CN116542025B - 一种全流型的原油换热器流动换热性能预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种全流型的原油换热器流动换热性能预测方法，包括：构建全流型油水两相流预测模型；向全流型油水两相流预测模型输入待测流体的参数，利用油水反相模型判断待测流体的分散相，若待测流体的分散相为水相，则求解基于水滴分布的全耦合群体平衡模型直至结果收敛，得到第一结果并根据第一结果确定待测流体的流型和流动换热相关参数；若待测流体的分散相为油相，则求解基于油滴分布的全耦合群体平衡模型直至结果收敛，得到第二结果并根据第二结果确定待测流体的流型和流动换热相关参数；根据待测流体的流型和流动换热相关参数确定换热器的综合换热因子。本发明解决了无法预测多种流型的流动传热特性的问题。
Description
技术领域
本发明涉及石油化工油水两相流技术领域，特别是涉及一种全流型的原油换热器流动换热性能预测方法。
背景技术
在石油化工领域中，为了预防原油采出液在长距离输运过程因管道散热导致粘度增加、输运阻力过大等问题，原油采出液外输前通常需要经过集输联合站进行脱水、增压、加热降凝降粘处理。集输联合站属于油田生产领域中高能耗部门，换热器作为原油脱水加热及外输加热的重要设备，提高其换热效率是节能降耗的重要环节。目前，换热器内原油采出液与热水的流固耦合换热过程涉及一系列复杂的油水两相流演化机制，换热性能远远低于设计工况。研究表明油水两相流换热器的流动换热性能与油水两相流型密切相关，而原油采出液在开采的不同阶段含水率跨度极大，导致换热器内的流型演化多变，可能涉及油包水分散流、分层流、水包油分散流、混合分散流、混合分层流等一种或多种流型，换热器流动换热性能难预测。
目前，典型的油水两相流数值方法涉及VOF模型、混合物模型、双流体模型等，双流体-群体平衡耦合模型在该领域取得了初步的研究进展，但上述数值方法大部分仅适用于预测油水两相流中单一流型的流动传热特性，未见于对油包水分散流、分层流、水包油分散流、混合分散流、混合分层流等多种流型数值研究，也未见对原油换热器内油水两相流固耦合换热的研究。综上，现有技术存在无法预测多种流型的流动传热特性的问题。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种全流型的原油换热器流动换热性能预测方法，本发明解决了现有技术存在无法预测多种流型的流动传热特性的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种全流型的原油换热器流动换热性能预测方法，包括：
构建全流型油水两相流预测模型，其中，所述全流型油水两相流预测模型包括：油水反相模型、基于油滴分布的全耦合群体平衡模型和基于水滴分布的全耦合群体平衡模型；
向所述全流型油水两相流预测模型输入待测流体的参数，利用所述油水反相模型判断待测流体的分散相，若所述待测流体的分散相为水相，则求解所述基于水滴分布的全耦合群体平衡模型直至结果收敛，得到第一结果并根据所述第一结果确定所述待测流体的流型和流动换热相关参数；若所述待测流体的分散相为油相，则求解所述基于油滴分布的全耦合群体平衡模型直至结果收敛，得到第二结果并根据所述第二结果确定所述待测流体的流型和流动换热相关参数；
根据所述待测流体的流型和所述流动换热相关参数确定换热器的综合换热因子。
优选地，构建全流型油水两相流预测模型包括：
获取换热器中的流固耦合的流动换热单元；
根据所述流动换热单元获取所述换热器的结构参数；
根据所述换热器的结构参数构建物理模型并划分网格；
根据油水反相模型、基于油滴分布的全耦合群体平衡模型和基于水滴分布的全耦合群体平衡模型构建所述全流型油水两相流预测模型。
优选地，所述待测流体的参数包括：
油水两相流速、油水两相相含率、油水两相粘度和油水两相密度。
优选地，所述利用所述油水反相模型判断待测流体的分散相包括：
利用所述反相模型的反相点经验关联式对输入的待测流体的油水两相相含率进行计算，得到反相时的油水两相相含率；
将所述反相时的油水两相相含率与所述输入的待测流体的油水两相相含率进行比较，判断待测流体的分散相。
优选地，所述反相模型包括：
低粘油反相模型、中粘油反相模型和高粘油反相模型。
优选地，所述待测流体的流型包括：
油包水分散流、分层流、水包油分散流、混合分散流、混合分层流、间歇流和环状流。
优选地，所述流动换热相关参数包括：
油水两相相含率分布场、尺寸分布、压力场、压降场和温度场。
优选地，所述根据所述待测流体的流型和所述流动换热相关参数确定换热器的综合换热因子包括：
利用两相相含率分布场以及尺寸分布判断所述待测流体的流型；
基于所述待测流体的流型，利用所述压力场和所述温度场，计算换热器局部努塞尔数，获得换热器局部恶化区域；
根据所述换热器局部恶化区域计算换热器努塞尔数和范宁摩擦因子；
根据所述换热器努塞尔数和范宁摩擦因子计算换热器综合换热因子。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种全流型的原油换热器流动换热性能预测方法，本发明通过将油水反相模型与两类液-液群体平衡模型相结合，测量多种流型对换热器的影响，提升了换热器性能预测的流型适用范围并且提升了预测精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种全流型的原油换热器流动换热性能预测方法第一流程图；
图2为本发明实施例提供的全流型油水两相流预测模型示意图；
图3为本发明实施例提供的一种全流型的原油换热器流动换热性能预测方法的第二流程图；
图4为本发明实施例提供的求解全耦合群体平衡模型得到的相分布图；
图5为本发明实施例提供的沿程局部努塞尔数随局部含油率变化图；
图6为本发明实施例提供的综合换热因子随入口雷诺数的变化图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种全流型的原油换热器流动换热性能预测方法，本发明解决了现有技术存在无法预测多种流型的流动传热特性的问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提供了一种全流型的原油换热器流动换热性能预测方法，包括：
步骤100：构建全流型油水两相流预测模型，其中，所述全流型油水两相流预测模型包括：油水反相模型、基于油滴分布的全耦合群体平衡模型和基于水滴分布的全耦合群体平衡模型，如图2所示。
步骤200：向所述全流型油水两相流预测模型输入待测流体的参数，利用所述油水反相模型判断待测流体的分散相。
步骤201：若所述待测流体的分散相为水相，则求解所述基于水滴分布的全耦合群体平衡模型直至结果收敛，得到第一结果并根据所述第一结果确定所述待测流体的流型和流动换热相关参数；
步骤202：若所述待测流体的分散相为油相，则求解所述基于油滴分布的全耦合群体平衡模型直至结果收敛，得到第二结果并根据所述第二结果确定所述待测流体的流型和流动换热相关参数；
步骤300：根据所述待测流体的流型和所述流动换热相关参数确定换热器的综合换热因子。
如图3所示，本实施例还公开了一种全流型的原油换热器流动换热性能预测方法的详细步骤：
步骤1，从原油换热器中提取流固耦合的流动换热单元；
步骤2，提取换热器结构参数，构建物理模型并划分网格；
步骤3，输入流动参数以及物性参数；
步骤4，采用油水反相点模型判断分散相；
步骤5，当步骤4判断出水为分散相，求解基于水滴分布的全耦合群体平衡模型；反之，则求解基于油滴分布的群体平衡模型；
步骤6，获得换热器中油水两相流的流型以及流动换热特性，计算出换热器的局部和整体努塞尔数，分析局部换热恶化区域并计算综合换热因子。
具体的，构建全流型油水两相流预测模型包括：
获取换热器中的流固耦合的流动换热单元；
根据所述流动换热单元获取所述换热器的结构参数；
根据所述换热器的结构参数构建物理模型并划分网格；
根据油水反相模型、基于油滴分布的全耦合群体平衡模型和基于水滴分布的全耦合群体平衡模型构建所述全流型油水两相流预测模型。
进一步的，所述待测流体的参数包括：
油水两相流速、油水两相相含率、油水两相粘度和油水两相密度。
进一步的，所述利用所述油水反相模型判断待测流体的分散相包括：
利用所述反相模型的反相点经验关联式对输入的待测流体的油水两相相含率进行计算，得到反相时的油水两相相含率；
将所述反相时的油水两相相含率与所述输入的待测流体的油水两相相含率进行比较，判断待测流体的分散相。
具体的，所述反相模型包括：
低粘油反相模型、中粘油反相模型和高粘油反相模型。
其中，(a)低粘油反相模型(μo＜50mPa·s)；
(b)中粘油反相模型(50mPa·s＜μo＜100mPa·s)
(c)高粘油反相模型(100mPa·s＜μo＜300mPa·s)
εw＝ε1+K(ε2-ε1) (8)
300mPa·s＜μo＜5000mPa·s
εw＝0.5-0.11081lgμ0(ρo＞972kg/m3) (10)
其中，在公式1-公式10中，ρo和ρw分别为油相和水相的密度，μo和μw分别为油相和水相的粘度，εw为反相临界含水率，εo为反相临界含油率；C和K为常数，分别取1.05和0.3，ε1为油包水流型临界含水率，ε2为水包油流型临界含水率，(d32)w/o(1)为油包水临界状态下的液滴索特平均直径，(d32)o/w(2)为水包油临界状态下的液滴索特平均直径，kd是取决于流体系统的常数，是一个可调常数，D为管径，Um为混合速度。
具体的，所述待测流体的流型包括：
油包水分散流、分层流、水包油分散流、混合分散流、混合分层流、间歇流和环状流。流型受流速、含水率、物性、温度等各种因素影响，类型多样复杂。
具体的，求解所述基于油滴分布的全耦合群体平衡模型或求解所述基于水滴分布的全耦合群体平衡模型包括以下公式：
基于水滴分布的全耦合群体平衡模型(油为连续相)：
(a)双流体模型
油相连续性方程：
油相动量方程：
油相能量方程：
水相连续性方程：
水相动量方程：
水相能量方程：
其中，在公式11-公式16中：
αo为油相体积分数，αw为水相体积分数；ρo为油相密度，ρw为水相密度；uo为油相速度矢量，uw为水相速度矢量；μe,o为油相有效粘度，μe,w为水相有效粘度；Fo和Fwo分别代表油相和水相所受的相间力；To为油相温度，Tw为水相温度；cp,o为油相定压比热，cp,w为水相定压比热；λo为油相导热系数，λw为水相导热系数；为油相向水相的界面传递能量，g为重力加速度，fi代表第i组液滴的百分数，/>代表压力，/>代表水滴聚并和破裂引起的水相附加质量源项。
连续相(油相)方程中有效粘度μe,o由油相湍流粘度μT,o及水相诱导粘度μBI,w两部分构成：
μe,o＝μT,o+μBI,w (17)
(b)均相k-ε湍流模型：
k-ε模型中剪切诱发湍流粘性系数由湍动能、湍流耗散率表示：
其中，公式18中：
为剪切诱发湍流粘性系数，ρo为油相密度，ko为油相湍动能，εo为油相湍流耗散率，Cμ为湍流模型常数；
湍动能k和湍流耗散率ε方程如下：
其中，Gk为平均速度梯度引起的湍流动能，YM为可压缩湍流中脉动体胀率对整个耗散率的贡献，Gw为水滴诱发湍动能，τbit表示湍流涡耗散特征时间，Cε1、Cε2、Cε3表示k-ε湍流模型常数，σk和σε分别代表k和ε的湍流Prandtl数。
基于油滴分布的全耦合群体平衡模型(水为连续相)：
(a)双流体模型
水相连续性方程：
水相动量方程：
水相能量方程：
油相连续性方程：
油相动量方程：
油相能量方程：
式中，αo为油相体积分数，αw为水相体积分数；ρo为油相密度，ρw为水相密度；uo为油相速度矢量，uw为水相速度矢量；μe,o为油相有效粘度，μe,w为水相有效粘度；Fw和Fow分别代表油相和水相所受的相间力；To为油相温度，Tw为水相温度；cp,o为油相定压比热，cp,w为水相定压比热；λo为油相导热系数，λw为水相导热系数；为油相向水相的界面传递能量，g为重力加速度，fi代表第i组液滴的百分数，▽P代表压力，/>代表油滴聚并和破裂引起的油相附加质量源项。
连续相(水相)方程中有效粘度μe,w由水相湍流黏度μT,w及油相诱导粘度μBI,o两部分构成：
μe,w＝μT,w+μBI,o (27)
(b)均相k-ε湍流模型：
k-ε模型中剪切诱发湍流粘性系数由湍动能、湍流耗散率表示：
其中，为水相受剪切诱发湍流粘性系数，ρw为水相密度，kw为水相湍动能，εw为水相湍流耗散率，Cμ为湍流模型常数；
湍动能k和湍流耗散率ε方程如下：
其中，Gk为平均速度梯度引起的湍流动能，YM为可压缩湍流中脉动体胀率对整个耗散率的贡献，Go为油滴诱发湍动能，τbit表示湍流涡耗散特征时间，Cε1、Cε2、Cε3表示k-ε湍流模型常数，σk和σε分别代表k和ε的湍流Prandtl数。
具体的，所述流动换热相关参数包括：
油水两相相含率分布场、尺寸分布、压力场、压降场和温度场。
具体的，所述根据所述待测流体的流型和所述流动换热相关参数确定换热器的综合换热因子包括：
利用两相相含率分布场以及尺寸分布判断所述待测流体的流型；图4即为结果输出的流型图。
基于所述待测流体的流型，利用所述压力场和所述温度场，计算换热器局部努塞尔数，获得换热器局部恶化区域(见图5)；具体包括以下公式：
式中，Dh为流动单元的水力直径，λxm为油水两相流的截面平均导热系数，δ为流体域近壁面第一层网格的一半高度，λp为流体域近壁面第一层网格内两相导热系数，TP为近壁面第一层网格内流体温度，Tn为局部壁面温度，Tf为中心流体温度。
根据所述换热器局部恶化区域计算换热器努塞尔数和范宁摩擦因子；具体包括以下公式：
(a)努塞尔数Nu
式中，为热流道质量流量，Cp为加热工质的比热容，Tin和Tout为热流道进出口温度，/>为油水两相流的体积平均导热系数，Aw为换热面面积，/>为油水两相流的平均温度，为换热壁面平均温度。
(b)范宁摩擦因子f
式中，Δp为流动单元的压降，L为流动单元长度，为油水两相平均密度，um为油水两相混合流速。
根据所述换热器努塞尔数和范宁摩擦因子计算换热器综合换热因子PEF(见图6)
PEF＝(Nu/Nu0)/(f/f0)1/3 (37)。
式中，Nu0和f0为基准工况的努塞尔数与范宁摩擦因子，该发明中的基准工况为所研究工况下的纯水单相流。
本发明的有益效果如下：
相较于现有的油水两相流换热器数值技术，本发明选取基于粘度类型的油水反相点经验关联式界定分散相类型，联合基于水滴分布的全耦合群体平衡模型和基于油滴分布的全耦合群体平衡模型，构建一种全流型的原油换热器流动换热性能预测方法，该方法适用流型范围更广。
本发明构建的全流型的原油换热器流动换热性能预测方法，可实现对不同温度、压力、流速、含水率和原油粘度下原油换热器内各流型的局部及整体传热性能的预测，并且预测精度优于传统的双流体模型。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种全流型的原油换热器流动换热性能预测方法，其特征在于，包括：
构建全流型油水两相流预测模型，其中，所述全流型油水两相流预测模型包括：油水反相模型、基于油滴分布的全耦合群体平衡模型和基于水滴分布的全耦合群体平衡模型；
向所述全流型油水两相流预测模型输入待测流体的参数，利用所述油水反相模型判断待测流体的分散相，若所述待测流体的分散相为水相，则求解所述基于水滴分布的全耦合群体平衡模型直至结果收敛，得到第一结果并根据所述第一结果确定所述待测流体的流型和流动换热相关参数；若所述待测流体的分散相为油相，则求解所述基于油滴分布的全耦合群体平衡模型直至结果收敛，得到第二结果并根据所述第二结果确定所述待测流体的流型和流动换热相关参数；
根据所述待测流体的流型和所述流动换热相关参数确定换热器的综合换热因子。
2.根据权利要求1所述的一种全流型的原油换热器流动换热性能预测方法，其特征在于，构建全流型油水两相流预测模型包括：
获取换热器中的流固耦合的流动换热单元；
根据所述流动换热单元获取所述换热器的结构参数；
根据所述换热器的结构参数构建物理模型并划分网格；
根据油水反相模型、基于油滴分布的全耦合群体平衡模型和基于水滴分布的全耦合群体平衡模型构建所述全流型油水两相流预测模型。
3.根据权利要求1所述的一种全流型的原油换热器流动换热性能预测方法，其特征在于，所述待测流体的参数包括：
油水两相流速、油水两相相含率、油水两相粘度和油水两相密度。
4.根据权利要求1所述的一种全流型的原油换热器流动换热性能预测方法，其特征在于，所述利用所述油水反相模型判断待测流体的分散相包括：
利用所述反相模型的反相点经验关联式对输入的待测流体的油水两相相含率进行计算，得到反相时的油水两相相含率；
将所述反相时的油水两相相含率与所述输入的待测流体的油水两相相含率进行比较，判断待测流体的分散相。
5.根据权利要求1所述的一种全流型的原油换热器流动换热性能预测方法，其特征在于，所述反相模型包括：
低粘油反相模型、中粘油反相模型和高粘油反相模型。
6.根据权利要求1所述的一种全流型的原油换热器流动换热性能预测方法，其特征在于，所述待测流体的流型包括：
油包水分散流、分层流、水包油分散流、混合分散流、混合分层流、间歇流和环状流。
7.根据权利要求1所述的一种全流型的原油换热器流动换热性能预测方法，其特征在于，所述流动换热相关参数包括：
油水两相相含率分布场、尺寸分布、压力场、压降场和温度场。
8.根据权利要求7所述的一种全流型的原油换热器流动换热性能预测方法，其特征在于，所述根据所述待测流体的流型和所述流动换热相关参数确定换热器的综合换热因子包括：
利用两相相含率分布场以及尺寸分布判断所述待测流体的流型；
基于所述待测流体的流型，利用所述压力场和所述温度场，计算换热器局部努塞尔数，获得换热器局部恶化区域；
根据所述换热器局部恶化区域计算换热器努塞尔数和范宁摩擦因子；
根据所述换热器努塞尔数和范宁摩擦因子计算换热器综合换热因子。
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2023
- 2023-04-17 CN CN202310408100.7A patent/CN116542025B/zh active Active
Patent Citations (5)
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 许道振 ; 张国忠 ; 赵仕浩 ; .水平管油水两相流研究进展.油气储运.2011,(第09期),5+13-17+30. * |
Also Published As
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|---|---|
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