Валідація та аналіз моделі обчислювальної гідродинаміки (CFD) теплообмінника у процесі підігріву нафти на установці елекрознесолення та атмосферно-вакуумної трубчастої установки (ЕЛЗУ-АВТ)

Анотація

Ефективний підігрів сирої нафти є критично важливим етапом у ланцюгу її видобутку, транспортування та переробки на установці електрознесолення та атмосферно-вакуумної трубчастої установки (ЕЛЗУ-АВТ). Ключовою проблемою є висока в’язкість та складні реологічні властивості нафти за пластових або навколишніх температур, що унеможливлює її економічно доцільне перекачування трубопроводами через надмірні гідравлічні опори та високі енерговитрати на роботу насосних станцій. Окрім цього, низькі температури сприяють інтенсивній парафінізації обладнання, що знижує пропускну здатність комунікацій та ефективність теплообміну. Метою роботи є створення моделі обчислювальної гідродинаміки кожухотрубного теплообмінника для валідації та подальшої ідентифікації, здатної з високою точністю прогнозувати теплогідравлічні процеси. Представлено результати дослідження моделі обчислювальної гідродинаміки (CFD) кожухотрубного теплообмінника у процесі початкового підігріву нафти, яка є обов’язковою технологічною операцією. Оптимізація цього процесу безпосередньо впливає на енергозбереження, енергоефективність, надійність та економічні показники всієї системи. Наукова новизна роботи полягає в розробці та валідації тривимірної CFD-моделі процесу в теплообмінному апараті для підвищення енергетичної ефективності, яка враховує специфічні температурно-залежні фізичні властивості (в’язкість, густина, теплоємність) нафти, що видобувається у родовищах України. Це дозволяє підвищити точність прогнозування теплогідравлічних характеристик порівняно зі стандартними моделями, що використовують усереднені або загальні властивості. Для моделювання використовувалася скінченно-елементна CFD-модель апарату в середовищі програмного комплексу Comsol з визначенням відповідних параметрів роботи теплообмінника. Верифікація проводилася для випадку початкового нагрівання нафти в процесі опріснення. Для аналізу результатів CFD-моделювання використовувалися показники полів швидкості та температури реагуючих потоків .За допомогою графічного аналізу полів швидкостей (CFD) було виявлено, що причиною розбіжності є утворення значних застійних зон  за сегментними перегородками, які ігноруються аналітичною методикою. Показано, що відхилення значень температури в середині CFD-моделі від даних, взятих з доступної літератури та інших наукових робіт, не перевищує 5,05 %, що дозволяє використовувати її як науково-обґрунтований інструмент для аналізу та оптимізації роботи промислових теплообмінників як альтернативу узагальнених аналітичних методик. Перевірена комп’ютерна модель дозволить створити карту режимів, оптимізувати роботу енергетичного устаткування та отримати дані ідентифікації для подальшої розробки системи керування та коригування характеристик теплообмінника.