一种集输管道热洗清蜡相变传热的数值模拟方法与流程

本发明涉及的是集输管道热洗清蜡技术领域，具体涉及的是一种集输管道热洗清蜡相变传热的数值模拟方法。

背景技术：

我国生产的大部分原油是含蜡质原油。在原油开采和输运过程中，原油温度会由于管道散热而不断下降，当原油温度低于析蜡点温度时，原油中的蜡分子便开始向管壁靠近并析出，出现所谓的结蜡现象。原油管道结蜡问题一直是困扰油气储运工作者的棘手问题。结蜡层的存在会使管道流通面积减小，摩阻增大，降低管道输送能力，严重时会使管道堵塞甚至停产，造成重大的经济损失及安全事故。

现有的管道清蜡方法主要有机械清蜡、热力清蜡、化学清蜡和超声波清蜡等，而在油田现场实际清蜡操作中，热洗清蜡应用较为广泛。现场清蜡过程中，操作时间及周期较长，影响因素众多，试验的精度难以得到保证，仅通过观察管道的压力变化来判断清蜡效果。

cfd软件是计算流体力学软件的简称，是专门用来进行流场分析、流场计算和流场预测的软件。cfd模拟操作简单、投资低、计算速度快，在较短的时间内可以模拟多种工况，随着科技的进步，cfd模拟技术越来越应用到各种行业。通过cfd的数值模拟，能使我们更加深刻的认识到问题的内部机理，为试验提供指导，节省试验所需的人力、物力和时间，同时对于得到试验结果的规律起到了很好的指导作用。目前cfd模拟在管道热洗清蜡方面的研究很少，现有对管道内石蜡相变问题的研究采用的都是焓法模型，假定熔化的石蜡不随换热流体流动，而实际清蜡过程中熔化后的石蜡是随热洗介质流动的。

因此，我们需要一种新的集输管道热洗清蜡相变传热的数值模拟方法，可以模拟热水、流速等影响因素对热洗效果的影响，来解决目前现有技术中的空白。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种集输管道热洗清蜡相变传热的数值模拟方法，这种集输管道热洗清蜡相变传热的数值模拟方法用于解决现有对管道内石蜡相变问题的研究采用物理模型存在与现场不符的假定的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种集输管道热洗清蜡相变传热的数值模拟方法包括以下步骤：

一、利用三维软件建立含蜡集输管道三维模型；

二、以集输管道内石蜡和热水为研究对象，确定计算模型的控制方程，所述控制方程包括：

其中：αn为第n种流体在控制单元中的体积分数，ui为x方向上的速度分量，uj为y方向上的速度分量，τ为时间，xi为笛卡尔坐标下的x轴，xj为笛卡尔坐标下的y轴，ρ为石蜡的密度，μ为石蜡液相的动力粘度，p为压力，gi为重力加速度，si为动量源项，k为导热系数，h为显热焓；

三、根据步骤二建立的控制方程及油田热洗清蜡现场工艺条件，应用cfd软件进行非稳态数值模拟：设定计算区域的边界条件、根据所述的三维结构划分计算区域网格，建立离散方程、确定离散初始条件和边界条件、给定求解控制参数、计算区域初始化并求解，得到集输管道内石蜡熔化的模拟结果；

四、对集输管道内石蜡熔化的模拟结果进行分析，判断清蜡效果；

五、改变工艺参数，工艺参数包括水温、流速，重新进行步骤三~四，分析工艺参数对清蜡效果的影响。

上述方案中步骤二建立控制方程包括如下方法：

选用fluent软件进行模拟计算，选取焓法模型处理石蜡的相变问题；选取vof（volumeoffluid）模型处理石蜡和热水的多相流动；选取rngk-ε两方程模型处理湍流中的雷诺应力假设。

上述方案中步骤三设定计算区域的边界条件包括：设定热水进口区域的边界条件为速度入口，设定热水出口区域的边界条件为自由出口，设定管道外表面的边界条件为绝热边界，热水入口边界条件的湍流用湍流强度和水力直径法定义。

上述方案中集输管道内石蜡熔化的模拟结果包括温度云图、石蜡液相云图和石蜡液相率随时间的变化曲线。

本发明具有以下有益效果：

1.本发明采用了非稳态的cfd模拟方法，提高了模拟的准确性。

2.本发明可模拟熔化后的石蜡随热洗介质流动的情况，更加贴近现场试验结果。

3.本发明中蜡层沿厚度方向存在着明显的组分差异，可模拟管道内石蜡分层分布的情况。

4.本发明可通过查看cfd的后处理中的温度场分布，石蜡液相云图和石蜡液相率随时间的变化曲线来考察石蜡熔化的快慢。

5.本发明可以解决现场试验中的热洗周期长，精度难以保证，实验规律推导困难等问题，节省大量时间，为现场试验提供理论指导。

四、附图说明：

图1为本发明的一种集输管道热洗清蜡相变传热的数值模拟方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

如图1所示，这种集输管道热洗清蜡相变传热的数值模拟方法包括以下步骤：

一、利用三维软件建立含蜡集输管道三维模型。

二、以集输管道内石蜡和热水为研究对象，建立控制方程，选用fluent软件进行模拟计算，选取焓法模型处理石蜡的相变问题；选取vof（volumeoffluid）模型处理石蜡和热水的多相流动；选取rngk-ε两方程模型处理湍流中的雷诺应力假设。所述控制方程包括：

其中：αn为第n种流体在控制单元中的体积分数，ui为x方向上的速度分量，uj为y方向上的速度分量，τ为时间，xi为笛卡尔坐标下的x轴，xj为笛卡尔坐标下的y轴，ρ为石蜡的密度，μ为石蜡液相的动力粘度，p为压力，gi为重力加速度，si为动量源项，k为导热系数，h为显热焓；

三、根据步骤二建立的控制方程及油田热洗清蜡现场工艺条件，应用cfd软件进行非稳态数值模拟：设定计算区域的边界条件、根据所述的三维结构划分计算区域网格，设定热水进口区域的边界条件为速度入口，设定热水出口区域的边界条件为自由出口，设定管道外表面的边界条件为绝热边界，热水入口边界条件的湍流用湍流强度和水力直径法定义；建立离散方程、确定离散初始条件和边界条件、给定求解控制参数、计算区域初始化并求解，观察残差监视器，当不收敛时，通过调整离散方程已达到收敛，收敛后就可以显示和输出计算结果，得到集输管道内石蜡熔化的模拟结果；其中所述的集输管道内石蜡熔化的模拟结果包括温度云图、石蜡液相云图和石蜡液相率随时间的变化曲线。

四、对集输管道内石蜡熔化的模拟结果进行分析，判断清蜡效果，可以对结蜡层沿厚度方向上存在明显的组分差异情况下进行数值模拟并获得模拟结果。

五、改变工艺参数，工艺参数包括水温、流速，重新进行步骤三~四，分析工艺参数对清蜡效果的影响。