油田注蒸汽环状管网传热分析研究

论文摘要

目前辽河油田注汽热采稠油的型式主要为一炉一注,这种注汽方式适合周边分散布置的油井,便于管理和维修,但是对于注汽井形成规模化、集中化、稳定化的油田区块,此种注汽方式存在不可调和的弊端,例如锅炉负荷小造成效率低,锅炉房数量多造成维护、管理成本高。针对此问题,探讨环状注汽管网的适用性对于减小锅炉数量、提高锅炉负荷具有一定现实意义。研究新的注汽管线布局必须确定合适的管网热力水力计算模型,但目前尚无应用于环状注汽管网的热力水力计算模型。作为构成管网的地面蒸汽管线的热力水力计算模型具有同等重要的地位,但是目前绝大多数模型把水力、热力计算分开计算,没有考虑水力、热力之间耦合作用,因此研究考虑该耦合性的地面蒸汽管线能量损失模型,对于完善环状注汽管网的热力水力计算模型具有重要作用。本文通过文献查阅和现场调研,借鉴已有研究成果,分析蒸汽在管线内的流动和传热状态,研究注蒸汽地面管线能量损失问题。以传热学、工程热力学、流体力学等学科为理论基础,建立了注蒸汽地面管线水力、热力计算模型,开发了计算程序,计算分析影响管线散热的因素。在管线水力、热力计算模型的基础上,通过蒸汽平均密度和定压比热两个基本参数,使管线的水力、热力计算相互关联、相互制约,并借助“图论”理论和矩阵关联性有关定律,建立环状注汽管网的水力热力计算模型。基于管网的水力、热力模型,以井口的注汽量、注汽干度和注汽压力等为约束条件,以钢管和保温材料的投资、热损失折合费用及压力降损失折合费用的总和最小为目标函数,建立环状注汽管网参数(管径、保温层厚度)优化数学模型。由于该优化数学模型属于NP难题,无法对其直接求解,本文优选多种优化算法,最终采用遗传算法对目标函数进行求解,并且应用MATLAB开发求解优化的计算程序。文中给出算例分析,得出以管网造价费用最小的管径与保温层厚度的组合。本文考虑地面蒸汽管线水力、热力之间耦合作用,给出了新的地面蒸汽管线能量损失模型,并进行了实算验证。在此基础上,建立了环状注汽管网的水力热力计算模型和优化模型,并进行了算例分析。本文的研究成果可为稠油开采注汽管网今后的设计和改造提供了一定的参考作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 创新点摘要
• 前言
• 0.1 研究的目的和意义
• 0.2 国内外研究现状
• 0.2.1 管网能量损失研究
• 0.2.2 管网优化研究
• 0.3 本文主要研究内容
• 第一章 稠油注汽管线水力热力模型及分析
• 1.1 注汽管线中蒸汽流型的判断
• 1.2 注汽管线的热力计算模型
• 1.2.1 注汽管线热损失影响因素
• 1.2.2 注汽管线热损失计算模型
• 1.2.3 总传热系数及各单体传热系数的确定
• 1.2.4 注汽管线沿程温降计算模型
• 1.3 注汽管线的水力计算模型
• 1.3.1 管道两相流沿程阻力计算
• 1.3.2 管道两相流局部阻力计算
• 1.4 蒸汽干度及其管道系统热效率计算模型
• 1.4.1 蒸汽干度计算模型
• 1.4.2 管线系统热效率计算模型的建立
• 1.5 模型验证
• 1.6 本章小结
• 第二章 环状注汽管网水力热力数学模型及分析
• 2.1 环状注汽管网的建模方法
• 2.1.1 图论在环状注汽管网中的应用概述
• 2.1.2 环状注汽管网结构描述
• 2.2 环状注汽管网水力计算的基本方程
• 2.2.1 压降计算模型
• 2.2.2 节点流量平衡方程组
• 2.2.3 环路压力平衡方程组
• 2.3 环状注汽管网热力计算的基本方程
• 2.3.1 温降计算模型
• 2.3.2 环热力节点流量平衡方程组
• 2.3.3 环热力能量平衡方程组
• 2.4 环状管网水力热力计算模型的求解方法
• 2.5 环状注汽管网水力热力耦合计算模型的解法
• 2.6 管线改造方案分析研究
• 2.7 本章小结
• 第三章 环状注汽管网参数优化设计及目标函数建立
• 3.1 优化问题概述
• 3.1.1 优化方法特点
• 3.1.2 优化方法分类
• 3.2 环状注汽管网优化设计理论研究
• 3.3 优化参数（管径、保温层厚度）对末端的蒸汽参数的影响分析
• 3.3.1 管径
• 3.3.2 保温层厚度
• 3.4 优化目标模型的建立
• 3.4.1 建模思想
• 3.4.2 目标函数的建立
• 3.4.3 目标函数约束条件
• 3.4.4 优化设计数学模型
• 3.5 本章小结
• 第四章 优化目标函数的解法及算例分析
• 4.1 遗传算法的概述
• 4.2 遗传算法的基本原理
• 4.3 遗传算法的基本步骤
• 4.3.1 遗传算法编码
• 4.3.2 群体的设定
• 4.3.3 适应度函数的确定
• 4.3.4 遗传操作设计
• 4.3.5 遗传算法终止规则
• 4.4 遗传算法基本流程图
• 4.5 遗传算法在环状注汽管网中的求解应用
• 4.5.1 环状注汽管网数学模型在遗传算法中的求解步骤
• 4.5.2 环状注汽管网参数优化的遗传算法流程图
• 4.6 优化设计法与传统设计法对比算例分析
• 4.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 发表文章目录
• 致谢
• 论文摘要