新型節能油井井口加熱裝置設計制作

孫 林，趙守剛，李君偉，潘 一

（1. 遼寧石油化工大學, 遼寧 撫順 113001； 2. 沈陽新光電氣制造有限公司, 遼寧 沈陽 110044）

稠油具有較高的粘度，需在井口處加熱降粘以便輸送到聯合站。傳統的加熱方式有蒸汽伴熱和水浴加熱。燃氣、燃油爐和電熱水套爐是產生熱能的主要裝置，這些裝置一般都包含燃油回路、熱媒回路和換熱器回路等眾多附屬設備。其缺點是系統較為龐大，熱慣性大，熱滯后性大；不是以控制原油出口的溫度為控制對象，屬于開環加熱,其加熱效率低，保溫比較困難,熱損失嚴重。如電熱水套爐熱效率為50%左右，燃氣、燃油爐熱效率僅為20%左右[1]。但同燃料加熱方式相比，電力加熱擁有清潔衛生、熱效率高(可達85%～95%)、安全、可調節、系統簡便等優點[2]。電加熱器憑借其加熱效率高、污染小等優勢，在石油工業上受到很大的關注，已經有越來越多的電加熱器應用于原油加熱中，但仍存在加熱不均勻，升溫速度慢，加熱不完全等問題。未解決上述問題，從提高油水混合流體的導熱系數入手，設計了一種新型節能井口加熱器。

1 設計依據

井口加熱運輸的是原油和水的混合流體。而流體呈層流狀態流動時，流體的液面會發生油水分離的情況，致使流體在加熱器內加熱不均勻，部分原油加熱不充分，不能達到輸送要求的溫度。另外，原油在水的浮力作用下，會出現加速流出加熱裝置現象，導致原油的加熱時間變短，亦使原油不能到輸送要求的溫度。少數極端情況，未達到要求的原油加速流動導致加熱器出口堵塞，不但影響了流量，甚至會導致爆炸事故發生。另外，在加熱過程中會有少部分原油附著在加熱器管壁上，嚴重影響加熱效率。因此，加熱器加熱時亟待解決的問題就是如何使油水混合均勻，加熱均勻，在固定加熱器內如何延長加熱時間，并降低原油對管壁的附著。

1.1 湍流傳熱系數高于層流

粘性流體存在著層流及湍流兩種不同的流態。層流時流體微團沿著主流方向作有規則的分層流動，而流體呈湍流流動時除了主流方向上的運動外，流體的微團還做不規則的脈動，當流體中某個微團從一個位置運動到另一個位置時，不同溫度層之間有附加的熱量交換，產生附加的切應力對流體微元做了功。湍流減小了流體質點間的溫度差，而且使油水混合物充分的混合，避免了油水分離。

根據牛頓冷卻公式:

其中: q —熱流密度, W/m2;

h —對流換熱系數, W/(m2· ℃)；

Δt —溫差, ℃。

根據傅里葉定律:

其中: q —熱流密度,W/m2;

λ —流體的導熱系數,W/(m·K)；

牛頓冷卻公式和傅里葉定律聯立得

根據局部傳熱系數的計算方法

其中: h —對流換熱系數,W/(m2· ℃);

λ —流體的導熱系數,W/(m·K）；

σt —邊界層厚度, m。

其中: Re —雷諾數;

σt —邊界層厚度;

d —管的半徑。

基于以上敘述，湍流內流體質點充分混合，質點溫差比層流小，流體內部有熱量交換，根據以上公式可得，湍流的傳熱效率大于層流，并且在一定范圍內，流速越大，雷諾數越大，傳熱效率越大。

因此，在加熱原油的時，為了能夠高效的對原油加熱，應改變流體的流動狀態為湍流，湍流能夠使油水質點充分混合，避免了油水分離的現象，減小了流體與加熱管間的邊界層厚度，加熱均勻且高效。

為此，在加熱管上安裝旋流片，以實現上述目的。通過旋流片的流體呈連續的螺旋狀流動并形成旋流，具有明顯的切向速度,可以更充分地擾動流體,同時更有效地沖刷加熱管的外壁面從圓心到半徑方向存在較大的速度梯度場，這個速度梯度場能使流體在流道中形成湍流，使貼近加熱管邊界層減薄，大大增強了傳熱效果[3,4]。旋流片形成的湍流能使被加熱的油水混合物充分的混合,避免了油水分離，提高加熱效率[5]。

1.2 延長加熱時間

對于以往的加熱器，原油因為加熱時間過短，還沒有加熱到想要的溫度就流出了加熱器，造成了不必要的損失。因此，要更好的對原油加熱，應該延長原油在加熱腔內的加熱時間。根據速度公式

S=vt

其中: S —路程,m;

v —速度;

t —時間。

如果要使流體在加熱器內獲得更多的加熱時間，即必須延長路程或降低流速。而安裝旋流片的加熱器剛好能夠同時是實現延長流動路程和降低流速的目的。因為通過旋流片的流體，流體質點徑向移動路程增加，同時旋流片的阻擋作用也減緩了流體的流動速度。

1.3 小 結

實踐表明，粘度較大的流體換熱，污垢熱阻占總熱阻的一半左右，旋流片除了使流體產生旋流外，還可以使流體產生湍流擴散，使流體與加熱管壁面接觸處產生類似沖擊的作用，使污垢沉積減少，增加了熱阻的穩定性，強化了傳熱，使加熱裝置長期處在高效運行的狀態，可達到節能的目的。

旋流片不僅有助于加熱，也對加熱裝置起到了支撐作用，減小了管束跨距，使加熱腔的固有頻率避開了流體的激震頻率，避免了因共振引起的破壞，從而延長設備運行壽命，降低設備維修費用[6]。

2 加熱器詳細設計

根據以上原理，我們設計該井口加熱裝置，它由三部分組成，分別包括加熱部分和防爆部分、控制部分，裝置設計的結構如圖1、圖2 所示。

該裝置的工作流程是，開采出來的原油從入口進入加熱腔，旋流片使流體螺旋上升，流程增加，流動狀態變為湍流，流體充分混合加熱，在加熱過程中產生的氣體達到一定壓力時可由排氣閥自動排出。泥質和雜質等固體顆粒經有效沉淀后從排垢口排出，加熱后的原油從原油出口流出。在裝置工作過程中，控制系統通過溫度傳感器提供的有效數據，可隨時自動改變加熱器的功率，使腔內介質的溫度維持在要求范圍內，提高了溫控能力，避免了電浪費；安全防爆系統時刻監控裝置的安全狀況，一旦出現緊急狀況，立即采取防護措施，保證裝置安全的運行。本裝置采用一體化設計方案，安裝簡便，容易操作，用戶安裝后只需接上一顆電源線即可使用。

2.1 加熱系統設計

加熱系統由進口，保溫殼體，加熱管，旋流片，原油出口組成。被加熱的原油進入配有旋流片的加熱器，旋流片改變其流動狀態為湍流，強化了傳熱，同時延長原油的加熱時間，使原油達到了要求，從出口流出，進入運輸管道。另外，加熱裝置的加熱管壁以及加熱腔壁均采用了技術處理，表面涂有防結垢特殊材料，使加熱裝置在長期工作中不結垢、不結焦，增加了傳熱熱阻的穩定性，提高了加熱裝置的使用效果，延長了加熱器的使用壽命。

圖1 加熱器主視圖Fig.1 The main view of heater

圖2 加熱器左視圖Fig.2 The left view of heater

電加熱器外壁設計了50 mm 厚的真空保溫層，能有效地避免空氣對流引起的熱傳遞，因此導熱系數大幅度降低，具有優異的絕熱性能[7]。考慮到加熱器工作在野外,環境較惡劣,為防止熱量散失,選用硅酸鋁氈和玻璃纖維棉氈多層保溫。保溫材料的導熱系數低于0.04 kcal/(m2·h·℃),使加熱器可在嚴寒的氣候條件下正常工作。還有,在加熱器外殼噴金屬漆,防水、防潮和耐腐蝕[8]。

2.2 安全防爆系統設計

在含有易燃易爆氣體或在蒸氣的環境中使用的電加熱器，除了要求結構簡單、使用方便、質量好、壽命長之外，更重要的是在使用期間，始終保持良好的防爆性能不會出現象由于溫度異常而引燃周圍可燃性氣體或蒸氣造成爆炸事故[9]，因此，該裝置設計了安全防爆系統。

安全防爆系統由排氣閥、防爆控制箱、絕緣電纜、防爆溫度感應盒、壓力表、安全閥、排垢口在組成。在使用加熱器加熱原油時，由于各種不確定因素，加熱腔內的溫度有時會發生異常，防爆溫度感應盒內的溫度傳感器會第一時間把信號發送給防爆控制箱，防爆控制箱通過絕緣電纜使裝置停止工作，避免了因溫度異常所引起的爆炸事故；因為原油內還有少量溶解氣或有可能產生其他氣體，由排氣閥將其排出裝置，避免事故發生。

2.3 控制系統設計

控制系統由加熱功率調節器、顯示屏和電源組成。由于每個油田的生產狀況不同，以及不同季節進口原油溫度的不同，本加熱裝置裝配了能夠調節功率的加熱功率調節箱，該裝置采用了變頻電源的技術方法[10]，通過原油出口處溫度傳感器所提供的數據，能夠隨時隨地自動改變加熱裝置的加熱功率。

另外，發熱體干燒保護采用電子控制、無浮球液位控制器及流量閉鎖裝置等機械式元件，其控制效果好，壽命長。特殊的結構及控制設計，使本裝置無排空程序，可直接送電工作，免去了排空等程序，也避免了因排空不到位發生的各種事故該加熱裝置使用新型電控系統，實現了軟啟動，零功率啟動逐漸達到滿功；由于管道加熱器功率為無極滑動功率，使加熱管從根本上杜絕了頻繁啟動，減少了對電網及管道電加熱器電氣件的損傷。

3 應用效果

表1 為某油井采用本加熱器前后的數據對比。從表中可以看出，使用本加熱器后管阻減少，井口壓力大幅降低，有利于油井生產，有助于提高產量，使用效果較理想。

表1 管道加熱器使用前后對比表Table 1 Comparison table before and after applying theheater

4 結 論

該井口加熱裝置采用了電加熱方式，方便、清潔、無污染；同時內置旋流片的設計可使加熱效率高、加熱充分，并且配有安全防爆系統。該裝置操作簡單，方便快捷，真正達到了節能減排的目的，相信通過以后的不斷改進和改良后，能夠在解決原油井口加熱問題上獲得更大的經濟效益和社會收益。

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