一种减阻剂减阻效果评价与预测模型的建立方法与流程

本发明涉及油品管道运输技术领域，具体涉及一种减阻剂减阻效果评价与预测模型的建立方法。

背景技术：

油品管道输送中添加减阻剂可以明显降低管路系统摩阻、提高管道输送能力，使得管输系统的能耗降低，减少泵站的设置或开泵台数，优化管线的建设与运行。

目前，我国绝大多数输油干线都在注剂运行。各国对减阻剂的研究也都在不断加大。虽然减阻剂已逐渐广泛应用在不同油品的管输中。然而，从目前的应用情况来看，减阻剂一直处于被动应用，即当出现问题时，用以应对眼前困难；不能在设计和运行管理中充分考虑减阻剂的作用；只能靠“试”来确定减阻效果。这主要由于对减阻的实质认识和理论研究欠缺，导致减阻剂的应用存在以下问题：1)没有可指导使用的相关依据；2)没有较为准确的减阻效果预测评价方法；3)没有可以评价减阻剂性能的预测方法。

因此，本发明基于水力摩阻系数提出了针对高分子聚合物减阻剂的减阻效果评价与预测方法，同时建立减阻剂减阻效果预测模型，并给出了相关测试依据。以指导设计和运行管理，为减阻剂的有效应用提供量化分析方法。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术中的问题，提供一种减阻剂减阻效果评价与预测模型的建立方法。

本发明提供的减阻剂减阻效果评价与预测模型的建立方法，该方法具体如下：

s1、建立加入减阻剂前输油管道内水力摩阻系数λ与加入减阻剂后输油管道内水力摩阻系数λdr的关系式：

其中，ppm表示减阻剂浓度，λ2为湍流附加应力对摩阻系数的贡献；λ2f(ppm)为加入减阻剂后相对于加入减阻剂前输油管道内水力摩阻系数λ的减小量；

s2、建立加入减阻剂前输油管道内水力摩阻系数λ、湍流附加应力对摩阻系数的贡献λ2，湍流附加应力τ2以及整个流动的剪切应力τ的关系式：

s3、通过混合长度理论知湍流附加应力τ2与整个流动的剪切应力τ的关系式

k1为流动特性系数，数量级10^-5，通过求得；

式中，u为流速；d为管道内径，l为混合长度，re为雷诺数，无因次；

s4、将式(7)，式(10)带入式(1)得加入减阻剂后输油管道内水力摩阻系数λdr表达式为

s5、设加入的减阻剂浓度对湍流附加应力影响的函数关系为f(ppm)＝[1-exp(-k·ppm)]，带入公式(12)获得减阻剂减阻效果评价与预测模型：

其中dr为加减阻剂后减阻率，ppm表示减阻剂浓度，k为递减率，通过现场试验数据结合待定系数法进行反算求得，k∈(0，1)。

较佳地，步骤s1式(1)中加入减阻剂前输油管道内的水力摩阻系数λ通过colebrook公式(2)求得：

其中，δ为管道当量粗糙度，d为管道内径，m，re为雷诺数；

加入减阻剂后输油管道内的水力摩阻系数λdr可表示为：

较佳地，步骤s2中关系式的获得方法具体如下：

由流体力学基础知，壁面剪切应力τ与压降关系如式(4)：

联立式(4)与达西公式(5)，可得式(6)；

其中，u为流速，m/s；r为管道半径，m；δp为管段压降，m；l为管道长度，m；g为重力加速度，m/s²；re为雷诺数；

由式(6)可以看出加入减阻剂后输油管道内的水力摩阻系数λ与湍流附加应力τ2存在线性关系，则λ、λ2、τ、τ2存在以下关系

式中：

τ为整个流动的剪切应力，pa；

τ2为湍流附加应力，pa。

较佳地，步骤s3中关系式的获得方法具体如下：

由混合长度理论知湍流附加应力与总应力关系式如式(8)

对式(8)进行化简变形得到式(9)

混合长度l无法直接确定，且流速一定程度可以反映速度梯度大小，故令无量纲量k1可以反映出减阻情况与流动状况的关系，式(9)可表示为：

较佳地，根据加入减阻剂前输油管道内水力摩阻系数表达式其中为粘性力产生的摩阻系数，为湍流附加应力产生的摩阻系数，则：

将式(9)、式(10)代入式(11)，可得加入减阻剂后输油管道内水力摩阻系数λdr修正，如式(12)

较佳地，由于减阻剂浓度对湍流附加应力影响的函数关系为f(ppm)＝[1-exp(-k·ppm)]，因此步骤s4中加入减阻剂后输油管道内水力摩阻系数λdr表达式如式(13)所示：

式中

λdr为加入减阻剂前输油管道内水力摩阻系数，无因次；

λ为加入减阻剂前输油管道内水力摩阻系数，无因次；

re为雷诺数，无因次；

k1为流动特性系数，数量级10^-5；

k为递减率，k∈(0，1)；

加减阻剂后减阻率dr表达式为式(14)，同时最大减阻率drm可由式(15)表示；

通过加减阻剂后减阻率表达式(14)，对不同浓度的减阻剂所产生的减阻效果评价与预测。

较佳地，对于同一种减阻剂应用于不同管线，需要进行管径的修正，修正后预测模型如下式：

其中d0为进行参数确定的基础管径，d为需要进行修正的管线的管径。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明基于水力摩阻系数建立高分子聚合物减阻剂减阻效果评价和预测模型的建立方法，使得减阻剂的使用具有可估性，避免不必要的损失和浪费，扩展了减阻剂的应用-可以在管线运输中提前设计加剂运行方案，提高效率。

本发明通过对减阻剂机理的分析，对减阻效果与减阻剂性能、管道流动及参数的关系总结，从水力摩阻系数的角度提出了一种新的减阻剂效果评价与预测方法，实现加剂管道减阻效果的预测及减阻效果的在线评价，同时确定最优加剂量，避免减阻剂的浪费。

附图说明

图1为本发明加剂前后流体各层作用情况；

图2为本发明加减阻剂前后摩阻系数λ与re关系图；

具体实施方式

下面结合附图1-2，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。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的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。

实施例1

水力摩阻系数是表征流动阻力大小的物理量。管流中注入减阻剂后，沿程摩阻和摩阻系数均会出现不同程度的减小。注入减阻剂后，分子长链与湍流流体作用，使湍流附加应力减小，湍流脉动减弱，抑制湍流旋涡的产生，沿程摩阻减小，如图1所示。为量化管流中注入某减阻剂后，摩阻系数的变化量与管道基本参数、所注入减阻剂的浓度、雷诺数re等因素之间的关系，本发明建立加剂后的摩阻系数计算模型。

通过减阻效果因素分析知，加减阻剂前后管道摩阻系数与雷诺数re的关系如图2所示。

黑色虚线(λ0)表示未加减阻剂时管道摩阻系数与雷诺数re的关系，随着雷诺数增大，摩阻系数逐渐减小，当减到一定程度摩阻系数不再随雷诺数变化，或者说摩阻系数随雷诺数的变化很小。

黑色实线(λdra)表示加剂后管道摩阻系数与雷诺数re的关系。流体管道管壁注入减阻剂后，如果流体流速较低则不能表现出减阻作用，当雷诺数不断增大，增大到某一值res后开始出现减阻现象，称这一雷诺数为启动雷诺数，用res表示(对应的流速叫启动速度，使减阻剂开始起作用的条件为：速度梯度达到一定值，宏观表现为流速达到某一值)。启动雷诺数的大小与管道参数和减阻剂本身特性都有关系，主要受减阻剂分子结构的影响。随着雷诺数的继续增大，摩阻系数逐渐减小，当雷诺数增大到某一值时，摩阻系数开始随着雷诺数的增大而减小，称该雷诺数值为临界雷诺数，用rec表示(此时由于流体的剪切作用，会使减阻剂分子长链产生断裂，这种破坏作用是不可逆的)，之后随着雷诺数的继续增大摩阻系数会越来越接近同一雷诺数下未加剂时的摩阻系数值，直至两者重合(即减阻剂完全失效)。rec的大小主要取决于减阻剂的抗剪切能力和管径。一般现场工况re∈(res，rec)，因此，本发明主要研究中间区域摩阻系数变化。

摩阻系数的大小与管壁附近剪切应力有关，减阻剂减阻主要是减小湍流附加应力。因此，对减阻剂减阻效果的研究必须基于对湍流附加应力的求解，而目前对附加应力求解应用最广的要数混合长度理论，本发明从混合长度理论出发进行建模。

加剂后摩阻系数λdr模型的建立

向管道中注入减阻剂，能减小湍流附加应力，从而减小湍流附加应力对摩阻系数的贡献，宏观表现即为摩阻系数减小。

输油管道摩阻是粘性力与湍流附加应力共同作用的结果，类似应力的表达式，假设加入减阻剂前输油管道内水力摩阻系数λ＝λ1+λ2，其中λ1为粘性力对摩阻系数的贡献，λ2为湍流附加应力对摩阻系数的贡献。加减阻剂主要减小湍流附加应力，使λ2减小。

设减阻剂加剂浓度对湍流附加应力影响的函数关系式f(ppm)＝[1-exp(-k·ppm)]。加入减阻剂后输油管道内水力摩阻系数相对于加入减阻剂前输油管道内水力摩阻系数的减小量影响为λ2f(ppm)，则加入减阻剂前输油管道内水力摩阻系数与加入减阻剂后输油管道内水力摩阻系数相比为：

加入减阻剂前输油管道内水力摩阻系数λ可以用colebrook公式(2)求得：

加入减阻剂后输油管道内水力摩阻系数可表示为：

由流体力学基础知，壁面剪切应力与压降关系如式(4)：

联立式(4)与达西公式(5)，可得式(6)。

由式(6)可以看出λ、λ2、τ、τ2存在以下关系

式中：

τ——整个流动的剪切应力，pa；

τ2——湍流附加应力，pa。

由混合长度理论知湍流附加应力与总应力关系式如式(8)

对式(8)进行化简变形得到式(9)

混合长度l无法直接确定，且流速一定程度可以反映速度梯度大小，故令无量纲量k1可以反映出减阻情况与流动状况的关系，式(9)可表示为：

这与日本学者kojifukagata认为的加入减阻剂前输油管道内水力摩阻系数表达式其中为粘性力产生的摩阻系数，为湍流附加应力产生的摩阻系数分析结果一致即：

将式(9)、式(10)代入式(11)，可得加剂后沿程摩阻系数修正，如式(12)

加入减阻剂后输油管道内水力摩阻系数表达式如式(13)所示：

式中

λdr——加入减阻剂后输油管道内水力摩阻系数，无因次；

λ——加入减阻剂前输油管道内水力摩阻系数，无因次；

re——雷诺数，无因次；

k1——流动特性系数，数量级10^-5；

k——递减率，k∈(0，1)。

加剂后减阻率dr表达式为式(14)，同时最大减阻率drm可由式(15)表示。

λdr模型求解及验证

通过检验结果可知，对同一种减阻剂，减阻剂特性参数k相同；对同一种管线，与流体物性、流动相关的待定参数k1相同；对于同一种减阻剂应用于不同管线，需要进行管径的修正，修正后预测模型如下式：

其中d0为进行参数确定的基础管径，d为需要进行修正的管线的管径。

该模型适用于各种高聚物减阻剂以及不同的加剂浓度和管线的流动状态，能够较准确预测相应的减阻率。减阻摩阻系数预测模型中的递减率只和减阻剂的种类有关，与加剂浓度、管线参数、流动参数无关。对于某种减阻剂，需要确定其递减率、与流动特性系数、管径、雷诺数和加剂浓度(ppm)即可预测加剂浓度对应的减阻率。预测模型中递减率只和减阻剂种类有关，所以在减阻剂出厂之前可以测试每一种减阻的性能从而确定相应的递减率，为现场运用提供参考。同样在现场使用时可以进一步对递减率进行修正，从而提高预测模型的精度。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。