CN110927199B - 一种原油换热器高温结垢室内实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种原油换热器高温结垢室内实验装置，属于油气储运工程技术领域。包括高温介质循环系统、结垢模拟系统、冷却系统和数据测量与处理系统；高温介质循环系统中的高温介质在结垢管内部循环，结垢管浸在原油中，同时通过冷却系统调节原油的温度，模拟实际的环境；通过在预定的部位设置测温装置，将测得的温度数据发送至处理器进行处理，观察随着加热时间的延长，高温介质传热性质的变化、测定结垢速率，从而判断一种原油在特定工况下的结垢趋势、结垢快慢以及影响因素，为研究提供理论基础，为实际的生产运行提供参考，必要时可以有针对性的采取相应的措施，降低或防止原油换热器结垢发生，保证换热器安全、高效运行。

Description

一种原油换热器高温结垢室内实验装置

技术领域

本发明属于油气储运工程技术领域，具体涉及一种原油换热器高温结垢室内实验装置。

背景技术

污垢，是指不洁净流体与传热表面接触时，固态物质逐渐积聚在传热表面，形成的污垢层。对于原油换热器中结垢而言，污垢是原油在换热器内的高金属表面温度作用下产生的化学反应和物理变化的综合结果。换热器结垢会带来如下不利影响：(1)增大热阻，削弱传热，增加能耗；(2)污垢减小管输能力，减少产量；(3)流体阻力增加，动力能耗增大；(4)需要频繁停车清洗，使生产不能继续；(5)损坏输送设备，减少使用寿命，迫使设备更新；(6)产生加热管局部过热或超高温，引起局部腐蚀甚至穿孔。因此，有必要对原油换热器结垢进行室内模拟，测定结垢速率。

目前国外测定原油结垢热阻和结垢速率的很多，根据测定机理的差异，可以分为回路式实验装置和搅拌式实验装置。回路式原油结垢实验装置通常包括三个主要部分：储料槽、齿轮泵和原油高温结垢测试部分。此类装置是用泵作输送动力，带动原油在储料槽和结垢测试部分之间的管路内一次性直流或者循环流动。储料槽外壁或者内部配置加热和冷却降温装置，用以控制原油的主体温度。结垢的测试部分是一个中空的传热测试管，传热测试管内置一个圆柱形的加热体，加热体靠内部的热阻元件产生热量，靠外部的不锈钢表面传递热量。在加热体和测试管之间形成环状间隙，测试的原油流过环形间隙，与加热体发生热传递并在其不锈钢表面发生反应结垢，加热体内嵌热电偶对传热过程的温度进行测量。搅拌式原油结垢实验装置的主体部分是一个外置电加热夹套的反应釜，釜内部冷却盘管紧贴釜壁，两者与温控装置连接可以快速调节釜内原油的总体温度。釜底部有一个同轴心的圆柱形金属结垢探头。探头内置加热元件，外接电源产生热量。釜内的原油与探头金属表面发生热传递并在金属表面发生反应生成污垢物质。釜盖下方悬置一个与釜同轴心的类似倒置杯型的搅拌器，带动原油在结垢探头的金属表面旋转流动。两处热电偶分别测定金属表面温度和原油总体温度。

但是，不论是回路式还是搅拌式实验装置，都采用电加热管加热的方式。而大多数油田现场采用的是冷/热原油、原油/热媒油换热方式，随着加热时间的延长，热媒油的性质会发生一定变化，因此电加热管加热的方式对现场缺乏代表性和说服力。同时，回路式结垢实验装置对泵和各种测量仪器的要求比较高，价格昂贵，线路比较复杂不易操作和清洗，并且实验过程需要大量的原油；搅拌式结垢装置内部构造比较复杂，对加工制造工艺的要求较高，不易维修。而且一旦反应釜成型，拆卸、运输、组装方便。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种原油换热器高温结垢室内实验装置，结构简单，易于制造加工，能够很好的模拟实际的结垢环境，为后续研究提供理论基础。

本发明通过以下技术方案来实现：

本发明公开了一种原油换热器高温结垢室内实验装置，包括高温介质循环系统、结垢模拟系统、冷却系统和数据测量与处理系统；

结垢模拟系统包括内层容器、外层容器和结垢管；内层容器套接在外层容器内部，内层容器与外层容器为密闭容器，内层容器与外层容器之间形成密闭的冷却介质腔室；结垢管套接在内层容器内部，内层容器内部设有搅拌器，搅拌器与外部动力源连接；

高温介质循环系统包括高温循环器和高温介质循环管路，高温介质循环管路与高温循环器和结垢管的进、出口连接，形成高温介质循环回路；

冷却系统包括低温恒温槽和冷却介质循环管路，冷却介质循环管路与低温恒温槽和外层容器的进、出口连接，形成冷却介质循环回路；

数据测量与处理系统包括处理器和若干测温装置，测温装置与处理器连接，若干测温装置根据实验需要设置在原油换热器高温结垢室内实验装置的预定位置。

优选地，内层容器和外层容器同心设置。

优选地，搅拌器的数量为1，搅拌器设在内层容器的中心线上。

优选地，搅拌器的数量为2，2个搅拌器沿内层容器的中心线对称分布。

优选地，测温装置包括设在结垢管进口处的第一测温热电偶、设在结垢管出口处的第二测温热电偶、设在结垢管外壁的第三测温热电偶和用于检测原油温度的原油测温热电偶。

优选地，内层容器的上部凸出外层容器的上平面；内层容器上部设有端盖，端盖与内层容器本体螺纹连接，在连接处设有密封圈。

进一步优选地，端盖上设有第一测温盲孔，第一测温盲孔伸入内层容器中，结垢管进口处设有第二测温盲孔，结垢管出口处设有第三测温盲孔。

优选地，高温介质循环管路和冷却介质循环管路上设有若干控制阀，高温介质循环管路上设有流量计。

优选地，外层容器、高温介质循环管路和冷却介质循环管路的外壁均设有保温层。

优选地，内层容器和外层容器为圆筒形，内层容器和外层容器的下端为半球形。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开的一种原油换热器高温结垢室内实验装置，包括高温介质循环系统、结垢模拟系统、冷却系统和数据测量与处理系统；高温介质循环系统中的高温介质在结垢管内部循环，结垢管浸在原油中，同时通过冷却系统调节原油的温度，模拟实际的环境；通过在预定的部位设置测温装置，将测得的温度数据发送至处理器进行处理，观察随着加热时间的延长，高温介质传热性质的变化、测定结垢速率，从而判断一种原油在特定工况下的结垢趋势、结垢快慢以及影响因素，为研究提供理论基础，为实际的生产运行提供参考，必要时可以有针对性的采取相应的措施，降低或防止原油换热器结垢发生，保证换热器安全、高效运行。

进一步地，内层容器和外层容器同心设置，使两者之间的冷却液腔室各处空间均匀，便于原油的均匀分布。

进一步地，搅拌器设在内层容器的中心线上，能够使搅拌器能够均匀作用于整个内层容器中，使其中的原油能够分布均匀，提高数据的准确性。

进一步地，当内层容器的容积较大时，只有一个搅拌器的话，在达到额定转速后内层容器内会逐渐形成稳定的流场，受内层容器尺寸、搅拌器形状的制约，内层容器内必然存在流场作用不到的盲区，会影响测定数据的准确性。而设置两个搅拌器，在转动时两个搅拌器之间存在大量的不规则运动、互相混掺、轨迹曲折混乱的质点，从而影响到整个内层容器的内部区域，能够提高原油分布的均匀性，提高数据的准确性。而继续增加搅拌器，不仅会增加工艺的复杂性，也会增加制造成本，占用内层容器中的大量空间。

进一步地，在内层容器的上部凸出部位采用螺纹连接的端盖，方便安装拆卸其它零部件，并对内层容器内部进行清理和维护。

进一步地，通过在端盖上设置第一测温盲孔，在结垢管进口和出口分别设置第二测温盲孔和第三测温盲孔，能够便于测温装置的安装、拆卸和日常维护。

进一步地，外层容器、高温介质循环管路和冷却介质循环管路的外壁均设有保温层，能够减少热量损失，便于控制，同时减少能源消耗。

进一步地，内层容器和外层容器为圆筒形，内层容器和外层容器的下端为半球形，该结构受力好，内部无死角，其中的物质能够均匀分布。

附图说明

图1为本发明的原油换热器高温结垢室内实验装置的整体结构示意图；

图2为本发明的一种结垢管的结构示意图；

图3为本发明的另一种结垢管的结构示意图。

图中：1-1-高温循环器，1-2-高温介质循环管路，1-3-流量计；2-1-内层容器，2-2-外层容器，2-3-结垢管，2-4-搅拌器，2-5-端盖，2-6-第一测温盲孔，2-7-第二测温盲孔，2-8-第三测温盲孔；3-1-低温恒温槽，3-2-冷却介质循环管路；4-1-处理器，4-2-1-第一测温热电偶，4-2-2-第二测温热电偶，4-2-3-第三测温热电偶，4-2-4-原油测温热电偶。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述，其内容是对本发明的解释而不是限定：

如图1，为本发明的原油换热器高温结垢室内实验装置，包括高温介质循环系统、结垢模拟系统、冷却系统和数据测量与处理系统；

结垢模拟系统包括内层容器2-1、外层容器2-2和结垢管2-3；内层容器2-1套接在外层容器2-2内部，优选地，内层容器2-1和外层容器2-2采用金属材质且同心设置。优选地，内层容器2-1和外层容器2-2为圆筒形，内层容器2-1和外层容器2-2的下端为半球形。内层容器2-1与外层容器2-2为密闭容器，内层容器2-1与外层容器2-2之间形成密闭的冷却液腔室；结垢管2-3套接在内层容器2-1内部，内层容器2-1内部设有搅拌器2-4，搅拌器2-4与外部动力源连接；在本发明的一个实施例中，设置1个搅拌器2-4，搅拌器2-4设在内层容器2-1的中心线上。在本发明的另一个实施例中，当内层容器2-1容积较大时，设置2个搅拌器2-4，2个搅拌器2-4沿内层容器2-1的中心线对称分布。

内层容器2-1的上部凸出外层容器2-2的上平面；内层容器2-1上部设有端盖2-5，端盖2-5与内层容器2-1本体螺纹连接，在连接处设有密封圈。端盖2-5上设有第一测温盲孔2-6，第一测温盲孔2-6伸入内层容器2-1中，结垢管2-3进口处设有第二测温盲孔2-7，结垢管2-3出口处设有第三测温盲孔2-8。

高温介质循环系统包括高温循环器1-1和高温介质循环管路1-2，高温介质循环管路1-2与高温循环器1-1和结垢管2-3的进、出口连接，形成高温介质循环回路；高温介质循环管路1-2的进、出管路上均设有控制阀，高温介质循环管路1-2出口端还设有流量计1-3。

冷却系统包括低温恒温槽3-1和冷却介质循环管路3-2，冷却介质循环管路3-2与低温恒温槽3-1和外层容器2-2的进、出口连接，形成冷却介质循环回路；冷却介质循环管路3-2上设有若干控制阀。

优选地，外层容器2-2、高温介质循环管路1-2和冷却介质循环管路3-2的外壁均设有保温层。

数据测量与处理系统包括处理器4-1和若干测温装置，测温装置与处理器4-1连接，处理器4-1采用有存储、数据处理功能的计算机即可。若干测温装置根据实验需要设置在原油换热器高温结垢室内实验装置的预定位置，具体地，测温装置包括设在第二测温盲孔2-7内的第一测温热电偶4-2-1、设在第三测温盲孔2-8内的第二测温热电偶4-2-2、设在结垢管2-3外壁的第三测温热电偶4-2-3和设在第一测温盲孔2-6内用于检测原油温度的原油测温热电偶4-2-4。

现有的换热器中，结垢管2-3按形状不同分为直结垢管和“U”型结垢管，分别如图2、图3，结垢管2-3是发生传热和结垢的部件，其内部为流动的高温热媒油，外壁与原油接触。结垢管2-3的进出口段各有一个伸入管中的小凹槽即盲孔结构，方便插入热电偶测量进出口的热媒油温度。结垢管2-3的外壁镶嵌有一个热电偶，方便测量传热过程中外壁的温度。

本装置的操作方法：

预热至一定温度的原油加入反应容器的内层容器2-1之中，盖上端盖2-5，开启搅拌器2-4和处理器4-1；加热至指定温度的热媒油从高温循环器1-1流出，经高温介质循环管路1-2流入结垢管2-3，对内层容器2-1内的原油进行加热，然后流回高温循环器1-1中形成回路；冷却液以一定温度和流量自低温恒温槽3-1流入内层容器2-1与外层容器2-2之间的冷却液腔室，控制原油主体温度，后流回低温恒温槽3-1构成循环。热媒油进、出结垢管2-3的温度、结垢管2-3外壁温度以及原油主体温度由4个测温装置测量，并实时传输回处理器4-1进行记录分析。

具体的测定方法为：

高温介质采用热媒油；

(一)热媒油传热性质变化情况的测定方法

已知热媒油初始比热为C₁，质量流量为m，保持热媒油处于一恒定高温。向内层容器2-1中加入一定量的水，设定水初始温度为T’，加热终了温度为T”。第一段时间内，结垢管2-3的热媒油入口温度为T₁，出口温度为T₂，将水加热至指定温度所需时间为t₁.热媒油恒温t时间后，第i段时间内，结垢管2-3的热媒油入口温度为T₁，出口温度为T_2i，将水从T’加热至T”需时间为t_i，此时，热媒油的比热可由下式计算得到:

加热t时间后比热的变化以及变化速率由下式可以得到

(二)原油结垢速率测定方法：

已知热媒油的比热为C，高温循环器1-1控制热媒油质量流量为m，结垢管2-3与原油接触部分面积A，第一测温热电偶4-2-1测得结垢管2-3入口温度为T₁₀，第二测温热电偶4-2-2测得出口温度T₂₀，第三测温热电偶4-2-3测得结垢管2-3外壁温度为T₃₀，原油测温热电偶4-2-4测得原油主体温度为T₄₀。

结垢管2-3上没有生成污垢时，热阻可由下式计算得到：

结垢发生t时间后

所以t时间段内结垢热阻

T段时间内平均结垢速率

需要说明的是，以上所述仅为本发明实施方式的一部分，根据本发明所描述的装置所做的等效变化，均包括在本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种原油换热器高温结垢室内实验装置的工作方法，其特征在于，系统包括高温介质循环系统、结垢模拟系统、冷却系统和数据测量与处理系统；

结垢模拟系统包括内层容器(2-1)、外层容器(2-2)和结垢管(2-3)；内层容器(2-1)套接在外层容器(2-2)内部，内层容器(2-1)与外层容器(2-2)为密闭容器，内层容器(2-1)与外层容器(2-2)之间形成密闭的冷却介质腔室；结垢管(2-3)套接在内层容器(2-1)内部，内层容器(2-1)内部设有搅拌器(2-4)，搅拌器(2-4)与外部动力源连接；搅拌器(2-4)的数量为2，2个搅拌器(2-4)沿内层容器(2-1)的中心线对称分布；

高温介质循环系统包括高温循环器(1-1)和高温介质循环管路(1-2)，高温介质循环管路(1-2)与高温循环器(1-1)和结垢管(2-3)的进、出口连接，形成高温介质循环回路；

冷却系统包括低温恒温槽(3-1)和冷却介质循环管路(3-2)，冷却介质循环管路(3-2)与低温恒温槽(3-1)和外层容器(2-2)的进、出口连接，形成冷却介质循环回路；

数据测量与处理系统包括处理器(4-1)和若干测温装置，测温装置与处理器(4-1)连接，若干测温装置根据实验需要设置在原油换热器高温结垢室内实验装置的预定位置；

测温装置包括设在结垢管(2-3)进口处的第一测温热电偶(4-2-1)、设在结垢管(2-3)出口处的第二测温热电偶(4-2-2)、设在结垢管(2-3)外壁的第三测温热电偶(4-2-3)和用于检测原油温度的原油测温热电偶(4-2-4)；

工作方法包括：

预热至一定温度的原油加入内层容器(2-1)中，开启搅拌器(2-4)和处理器(4-1)；加热至指定温度的热媒油从高温循环器(1-1)流出，经高温介质循环管路(1-2)流入结垢管(2-3)，对内层容器(2-1)内的原油进行加热，然后流回高温循环器(1-1)中形成回路；冷却液以一定温度和流量自低温恒温槽(3-1)流入内层容器(2-1)与外层容器(2-2)之间的冷却液腔室，控制原油主体温度，后流回低温恒温槽(3-1)构成循环；热媒油进、出结垢管(2-3)的温度、结垢管(2-3)外壁温度以及原油主体温度由测温装置测量，并实时传输回处理器(4-1)进行记录分析；

具体的测定方法包括：

热媒油传热性质变化情况的测定方法：

热媒油初始比热为C₁，质量流量为m，保持热媒油处于一恒定高温；向内层容器(2-1)中加入一定量的水，设定水初始温度为T’，加热终了温度为T”；第一段时间内，结垢管(2-3)的热媒油入口温度为T₁，出口温度为T₂，将水加热至指定温度所需时间为t₁；热媒油恒温t时间后，第i段时间内，结垢管(2-3)的热媒油入口温度为T₁，出口温度为T_2i，将水从T’加热至T”需时间为t_i，此时，热媒油的比热可由下式计算得到：

加热t时间后比热的变化以及变化速率由下式得到：

原油结垢速率测定方法：

已知热媒油的比热为C，高温循环器(1-1)控制热媒油质量流量为m，结垢管(2-3)与原油接触部分面积A，第一测温热电偶(4-2-1)测得结垢管(2-3)入口温度为T₁₀，第二测温热电偶(4-2-2)测得出口温度T₂₀，第三测温热电偶(4-2-3)测得结垢管(2-3)外壁温度为T₃₀，原油测温热电偶(4-2-4)测得原油主体温度为T₄₀；

结垢管(2-3)上没有生成污垢时，热阻可由下式计算得到：

结垢发生t时间后：

t时间段内结垢热阻：

T段时间内平均结垢速率：

2.根据权利要求1所述的原油换热器高温结垢室内实验装置的工作方法，其特征在于，内层容器(2-1)和外层容器(2-2)同心设置。

3.根据权利要求1所述的原油换热器高温结垢室内实验装置的工作方法，其特征在于，内层容器(2-1)的上部凸出外层容器(2-2)的上平面；内层容器(2-1)上部设有端盖(2-5)，端盖(2-5)与内层容器(2-1)本体螺纹连接，在连接处设有密封圈。

4.根据权利要求3所述的原油换热器高温结垢室内实验装置的工作方法，其特征在于，端盖(2-5)上设有第一测温盲孔(2-6)，第一测温盲孔(2-6)伸入内层容器(2-1)中，结垢管(2-3)进口处设有第二测温盲孔(2-7)，结垢管(2-3)出口处设有第三测温盲孔(2-8)。

5.根据权利要求1所述的原油换热器高温结垢室内实验装置的工作方法，其特征在于，高温介质循环管路(1-2)和冷却介质循环管路(3-2)上设有若干控制阀，高温介质循环管路(1-2)上设有流量计(1-3)。

6.根据权利要求1所述的原油换热器高温结垢室内实验装置的工作方法，其特征在于，外层容器(2-2)、高温介质循环管路(1-2)和冷却介质循环管路(3-2)的外壁均设有保温层。

7.根据权利要求1所述的原油换热器高温结垢室内实验装置的工作方法，其特征在于，内层容器(2-1)和外层容器(2-2)为圆筒形，内层容器(2-1)和外层容器(2-2)的下端为半球形。

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