加熱爐火管高壓水射流清防垢管路噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)的數(shù)值模擬

劉 鵬，王 力

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加熱爐火管高壓水射流清防垢管路噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)的數(shù)值模擬

劉 鵬，王 力

（東北石油大學(xué)， 黑龍江 大慶 163318）

加熱爐火管；射流清垢；噴嘴結(jié)構(gòu)；數(shù)值模擬

油田加熱爐是油氣集輸過程必不可少的換熱設(shè)備，在加熱爐加熱的介質(zhì)中含有泥沙、懸浮固體等雜質(zhì)，易沉積、粘附在火管頂面。經(jīng)過長時(shí)間的高溫加熱后，雜質(zhì)逐漸在火管頂面形成垢。垢的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)低于鋼鐵，這樣就相當(dāng)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(shí)熱量不能及時(shí)傳導(dǎo)給爐內(nèi)介質(zhì)，使得火管頂面局部溫度升高，長時(shí)間局部過熱的部位就會(huì)出現(xiàn)鼓包、甚至穿孔，給加熱爐的安全運(yùn)行帶來了極大的隱患。目前油田主要采用加化學(xué)藥劑的方法降低結(jié)垢速度，但清垢時(shí)需關(guān)停加熱爐，運(yùn)行成本高，同時(shí)清垢效果并不好。通過對現(xiàn)場實(shí)際情況的調(diào)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(zhì)量好和成本低的特點(diǎn)，因此采用高壓水力射流技術(shù)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(shù)示意圖

1 建模及邊界條件

通過現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，加熱爐火管在外表面頂部結(jié)垢，而且火管外表面結(jié)垢分布不均勻。由于軟件仿真模擬受制于有限的計(jì)算機(jī)資源和計(jì)算方法，不能使模型的條件完全和現(xiàn)實(shí)中相同，因此以結(jié)果的準(zhǔn)確性為前提，對模型進(jìn)行合理的簡化，取一個(gè)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(yùn)用Gambit建立三維模型，如圖3所示。

圖3 幾何建模及網(wǎng)格劃分

設(shè)定流量一致，噴嘴入口選擇速度入口，模擬設(shè)置6 mm、8 mm、10 mm三種噴嘴內(nèi)徑的流速為計(jì)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(rèn)即可；液體設(shè)置為水，初始默認(rèn)模型內(nèi)充滿水。壓力速度耦合方式選擇SIMPLE，壓力與動(dòng)量的離散格式和湍動(dòng)能及湍動(dòng)能耗散率默認(rèn)即可。

2 數(shù)值模擬結(jié)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(jìn)入加熱爐后流速突降，夾帶垢質(zhì)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(zhì)中的稠油稀釋溶解，溶液中新形成的垢質(zhì)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(jié)合強(qiáng)度較高，清除困難。因此，應(yīng)在滿足一定清洗壓力條件下，增大清洗覆蓋面積，防止雜質(zhì)在火管表面的沉積，在軟垢轉(zhuǎn)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(nèi)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(nèi)徑的減小而增大。當(dāng)=10 mm時(shí)，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(shí)射流打擊表面壓力較低。當(dāng)=8 mm時(shí)射流反彈對速度影響較小，且具備一定的清洗壓力，6 mm時(shí)的火管外表面壓力和速度明顯高于8 mm時(shí)，同時(shí)較高的速度使水的擾動(dòng)更加劇烈，增強(qiáng)了清洗效果。但在生產(chǎn)實(shí)際過程中，口徑過小的噴嘴較易堵塞，結(jié)合模擬結(jié)果，射流管路噴嘴選取=8 mm。

圖5 速度（H =25 mm、= 90°）

圖6 壓力（=90°、D =8mm）

圖7 速度（=90°、D =8mm）

圖8 壓力（H =25mm、D =8mm）

圖9 速度（H =25mm、D =8mm）

4 結(jié)束語

［1］張作龍,梁忠民,高學(xué)仕.軸對稱淹沒水射流流場的數(shù)值模擬[J].石油機(jī)械, 2000,28(8):1-3.

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Numerical Simulation of Structural Parameters of Nozzle for High Pressure Water Jet Cleaning and Scale Prevention

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（Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318, China）

heating furnace fire tube; jet cleaning; nozzle structure; numerical simulation

2016-02-14

劉鵬（1994-），男，黑龍江省大慶市人，2016年東北石油大學(xué)油氣儲運(yùn)工程專業(yè)，研究方向：復(fù)雜流體力學(xué)。

TE 85

A

1004-0935（2017）03-0226-03