水平管内油气两相混合物的传热计算
2014-04-11王仲辉银建中韩冬艳胡大鹏
王仲辉 银建中 韩冬艳 胡大鹏
（大连理工大学化工机械学院）
0 引言
随着石油资源的日益紧缺，海上油气田及沙漠边远地区的油气田勘探开发已经成为油气开发的主要部分。在这些油气开采中，往往会涉及到油气两相的输送及其相关问题。在油气两相集输中，若采用油气分输技术，尽管工艺可靠成熟，但会带来设备繁多、前期投资较高以及运营费用增加等问题。因此从经济性上考虑，合理可靠的两相混输技术通常要优于用两条管线分别输送原油和天然气的分输技术。另外，在某些开采环境下，其自然条件也不便于安装油气分离和初加工设备。例如，在深海油气田开采中，其井口平台就不适于进行油气处理，需要将油井采出物输送到浮式储油轮 (FPSO)中进行分离、脱水处理；在边远地区的地面油气田中,考虑到人员安全等问题，亦不适于在现场进行油气处理，必须采用混输管路将油田所产的油气集中输送至某一平台或联合站上进行加工处理。为了降低在混输过程中的管线压降以及提高油气分离设备的效率，通常要对采出的油气两相混合物进行加热处理，提高温度以降低黏度。该加热升温的过程通常在加热炉或者管壳式换热器中进行，而这必然要涉及到油气两相传热计算的问题。
油气两相混合物的流动和传热机制十分复杂，其原因[1]有如下几个方面：(1)两相之间存在质量和能量的交换；(2)多相管流中流态的多样性和难确定性；(3)气液界面的不稳定性； (4)两相管流中流动参数的难测性。目前，国内外的科研院所对这一问题进行了广泛研究。胡志华[2]等对垂直上升管内的多相流横掠流动与传热特性进行了研究，并且建立了相应的换热预测模型。黄兴华[3]等对气液两相混合在换热器壳侧的传热进行了实验并得出了适用的换热准则。Kim[4]等对垂直上升管和水平管内气液两相流动与对流传热做了大量研究工作，为后续的研究提供了一定参考。
在解决这种油气两相混合流动问题时，常作一些使问题简化的假设，一般采用以下三种处理方法：(1)将油气两相混合物看成一种均匀介质，因此可以把油气两相流动当作单相流动来处理；(2)把管线内油气两相的流动看作是油气各相分别的流动进行计算，之后利用合适的混合规则综合考虑；(3)建立流型判断的模型，根据不同流型的特点，分析其流动特性，建立不同的关系式。本文将对上述三种常用处理方法所得的油气两相传热模型进行介绍分析，同时也用Aspen模拟软件中的相关处理模块计算水平管内的油气两相传热，并结合实际工程设计对各计算结果进行比较，探讨油气两相传热计算的可行模型，总结其中经验以供工程设计计算时参考应用。
1 油气两相传热计算模型
对于水平管内油气两相混合物的传热计算，各学者总结了很多计算模型。下面就前文中的三种处理方法，介绍由此得出的相应的计算模型：均相传热模型、分相传热模型以及流型传热模型。
1.1 均相传热模型
均相传热模型[5]是假定油气两相混合十分均匀，将两相混合物看成单相介质进行传热计算。均相传热模型也意味着在水平管内油气两相的流动速度相等，因而管内截面含气率、体积含气率等亦相等，同时管内油气两相介质相互间已达到了热力平衡，油气只与管外加热介质发生热量传递而不进行油气两相间的传热。均相传热模型可用油管内单相传热模型表示，但其中物性参数需使用油气两相混合物的均相物性表示。均相传热模型可用下式表示：
式中 αi——传热膜系数，W/(m2·K)；
λog——混合物导热系数，W/(m·K)；
Di——换热盘管内径，m；
Grog——格拉晓夫数；
Reog——雷诺数；
Pr——普朗特数；
下标og——混合物平均温度下的参数值；
下标w——管壁面平均温度下的参数值。
式（1）的使用范围：Reog<2000，GrogProg>500；式（2）的使用范围： 2000
1.2 分相传热模型
分相传热模型是将油气两相的流动看成是两相各自在管内流动，即假定油气两相在管内有各自的流通面积，其流动速度可用油气混合后的折算流速表示。同时，油气两相间可能有质量交换，但两相间介质处于热力平衡状态，没有相间的热量传递。利用上述假定，分别求出油气两相在水平管内各自的传热膜系数，之后通过适当的加权系数[6]来表示两相混合后的传热膜系数。分相传热模型如下式所示：
式中 αi——传热膜系数，W/(m2·K)；
x——气相质量分率；
W——介质质量流量，kg/h；
下标i——两相混合物；
下标o——油相；
下标g——气相。
式 （4）中油气两相各自的传热膜系数计算时，其中的质量流量按两相混合流量计算，但其他的物性参数则采用油气两相各自在工况下的物性计算。
1.3 流型传热模型
流型传热模型是指首先判断油气两相在水平管内的流型，然后根据确定下来的流型特点，分析其传热的流动特性进而建立相应的传热模型。对于水平管内油气两相发生的流动传热过程，其管内流型可划分为泡状流、块状流、环状流、过渡流及喷雾流。Chen[7]等人在研究管内有沸腾现象的传热过程时认为，两相传热膜系数可由泡核沸腾膜传热系数与两相混合流强制对流膜传热系数之和组成，由于此处油气两相管内混合物的传热过程没有沸腾传热现象，因此其传热过程只考虑油气两相的强制对流传热部分即可。通常可以用传热加强模型表示油气两相混合物的传热膜系数，即认为两相传热膜系数可以由其中单相的传热膜系数乘以某一适当的加强系数来表示，该加强系数与两相物性、流型等因素有关。对于水平管内流型为泡状流、块状流及环状流的传热流动过程，Chen[7]等人提出了如下所示的油气两相传热膜系数计算模型：
式中 αi——传热膜系数，W/(m2·K)；
x——气相质量分率；
F——加强系数；
Xtt——Martinelli参数；
m——Blasius型摩擦因子关系式中Re数的指数，通常取0.2；
μ——黏度，mPa·s；
ρ——密度，kg/m3;
其余各符号的含义与前述各式相同。
对于流型为喷雾流的传热流动过程，Lavin[8]等人用氟利昂进行了实验，所得的结果归纳出如下所示的气液两相计算模型：
式中 αi——传热膜系数，W/(m2·K)；
x——气相质量分率；
Reg——气相雷诺数；
Prg——气相普朗特数；
λg——气相导热系数；W/(m·K)。
2 Aspen EDR软件模拟计算
Aspen EDR(exchanger design and rating)是由Aspen Tech公司推出的一款用于传热计算的工程软件，可用于各类传热设备的计算。该软件中的Shell&Tube Exchanger模块是专门用于管壳式换热器传热计算的，其提供了设计 (design)、校核(rating/checing)、模拟 (simulation)及最大污垢(maximum fouling)四种计算模式，可进行单相流、沸腾或冷凝以及多相流的传热计算。本文利用该模块对油气两相混合物在水平盘管内的传热问题进行模拟计算，以便于与前述各个模型计算结果进行对比分析。
3 实例计算与分析
为了进一步直观地对前述的各个模型及软件计算结果进行对比分析，以某油田地面工程中实际使用的一台加热炉为例，分别利用前述传热模型进行计算。该加热炉系使用经验数据进行设计，并且在实际运行时工况良好，能达到设计的工艺要求。加热炉的加热盘管采用两组U型盘管串联的形式进行加热，其相应的结构参数如表1所示。
由表1的设计参数可以得出，加热炉的传热面积为117.304 m2，盘管的总传热膜系数为104.418 W/(m2·K)。根据盘管内外设计时的污垢热阻等数据可得，盘管管内传热膜系数为111.349 W/(m2·K)。通过前文所述的计算模型及软件，利用表1中的设计参数，分别对管内传热膜系数进行计算，计算结果及其与实际设计值的相对误差如表2所示。
表1 加热炉盘管参数及结构尺寸
表2 传热计算结果
从表2的计算结果可以看出，均相传热模型的计算结果与实际设计值偏差最大，可达26.5%，而流型传热模型的计算结果最接近实际设计值，偏差只有2.4%。这可能与均相传热模型没有考虑油气两相在管内的实际流动状态及两相间的相互影响，只是简单地取平均值，当作单相流体进行计算有关，其与实际情况相差较大，故计算偏差较大。分相传热模型与Aspen EDR软件计算结果则介于上述两者之间，其计算结果的误差分别为6.1%与8.4%，均与实际设计值较吻合。
对于水平盘管内油气两相的传热效果，其影响因素主要是：管内油气两相的相互影响以及管内流体的流动状态。下面利用上述传热计算模型对管内传热情况进行计算分析。对于影响管内流体流动的上述因素，可在保持管内油气两相的流量及油气质量比不变的情况下，通过调整水平盘管结构尺寸，在不同管内流速下进行观察分析，得到的各计算结果如图1所示。
从图1可以看出，管内油气两相传热膜系数随着流速的增加而增大，这与实际情况相符，流体流速增加，导致其中的扰动加大，使传热得到强化，传热膜系数增大。另外，当管内流速较小时，各个模型的计算结果很接近，但其中均相传热模型的计算结果较其他计算模型的结果偏大，而当流速增加到一定值后，均相传热模型计算结果又偏小，其原因可能与前文一样，均相传热模型只是简单地取平均值计算，并没有考虑两相的实际流动情况，因而与其他模型的结果存在一定的偏差。
图1 水平管内的传热膜系数与管内流速的关系曲线
4 结论
通过对油气两相混合物在水平管内的传热计算情况的分析，以及实际工程设计中各计算模型和软件的计算结果比较分析，可以得出以下结论。
（1）油气两相的传热计算模型中，均相传热模型其计算简捷，但计算结果的精度需改进。流型传热模型尽管结果准确，但需先对流型进行判断，计算过程不够简便快捷。因此采用何种模型，应视具体实际情况而定。
（2）油气两相传热受两相质量比与流动状态的影响。一定质量的气相加入可使管内传热得以强化，同时增大管内流速也能增加流体扰动，使传热膜系数增大。
（3）对于油气两相混合物的传热机制还需深入研究，通过实验及数值分析等方法，得出更能精确反映水平管内实际传热情形的计算模型。
[1] 喻西崇，赵金洲，冯叔初，等.黑油模型在凝析油气多相集输管流工艺计算中的应用 [J].中国海上油气 (工程)，2001,13(2) ：39-44.
[2] 胡志华.垂直上升管内多相流横掠流动与传热特性的研究 [D].西安：西安交通大学，2003.
[3] 黄兴华,王启杰，李国华，等.不互溶双组分气液两相混合物在TEMA-F型换热器壳侧的传热 [J].化工学报，1999,50(1)：80-87.
[4] Kim J Y,Ghajar A J.A general heat transfer correlation for non-boiling gas-liquid flow with different flow patterns in horizontal pipes[J].International Journal of Multiphase Flow,2006,32：447-465.
[5] 许辛淑.混输管线热力计算及软件编制 [D].大庆：东北石油大学，2002.
[6] HG/T 20525-2006.化学工业管式炉传热计算设计规定[S].北京：中国计划出版社，2007.
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