注汽系統(tǒng)管線熱效率

方坤

遼河油田是以稠油開發(fā)為主的油田，注蒸汽開采起著非常重要的作用。注汽管線保溫材料主要為巖棉、氈等軟質(zhì)材料和微孔硅酸鈣、復(fù)合硅酸鹽等硬質(zhì)材料，各種材料均存在一定缺陷。巖棉、氈等軟質(zhì)材料憎水性差，保溫的輸汽管道易出現(xiàn)滑移和下沉，雨水侵蝕或長時(shí)間使用后易老化破碎，影響保溫效果；微孔硅酸鈣和復(fù)合硅酸巖接縫處處理困難，保溫后接縫處易出現(xiàn)開裂，造成熱損失變大。

為了加強(qiáng)對設(shè)備的管理，原來的注汽管線保溫時(shí)采取管線外側(cè)直接包裹硅酸巖棉、氈等軟質(zhì)保溫材料，而這些材料的黑度系數(shù)較大，普遍在0.7-0.8之間，受射體保溫材料和發(fā)射體注汽管線之間未有黑度系數(shù)低、反射性能優(yōu)良的薄層隔熱板，造成受射體保溫材料吸收熱量多。

1.熱損失現(xiàn)狀

1.1保溫結(jié)構(gòu)

一是選用保溫材料單一，難以保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；二是保溫層厚度薄厚不一，經(jīng)濟(jì)保溫厚度沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)；三是軟、硬保溫材料搭配不合理，保溫結(jié)構(gòu)抗震、抗擠壓能力弱。

1.2熱損失情況

經(jīng)熱損失檢測，遼河油田地面固定注汽管網(wǎng)熱流密度為391W/m2、千米管線熱損失率4.15%，活動(dòng)管線熱流密度734.3w/m2、千米管線熱損失率6.28%，千米干度降17.3%，系統(tǒng)熱效率77.3%，損失能量22.7%。年注汽量按1200萬噸、平均注汽壓力14MPa、鍋爐出口平均干度71%計(jì)算，則地面損失能量48202.2×106kj，浪費(fèi)天然氣3428.572萬方，折算成本6788.57萬元（天然氣價(jià)格1.98元/方）。

2注汽系統(tǒng)熱損失研究與分析

注汽系統(tǒng)熱損失占22.7%，主要由注汽鍋爐熱損失和注汽管線熱損失兩部分構(gòu)成，其中注汽鍋爐熱損失表現(xiàn)為排煙損失、化學(xué)不完全燃燒損失、機(jī)械不完全燃燒、散熱損失和灰渣物理熱損失；注汽管線熱損失表現(xiàn)在熱輻射損失、熱對流損失和熱傳導(dǎo)損失。

2.1注汽管道傳熱研究與分析

凡是有溫差的地方就一定有能量的傳遞，熱量總是自發(fā)地由高溫物體向低溫物體傳遞，這種現(xiàn)象稱為熱傳遞。為了分析研究的方便，根據(jù)傳熱過程的物理本質(zhì)不同，可把其區(qū)分為三種基本方式，即熱輻射、熱對流和熱傳導(dǎo)。同樣，注汽管線存在三種方式的熱傳遞，為更好的分析注汽管線熱損失情況，我們建立其熱損失模型，分別分析三種熱傳遞對管線熱損失的影響。

2.1.1輻射傳熱原理

熱輻射傳播可不借助任何介質(zhì)，靠電磁波傳遞熱量，其過程遵循斯蒂芬—玻爾茨曼定律。為了從數(shù)量上表示物體輻射能力，引入一個(gè)物理量輻射能，用E表示。它是單位時(shí)間內(nèi)單位輻射表面積，向空間各個(gè)方向所輻射出的各種不同波長能量的總和。

輻射傳熱符合下面方程：

為描述實(shí)際物質(zhì)的熱輻射情況，引入一物理量黑度 ：實(shí)際物體的輻射力與黑體輻射力之比，實(shí)際物體的輻射力表示如下：

由上式可知實(shí)際物體的輻射能力同輻射源溫度的四次方和黑度系數(shù)成正比，為增強(qiáng)輻射熱交換，需提高輻射物體的溫度或增加黑度，相反，為減少輻射換熱，就必須降低輻射物體的溫度或減小黑度。

2.1.2兩固體間輻射傳熱研究

輻射傳熱隨輻射源的溫度增加而增強(qiáng)，注汽管線保溫后，輻射傳熱主要體現(xiàn)在高溫蒸汽管線同內(nèi)保溫層之間，為提高注汽管線保溫效果，應(yīng)削弱兩者之間的輻射換熱。為此，我們分單獨(dú)兩固體和兩固體間裝設(shè)一薄片遮熱板兩種情況，研究輻射傳熱變化規(guī)律。

為此假設(shè)注汽管線無限長，將管線本體和保溫層看成兩個(gè)無限長的平行平面，在它們之間裝設(shè)一薄片遮熱板，該二平面和遮熱板的溫度分別為T1、T2和Tc，且T1>T2，遮熱板和兩平面的黑度假定相同ε1=ε2=εc。遮熱板插入后，明顯的降低了物體間的輻射傳熱，且物體間輻射傳熱量隨物質(zhì)黑度系數(shù)的增加而增大。因此實(shí)際工程中，為有效的削弱輻射換熱，常采用黑度低、反射性能強(qiáng)的薄板做為遮熱板。

2.1.3輻射傳熱對熱損失影響

目前，注汽管線保溫采取管線外側(cè)直接包裹硅酸巖棉、氈等軟質(zhì)保溫材料，而這些材料的黑度系數(shù)較大，普遍在0.7-0.8之間，受射體保溫材料和發(fā)射體注汽管線之間未有黑度系數(shù)低、反射性能優(yōu)良的薄層隔熱板，造成受射體保溫材料吸收熱量多。

注汽管道保溫層破損嚴(yán)重，部分管線裸露在空氣中，正常注汽時(shí)，管線外表面溫度高達(dá)300℃以上，依據(jù)斯蒂芬—玻爾茨曼定律可知，注汽輻射強(qiáng)度同溫度的四次方成正比，加上氣體對輻射熱僅有吸收和穿透能力，不具備反射作用，進(jìn)一步加劇輻射傳熱損失。

2.1.4小結(jié)

通過以上分析可知，以往遼河油田注汽管線保溫時(shí)采用的是導(dǎo)熱系數(shù)為0.065w/m.k的保溫材料，其黑度系數(shù)較大、反射性能弱，注汽管道和內(nèi)保溫層組成的系統(tǒng)發(fā)射率大，系統(tǒng)穩(wěn)定后向外發(fā)射能量增大，給保溫效果帶來影響。

因此需從降低注汽管道和內(nèi)保溫層的系統(tǒng)發(fā)射率出發(fā)，使用反射性能強(qiáng)、吸收能力小的保溫材料。

2.2注汽管道對流傳熱研究與分析

2.2.1對流傳熱原理

依靠流體流動(dòng)來傳播熱量的方式叫做對流。對流傳熱只能發(fā)生在可以產(chǎn)生流動(dòng)的氣體和液體里，固體不能產(chǎn)生對流傳熱。

在單位時(shí)間里，熱流體對壁面的對流放熱量的大小與傳熱壁面表面積F以及熱流體與壁面的溫差（tf1-tw1）成正比，此外還和流體物性、流體流動(dòng)的特性等因素有關(guān)。對流換熱強(qiáng)度同換熱面積、溫差及對流換熱系數(shù)成正比，為削弱對流換熱，需減少換熱面積、降低換熱溫差及降低對流換熱系數(shù)。

2.2.2對流傳熱對熱損失影響

保溫完好或結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的注汽管線，熱對流主要存在保溫層外表面和空氣之間。由于注汽管線保溫后外表面和環(huán)境溫差小，對流換熱量小。但由于遼河油田注汽管線保溫時(shí)間長，結(jié)構(gòu)單一不穩(wěn)定，內(nèi)部保溫層破損嚴(yán)重，甚至管線外露在空氣中，外表面溫度增加，造成對流換熱增加，表現(xiàn)如下：

一是使用巖棉、硅酸鋁、鎂、纖維氈等軟質(zhì)材料保溫時(shí)，保溫層易出現(xiàn)滑移、下沉或塌陷的現(xiàn)象，注汽管線和空氣之間未能形成一個(gè)密閉的保溫層，造成管線本體和空氣形成對流換熱，高溫蒸汽溫度 高達(dá)幾百攝氏度，對流換熱溫差 增大，換熱增強(qiáng)。

二是使用硬質(zhì)材料保溫，多塊單個(gè)保溫材料組合成整體時(shí)，連接方式為平口對接，密封性差，特別是管線投運(yùn)后，蒸汽流動(dòng)引起管線竄動(dòng)，進(jìn)而破壞保溫材料的保溫性能?，F(xiàn)場實(shí)際發(fā)現(xiàn)，管線投運(yùn)后，硬質(zhì)材料對接處，伴有高溫蒸汽散出的現(xiàn)象，造成對流換熱明顯增強(qiáng)。

三是對流換熱量同換熱面積成正比，目前遼河油田保溫使用材料導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)0.065w/m.k，為確保達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)209w/m2，保溫材料厚度設(shè)計(jì)為97mm，造成管線同空氣對流換熱面積增大，對流換熱熱損失增多。

2.2.3小結(jié)

通過分析可知，遼河油田注汽管線軟、硬保溫材料搭配不合理，結(jié)構(gòu)抗震、抗壓性差，軟質(zhì)材料易出現(xiàn)塌陷，保溫材料和注汽管線間形成空隙；硬質(zhì)材料采用平口對接，連接處密封性差，特別是長時(shí)間運(yùn)行時(shí)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性受到破壞。這樣就給高溫蒸汽和空氣對流形成通道，提供條件。同時(shí)，由于保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)高，普遍在0.065w/m.k，在達(dá)到同樣保溫效果的前提下，需增大保溫層厚度，引起對流換熱面增大，對流換熱增強(qiáng)。因此，保溫時(shí)應(yīng)選擇低導(dǎo)熱系數(shù)保溫材料，達(dá)到同樣保溫效果的前提下，降低保溫層厚度，同時(shí)對保溫結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)合優(yōu)化，提高抗震性、抗壓性，增強(qiáng)牢固性，減少對流換熱。

（作者單位：中油遼河油田高升采油廠熱注作業(yè)區(qū)）