加热炉火管高压水射流清防垢管路喷嘴结构参数的数值模拟

2017-03-21刘鹏，王力

辽宁化工 2017年3期

关键词：水射流炉火加热炉

刘鹏，王力

刘鹏，王力

（东北石油大学，黑龙江大庆 163318）

加热炉火管；射流清垢；喷嘴结构；数值模拟

油田加热炉是油气集输过程必不可少的换热设备，在加热炉加热的介质中含有泥沙、悬浮固体等杂质，易沉积、粘附在火管顶面。经过长时间的高温加热后，杂质逐渐在火管顶面形成垢。垢的导热系数远低于钢铁，这样就相当于在加热炉火管外部套了一层绝热管线，这些污垢紧紧贴在火管表面，使火管表面的传热效率大幅度下降。同时热量不能及时传导给炉内介质，使得火管顶面局部温度升高，长时间局部过热的部位就会出现鼓包、甚至穿孔，给加热炉的安全运行带来了极大的隐患。目前油田主要采用加化学药剂的方法降低结垢速度，但清垢时需关停加热炉，运行成本高，同时清垢效果并不好。通过对现场实际情况的调研，可知加热炉火管清垢需满足清洗对火管无损伤，清洗效率高、质量好和成本低的特点，因此采用高压水力射流技术管路（如图1所示）。

图1 射流管路模型示意图

图2 射流管路参数示意图

1 建模及边界条件

通过现场调研发现，加热炉火管在外表面顶部结垢，而且火管外表面结垢分布不均匀。由于软件仿真模拟受制于有限的计算机资源和计算方法，不能使模型的条件完全和现实中相同，因此以结果的准确性为前提，对模型进行合理的简化，取一个喷嘴作为研究对象，且由于火管直径很大，喷嘴很小，所以射流靶面近似看做平面，运用Gambit建立三维模型，如图3所示。

图3 几何建模及网格划分

设定流量一致，喷嘴入口选择速度入口，模拟设置6 mm、8 mm、10 mm三种喷嘴内径的流速为计算值6= 200 m/s、8= 100 m/s、10= 64 m/s；出口选择为边界压力出口；壁面无滑移，默认即可；液体设置为水，初始默认模型内充满水。压力速度耦合方式选择SIMPLE，压力与动量的离散格式和湍动能及湍动能耗散率默认即可。

2 数值模拟结果及分析

加热炉火管表面的垢生成原因主要是油井来的采出液含有一定量的泥沙、铁锈和盐垢，进入加热炉后流速突降，夹带垢质的稠油颗粒沉降到火管表面，形成软垢。在火管表面较高温度加热作用下，垢质中的稠油稀释溶解，溶液中新形成的垢质颗粒填充其孔隙，在逐渐积累过程中，垢层含油逐渐减少，变成致密的硬垢。硬垢结合强度较高，清除困难。因此，应在满足一定清洗压力条件下，增大清洗覆盖面积，防止杂质在火管表面的沉积，在软垢转化成硬垢之前，就将火管表面刚沉积的软垢清除掉。

图4 压力（H =25 mm、= 90°）

由于喷嘴内径对流速的影响，作用在火管外表面的速度和压力均随喷嘴内径的减小而增大。当=10 mm时，由于流速的减小，水射流打击到火管外表面的反弹使射流中心速度明显减小，同时射流打击表面压力较低。当=8 mm时射流反弹对速度影响较小，且具备一定的清洗压力，6 mm时的火管外表面压力和速度明显高于8 mm时，同时较高的速度使水的扰动更加剧烈，增强了清洗效果。但在生产实际过程中，口径过小的喷嘴较易堵塞，结合模拟结果，射流管路喷嘴选取=8 mm。