处 理温度对5 0 万吨来油凝点的影响。结果如表1 1 6 所示。 表1 1 6 不同加热温度对卯万吨来油凝点的影响 l凝点( )i 2 6 i 2 32 2 l 2 1 l 表1 1 6 表明，在5 0 一- , 7 0 的加热温度范围内，5 0 万吨来油的凝点随热处理温度的 升高降低，但幅度不大，由于花格管道实际出站油温均处于6 5 7 0 之间，因此取6 5 作为热处理温度测定粘温曲线。 1 2 4 2 原油粘温曲线 根据常用现场工况，选择加热温度为6 5 并测量其粘温曲线。实验条件：将油样加 热到6 5 并恒温一段时间，然后以0 5 m i n 的冷却速率静态降温至测量温度，测量动 平衡流变特性，并回归出相应的流变方程和流变曲线。 5 0 万吨来油的表观粘度以及相应的流变曲线随温度的变化分别如表1 1 7 、图1 1 5 所示。 表1 1 75 0 万吨来油不同温度下的表观粘度及流变方程( 6 5 热处理) 测量温度 不同剪切速率下的表观粘度( m p a s ) 流变方程 ( ) 5 0 s 18 8 9s 11 5 8 1s 。12 8 1 1 s 。15 0 0 s 。l 2 01 6 8 21 3 0 3 1 0 5 98 8 0 8 7 3 9 5 f = 2 , 3 6 9 + 0 3 0 3 5 尹o 7 6 2 2 2 7 5 8 76 4 3 l5 5 7 l4 8 9 94 3 5 5f = 0 1 7 4 7 j o 7 7 6 2 45 3 2 34 8 0 24 3 3 l3 9 2 l3 5 5 3 f = o o 1 0 4 7 0 _ 8 2 6 西安石油大学硕士学位论文 1 1 们1 4 0 帕 刍1 2 0 - t1 0 0 6 0 4 0 1 0 0 y ( s 1 ) 图1 1 55 0 万吨来油不同温度下的流变曲线 牛顿流体温度范围内的粘度和粘温曲线分别如表1 1 8 、图1 1 6 所示。 表1 1 85 0 万吨来油在牛顿流体温度范围内的粘度和粘温方程( 加热温度6 5 ) 测温 粘度 牛顿流体温度范围内的粘温方程 ( )( m p a s ) 2 62 4 4 3 01 9 4 l g , u = 2 0 0 4 一o 0 2 3 8 t 3 51 4 6 7 ( 2 6 t 4 1 ) 4 01 1 3 4 4 59 2 7 5 08 0 6 l g , u = 1 4 6 1 一o 0 11 0 t 5 57 1 3( 4 l t 6 0 ) 6 0 6 3 3 5 06 0 t ( ) 图1 1 65 0 万吨来油粘温曲线 可见6 5 。c 热处理后，5 0 万吨来油的反常点为2 6 。c 。牛顿流体范围内，原油的粘度 1 6 第一章原油物性分析及流变性研究 较小，不超过2 4 4 m p a s 。 1 2 4 3 小结 通过以上实验研究可知： ( 1 ) 5 0 万吨来油的热处理有一定的效果。在5 0 - - - 7 0 的加热温度范围内，5 0 万吨 来油的凝点随热处理温度的变化而改变，由于实际出站油温均处于6 5 7 0 之间，因此 取6 5 作为热处理温度测定粘温曲线。 ( 2 ) 在6 5 热处理条件下，5 0 万吨来油的析蜡点为4 2 ，反常点为2 6 。 1 7 西安石油大学硕上学位论文 第二章蜡沉积规律的研究 本部分通过室内实验研究了一厂来油、二厂来油、外输混合油和5 0 万吨来油的蜡 沉积规律并建立了这四种原油的蜡沉积模型。具体内容如下： 2 1 试验装置 为研究青海一厂来油、二厂来油、外输混合油及5 0 万吨来油蜡沉积规律，我们改造 了室内管流蜡沉积试验装置，测试段、参比段以外的管段加装了电热带，用来控制测试 段进口原油温度。试验装置流程见图2 1 。该装置包括以下几个主要部分：测试段、参 比段、差压传感器、质量流量计、温度传感器、螺杆泵、蠕动泵、计算机。 图2 - 1 蜡沉积试验装置 该装置有以下特点： 1 在管流条件下进行原油蜡沉积试验。 2 用计算机采集、记录试验数据，自动化程度高。 3 采用了两段完全相同的管段( 分别称作测试段和参比段) ，试验过程中可以通过参比 段、测试段的差压随时计算并显示蜡沉积厚度。可通过参比段监测试验过程中原油 物性的变化。 4 测试段、参比段采用软管连接，拆卸方便，操作简单，试验结束后可以回收沉积物 样品，供研究其物性使用。 2 2 试验装置的传热和水力计算 要定量研究原油蜡沉积规律，必须知道测试段蜡沉积厚度、管壁处油温及管壁处温 度梯度等参数。为此对测试段进行传热和水力计算。 第二章蜡沉积规律的研究 2 2 1 管壁蜡沉积厚度的确定 试验用的管流蜡沉积试验装置可以根据测试段、参比段差压计算蜡沉积厚度。如果 所研究的原油流变特性及流态不同，蜡沉积厚度的计算式也不同，下面分别推导了其计 算式。 2 2 1 1 计算方法 ( 1 ) 牛顿流体 对于牛顿流体，水平放置管段的差压可由式( 2 1 ) 计算： 凹：名三丝：8 ；l l _ , o q ：2 ( 2 一1 ) d2 万2 d 5 式中：a 水力摩阻系数； d 管内径，m ； 夕原油密度，姆聊3 ； q 体积流量，m 3 s ； 三管路长度，m ； 矿平均流速，m s 。 测试段和参比段差压的比是： 瓮= 石力r 八瓦l r 八瓦p r 八西q r ) 2 ( 每) 5 ( 2 - - 2 ) 式中，带下标t 的参数是测试段的参数，带下标r 的参数是参比段的参数。 根据实验装置的流程，原油在测试段内流动是降温过程，在参比段内流动是升温过 程，这样两段原油的温度基本相同。可以认为所= 胁，l r = k ，绋= q r 。那么式( 2 - - 2 ) 可以简化为： 鸶= c 冬c 争5 ( 2 - - 3 ) 在r e 1 0 5 1 均情况下，水力摩阻系数可以表示为： 力：丝( 2 4 ) 以= 一 k 二一， r c ” 对于层流状态a = 1 6 ，m = 1 ；对于紊流的水力光滑区，么= o 0 7 9 1 ，m = 0 ，2 5 。 下面分别是层流和紊流状态下测试段管径的计算式： 1 9 西安石油大学硕士学位论文 腻 驴亭 沪5 ) 紊流的水力光滑区： 珥：乓 ( 2 6 ) ( 瓮) 去 ( 2 ) 非牛顿流体 非牛顿流体水平管的差压也可由式( 2 1 ) 计算，只是兄的计算方法与牛顿流体不同。 另外，非牛顿流体的雷诺数计算方法也与牛顿流体不同。对于符合幂律方程的非牛顿流 体，雷诺数可表示为： r e 艘2 再p o n v 2 - n ( 2 _ 7 ) 、4 n 式中：k 稠度系数，p a s n ； 层流： 允：l ( 2 - - 8 ) 以= 一 j 珥：盟_ ( 2 9 ) ( 费咕 紊流水力光滑区： 允的计算用d o d g e 和m e t z n e r 的经验公式： 力：氅( 2 1 0 1 )以= l z 一， 知道了测试段的管内径d r 就可计算蜡沉积层厚度y ， ( 2 一1 1 ) 第二章蜡沉积规律的研究 y = 掣 式中 或测试段原始管径，为0 0 1 2m 。 2 2 1 2 称重方法 蜡层厚度也可以用称重的方法由式( 2 - - 1 3 ) 计算。 1 ，= 一 7 剧 式中：矿蜡沉积物的重量，g ； 4 蜡沉积面积，可由式( 2 1 4 ) 计算，肌2 。 a = n d r l 矿一蜡的密度，k g m 3 ； ( 2 一1 2 ) ( 2 一1 3 ) ( 2 一1 4 ) i 测试段管长，1 5 小。 为验证计算法的可靠性，用两种方法对1 5 组试验进行了对比，结果见表2 1 。 表2 - 1 称重法与计算法蜡沉积量对比 实验条件 称重法质量，g 测试段管径，m m 差压法质量，g 相对误差， k b 2 0 1 51 51 1 3 5 1 6 0 9 7 3 k b 2 0 1 2 2 7 1 1 0 02 4 49 6 k b l 5 1 22 71 1 0 0 2 4 4 9 6 k b l 7 1 22 21 1 2 01 9 6 81 0 5 k b l 7 1 03 6 1 0 5 53 4 6 73 7 k b l 5 1 0 0 73 71 0 6 0 3 3 5 5 9 3 g 1 0 0 24 31 0 2 l4 2 1 52 o g 1 2 0 2 3 7 l o 1 4 4 3 6 6 1 8 o g 0 7 0 581 1 6 29 5 21 9 0 g 1 5 0 53 41 0 7 82 9 4 71 3 3 g 1 5 l o1 81 1 2 81 7 7 71 3 g 1 7 1 02 41 0 9 42 5 7 87 4 g 2 0 1 03 21 0 7 03 1 2 92 2 g 1 7 1 21 41 1 3 81 5 3 79 8 g 2 0 1 22 71 0 8 42 8 0 94 0 从表2 1 的结果看，两种方法确定的蜡沉积量比较接近，最大误差1 9 ，有7 5 的 试验结果误差在1 0 以内。因此，在试验中可以用差压变化计算任意时刻蜡沉积的厚度。 2 2 2 测试段传热计算 要研究原油中的蜡在测试段的沉积规律，必须清楚测试段原油温度分布、管壁处径 2 l 西安石油大学硕士学位论文 向温度梯度等参数。由于用程控水浴控制循环水不断在套管内循环，保持管外壁温度恒 定，而套管内循环水流向与原油正好相反，且流速只有0 1 6 m s ，故水冷却原油的同时， 也不断被加热，故将该传热过程简化为壁温沿轴向线性变化的恒壁温热交换问题。我们 在测试段进口和出v i 管壁上埋设了热电偶，以测量进口和出口的管壁温度。 根据恒壁温问题对热进口段的定义，当无量纲长度小于0 1 时，管中流体处于热进 1 2 1 段。在所研究的流速范围内，热进v 1 段长度在8 5 至8 2 8 m 之间，而实际测试段只有 1 s m ，温度分布并未达到充分发展段，因此计算过程中不能用充分发展段的公式。为此 对热进口段温度分布、温度梯度进行了分析。 2 2 2 1管壁无沉积物时测试段传热计算 ( 1 ) 壁温恒定时测试段管内温度分布 不可压缩流体在圆管内作定常、流速完全发展的轴对称流动时，能量方程( 略去能 量耗散) 为 p c p v 瓦o t 圳吾导( ，争+ 窘】 c 2 州， 引入无量纲参数： 式中： o ：玉蔓 瓦一正 工+ ：三l ，o r e p r 瓦管外壁温度，； j -， ，= 一 ，o y + ：旦 吃 疋测试段入口处油温，7 x 入口段轴向距离，m ； 测试段内平均流速，m s ； 测试段管径，m ； 九原油导热系数，w ( m 2 ) 。 代入式2 2 一l 整理得： 塑+ 上翌：三y + 盟一上粤 ( 2 1 6 ) 一+ 一一= 一。一一 z 一 加+，+ o r + 2 0 x + ( r e p r ) 2 缸“ 第二章蜡沉积规律的研究 通过推导可以求得管壁热流量： g w ( x + ) ：一等量导尺：( 1 ) e x p ( 一2 x + ) ( 瓦一r e ) ( 2 - - 1 7 ) ( 2 ) 壁温沿轴向变化时测试段传热计算 当壁温沿轴向变化时，在管道的任一截面上壁温的变化都可看作是流体进入一个新 的热进口区，此时管内油流温度分布为： t ( x i , r + ) 一瓦= ( 瓦一瓦) 【l e ( ，+ ，x 1 + ) 】+ 舯一o ( ，- + ，x + ，孝) 】等西 ( 2 1 8 ) 通过推导可得壁面热流密度： 吼( x + 1 ) ：九( _ o t ) 。：一生 ( 瓦一瓦) 【堡垫掣】，+ 聒【堡垫攀】，冬嘶) ( 2 1 9 ) o r r n o r o r 。 a g 壁面温度梯度： ( 地刊r e ) 掣”学【学】罢鸳( 2 - - 2 0 ) 2 2 2 2 测试段有沉积物时传热计算 当管壁有部分凝油和蜡等沉积物时，管内流场、温度场都发生变化。由于沉积层的 热阻，油流与沉积层表面温差降低、换热量减少，沉积速率发生变化。 根据测试段热平衡关系，可以计算乙( 五+ ) ： l = t + 百4 i o 凡g - + k - + ( 2 2 1 ) 式中： 乙( x i + ) x l 截面平均温度。 在沉积表面温度分布已知的情况下，可求得管内油流温度分布、沉积表面热流密度、 沉积表面温度梯度、截面平均温度。但当管壁有沉积物时，沉积表面温度分布并不知道。 因此，当沉积层厚度为毋很小时，先假设上一步瓦不变，可根据沉积层与油流间的热平 衡关系计算不同轴向位置处沉积表面温度l ( x + ) ： g 。( x + ) = g ，( x + ) ( 2 - - 2 2 ) 其中 姒n = 鼍( 2 - - 2 3 ) 西安石油人学硕：卜学位论文 则 式中： “门= 半 啪= 警筹 g 广一沉积层内热流密度； 吼油流与沉积层间的热流密度； r 厂一沉积层厚度为办时沉积层热阻； ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) i n ( j l ) r 一 鱼二翌 乃( 饧一，7 ) 乃沉积物导热系数； r 。油流与沉积层表面间的对流换热热阻； 驴击 口 + ) x 处局部对流换热系数。 舯糌 2 2 2 3 计算过程及计算结果分析 ( 1 ) 计算过程分析 在上述公式推导过程中，当沉积层厚度发生变化时，先假设了油流与沉积层表面间 的对流换热系数保持不变，在理论上会产生一定的误差。为研究这种假设带来误差的大 小，计算了油温1 9 c 、壁温1 7 c 、流速0 2 m s 条件下，沉积层厚度为0 5 m m 时不同径 向位置局部n u 数和局部对流换热系数口( x ) 的变化，结果见表2 2 1 、2 - 3 。 表2 - 2 沉积层厚度为0 5m s 时，局部n u 的变化 轴向位置( m ) 0 0 00 - 3 0 o 6 0o 9 01 2 01 5 0 无量纲长度 o 0 00 0 0 20 0 0 40 0 0 50 0 0 7o 0 0 9 n u ( x ) 1 9 1 9l o 8 58 9 l7 9 57 3 l6 8 0 第一章蜡沉积规律的研究 表2 - 3 沉积层厚度为0 s m m 时，计算过程中局部对流换热系数口( 工) 变化 淤= o 0 0o 3 00 6 00 9 01 2 01 5 0 d r ( m m ) o o2 0 2 91 4 5 71 0 7 38 3 47 0 16 4 3 o 12 0 6 31 4 8 11 0 9 18 4 87 1 36 5 4 0 22 1 0 21 5 1 41 1 2 o8 7 57 3 96 8 0 0 32 1 4 21 5 4 71 1 4 99 0 17 6 47 0 5 0 42 1 8 3 1 5 8 11 1 7 79 2 77 8 97 2 9 o 52 2 2 5 1 6 1 5 1 2 0 69 5 38 1 37 5 2 当沉积层厚度为0 1m m 时，测试段入口局部对流换热系数为2 0 6 3 ，管壁无沉积物 时，测试段入口局部对流换热系数为2 0 2 9 ，因为在计算过程中假设沉积厚度为0 1m m 的对流换热系数与管壁无沉积物的相同，这样可计算出假设带来的相对误差： 占：三q 鱼：! 二三q 翌：1 6 7 2 0 2 9 同理可以计算出不同轴向位置处的相对误差，见表2 4 。 表2 - 4 沉积层厚度为0 s m m 时，计算过程中局部对流换热系数口( 工) 的相对误差( ) 漆d rm m 3 置( - - - - m 、二 o o oo 3 00 6 0o 9 01 2 01 5 0最大相对误差( ) ( 0 11 6 71 6 71 6 71 6 71 6 71 6 71 6 7 o 23 8 l1 9 22 0 22 1 22 2 42 3 63 8 1 o - 33 5 01 9 32 0 i2 1 02 2 02 3 l3 5 0 o 43 2 71 9 42 0 22 1 02 1 82 2 83 2 7 o 53 1 01 9 62 0 22 0 92 1 72 2 52 2 5 从表2 - 4 可知在计算过程中每一渐近过程相对误差小于4 ，当厚度较小时误差更 小，在一般计算中计算过程为五次，因此总误差小于2 0 。 ( 2 )计算结果及分析 ( 2 1 ) 测试段温度分布 如前面所述，在目前试验条件下，测试段中油流速度分布已经完全发展，而温度分 布未达到完全发展，根据计算，当测试段无沉积物，油温为1 9 c 、壁温为1 7 ( 2 ，流速 为0 2 m s 时，在测试段出口热边界层厚度筇= o 3 5 、4 = 2 1m m ，如图2 2 所示，其 中厂0 为测试段内半径。而当沉积层厚度d r = 0 5 m m 时，测试段出口处热边界层厚度 6 ：= 0 2 2 。6 l = 1 2 m m o 西安石油大学硕十学位论文 图2 - 2 无沉积物时测试段热边界层图示( 按比例) 从图2 2 可以看出，在此实验条件下油流中心温度仍保持进口温度。在上述计算测 试段温度分布的过程中未考虑热边界层中由于蜡晶析出所释放的结晶潜热而引起的温 升。 ( 2 2 ) 沉积层表面温度分布 当测试段内壁有沉积物存在时，由于油流沿轴向温度不同，所以即使沉积层厚度沿 轴向相同，沉积层表面温度也不相同。沉积层厚度为0 5 m m 时，沉积层表面温度计算结 果见图2 3 ，油温1 9 、壁温1 7 ，流速0 2 m s 。 p 蜊 赠 旧 粥 嗵 群 嫣 y = 0 1 4 6 1 x 20 5 3 3 1 x + 1 7 6 4 8 r 2 - 9 9 8 _ _ 0 0 30 60 9 1 2 1 5 轴向位置，m 图2 - 3 不同轴向位置沉积层表面温度 在试验过程中，由于沉积层厚度不断增加，油流与管壁间的热阻逐渐增大，沉积层 表面温度逐渐升高，计算结果见图2 - 4 。 p 越 赠 目 僻 噬 聚 蛙 00 30 6o 9 1 21 5 轴向位置，m 图2 4 不同沉积厚度时沉积层表面温度 2 6 8 6 4 2 o 8 竭 第二章蜡沉积规律的研究 ( 2 3 ) 测试段平均油温 当原油与管壁存在温差时，由温度分布计算结果可知测试段油温沿轴向、径向不同， 存在温度梯度，可以计算出沿轴向不同截面的平均油温。 0 30 60 91 2 轴向位置，m 图2 5 不同沉积厚度时不同轴向位置测试段平均油温 图2 - 5 表明测试段内平均油温沿轴向逐渐降低，当流速为0 2 m s 、油温1 9 、壁温 1 7 时，测试段出口平均油温比入口低约0 3 ，但由于测试段仅为1 5 米，而且对测试 段沉积规律进行分析时只能将其中各参数平均处理，因此，将测试段各断面平均油温进 行代数平均，取平均值作为测试段平均油温。随沉积层不断增厚，测试段平均油温逐渐 升高，但幅度很小，当沉积层厚度为0 5 r a m 时，测试段平均油温仅升高0 0 4 。c 。因此， 在分析沉积过程中各因素对蜡沉积的影响时不考虑测试段原油平均粘度等参数的变化。 ( 2 4 ) 测试段管壁处温度梯度 当测试段存在油壁温差时，管内油温沿轴向逐渐降低，管壁处径向温度梯度沿轴向 也发生变化。不同油壁温差时管壁处径向温度梯度沿轴向变化见图2 - 6 。 重 p 越 爨 蜊 赠 剖 拙 oo 30 60 91 21 5 轴向位置，1 1 1 图2 - 6 不同油壁温差时测试段管壁处径向温度梯度 晒 鲫 ；2 加 坶 坶 博 埔 堪 博 墉 埔 p 越赠霹 两安石油大学硕士学位论文 图2 - 6 表明，在测试段入口附近管壁处径向温度梯度沿轴向迅速减小，距入口越远 径向温度梯度竺变化越小。理论上讲，对于测试段进1 2 处，由于油温陡然降低，管壁 咖 处温度梯度应无限大。因在数值计算过程中采取了近似，计算的结果不是无限大。 2 3 不同温度青海原油析出的蜡量 要研究原油中蜡的沉积规律，首先必须知道在实验温度范围内析出的蜡量。目前关 于蜡析出的热力学模型很多，但这些模型大多比较复杂，且用来计算原油中蜡析出量时 精度不高。在考虑原油中蜡析出特点的基础上，结合原油的d s c 曲线，提出了一种较简 便的方法，其结果与常规方法测量的蜡含量较一致。 根据差示扫描量热仪的工作原理，通过测量输入到试样和参比样之间的能量随温度 变化的函数关系，选择在整个温控过程中无相变、热焓小的空气作为参比样，与试样同 放在d s c 池中。在程序降温区域内，由于原油析蜡放出一定的热量，造成试样温度高于 参比样，其间温差丁由零转为非零。为使丁继续为零，并保证试样、参比样与程控温度 等同，仪器自动调节供给试样和参比样的热流量，同时将该热流量的差值对温度做热谱 图。在热谱图中可看到，由于相变热的产生和增加，样品热流曲线逐渐偏离参比基线而 形成热流峰；随着析蜡逐渐减少至结束，相变热与温差均相应减少，并最终至零，二曲 线又重合。曲线偏离基线的点对应的温度就是油样的析蜡点，曲线峰值对应于析蜡高峰 点。对热流曲线和基线包围的面积积分，可计算平均析蜡潜热，如果知道蜡的平均结晶 热，就可以算出试样的含蜡量。 据f r e u n d 介绍，石蜡中的正构烷烃的平均熔化热为1 6 7 6 j g ，固相有两种晶型的烃类 在0 【1 3 相变时的热效应约为8 3 8 j g 。由于原油中石蜡含有许多烃类组份，故其转晶和结晶 都在一个很宽的温度范围中进行，而且这些温度范围还会相互重叠。因此，要分别测定 熔化热和转晶热是困难的。根据以上介绍，正构烷烃从液相到较低温度下的稳定固相的 总热效应为2 3 0 5 _ 2 5 1 4 j g ，在用d s c 曲线测量原油析蜡潜热时，温度达到2 0 。c 的低温， 可认为所有蜡晶都达到了稳定固相。假设分子量不同的蜡结晶放出的热量相同，取总热 效应为2 3 0 5 j g ，通过原油的d s c 曲线就可以算出不同温度段蜡的含量。 在计算过程中，纵坐标热流( w g ) 与横坐标温度( ) 的乘积并不是析蜡潜热( j g ) ， 注意到试样在降温过程中，是按定的降温速率( 。c m i n ) 进行的，要把求得的面积除 以降温速率，才得到析蜡潜热。