防爆集束式井口加熱器設計

陳 龍，王彥博，孫 林，趙守剛，楊雙春，潘 一

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

隨著世界經濟的高速發展，能源短缺問題日趨嚴峻。稠油是世界經濟的重要資源，世界重油大會公布的數據顯示[1]，全球重油和天然氣瀝青剩余可采儲量合計約為1.085×1012 bbl，超越常規原油剩余可采儲量；從世界的范圍來看，常規油供應的緊張以及油價的高位震蕩，為稠油的開采提供了良好的機遇，但在開采技術、開采成本以及環境保護方面仍然存在一些難題[2]。

稠油是瀝青質和膠質含量較高、粘度較大的原油[3]。在開采和運送的過程中需要降粘處理，井口加熱器作為在油井口加熱原油的加熱設備，在原油開采，特別是稠油的開采中扮演著重要角色。目前井口加熱設備采用的加熱方式主要有兩種，蒸汽伴熱和水浴加熱。加熱裝置主要有燃氣、燃油爐和電熱水套爐[4]，這些裝置在一定程度上能夠起到加熱原油的目的，但存在許多弊端，如，熱慣性大，熱滯后性大，加熱效率低等。相比于燃料加熱方式，電力加熱[5]具有清潔衛生、污染小、熱效率高（可達85%～95%）等優點，目前受到了廣泛的關注，已經有很多的電加熱器應用于原油加熱中。但現有的電加熱器仍存在加熱不均勻，升溫速度慢，加熱不完全等問題[6]。

筆者針對這些問題，在加熱裝置中進行了一些改進，設計了一種新型井口加熱器實驗裝置，解決加熱不均、加熱效率低等問題，為井口加熱原油工藝設計提供實驗依據，為高效井口加熱器設計提供實驗基礎。

1 設計依據

根據傳熱學相關知識可知，流體在不同流動狀態下，其傳熱系數也不同。筆者從這一角度出發，對井口加熱器進行改進，并從兩個方面提高加熱效率，即延長加熱時間和改變流體流動狀態。原油屬于易燃易爆品，為了保證安全性，在該裝置中設置了安全閥，防止加熱器內由于壓力過大而發生爆炸。

1.1 延長加熱時間

傳統井口加熱方式存在加熱時間短，原油加熱不均等缺點，該加熱器設置了旋流片，一方面增加了原油在加熱器內流動的路程，另一方面由于擋板的阻隔，減慢了原油的流動速度，兩方面都延長了原油在加熱器中的停留時間，有利于原油均勻受熱，提高加熱效率[7]。

此外，旋流片的存在有助于流體產生湍流擴散，增加流體與壁面的沖擊，減少污垢的產生，從而減小污垢熱阻。對于粘度較大的流體來說，污垢熱阻會占傳熱總熱阻的一半以上，因此，降低污垢熱阻可以有效的提高傳熱效率。

1.2 改變流體流動狀態

根據邊界層理論[8]可知，對流傳熱過程中的熱阻主要集中在邊界層，邊界層為靠近壁面的一層非常薄的層流底層，該層流體主要發生熱傳導而非對流傳熱，傳熱熱阻大，因此，破壞或減薄邊界層是增加傳熱效率的重要途徑。為此，裝置中設置了渦流裝置可以將油水混合物的流動狀態由層流狀態轉換成湍流狀態，以提高油水混合物的傳熱系數。當流體呈湍流狀態時，流體質點混合充分，流體質點間的溫度梯度相對較小，層流底層變薄，從而導致傳熱熱阻變小，提高傳熱效率[9]。

1.3 防爆裝置

該井口加熱器在柱體外部安裝一個安全閥，當加熱器內壓力過高時，可以通過安全閥減小壓力，避免爆炸的發生。此外，在傳統加熱方式中，很容易出現油水分離的情況，由于密度差，會使油層運動速度快，導致溢流管堵塞，從而引起爆炸，但在該加熱器中，擾流裝置的存在會使油水混合物充分混合，避免分層的出現，從而防止了爆炸的發生。

2 井口加熱器裝置設計

本加熱器實驗裝置是由柱體外殼，加熱系統，擾流系統，安全防爆系統組成。其中外殼包括進液管、柱體和溢流管，溢流管上設有溫度表和流速表；加熱系統包括電加熱管和旋流片；擾流系統包括渦流裝置；安全防爆系統包括安全閥，溫度表和壓力表。裝置圖見圖1所示。

2.1 加熱系統的設計

加熱系統由一定尺寸的空心金屬柱體和電加熱管構成，利用電熱阻放熱形成加熱場，電加熱管是管狀電熱元件，它是由金屬管、螺旋狀電阻絲及結晶氧化鎂粉等組成的。氧化鎂粉具有較高的導熱性能，能夠將熱量迅速傳遞到加熱管表面，使電阻絲與管壁溫度更接近。電加熱管是專門將電能轉化為熱能的電器元件，加熱效率高，價格便宜，使用方便，安裝方便，無污染，被廣泛應用于各種電加熱場合。本設計采用的加熱管額定電壓為220 V，額定功率為2 kW。

圖1 加熱器實驗裝置結構示意圖Fig.1 heater experiential device diagram

旋流片安裝在電加熱管上，將加熱管改裝成螺旋式加熱管，能夠延長流體在柱體內的加熱時間，增加流體和柱體的沖擊力，減少污垢的產生，降低傳熱熱阻，從而使流體加熱充分，提高加熱效率。

2.2 擾流系統的設計

在加熱器進口處安裝渦流裝置，流體流經該裝置時，其流動狀態發生改變，由層流狀態轉變成湍流狀態，從而增大傳熱系數，提高加熱效率。另外，湍流狀態有助于油和水更充分的混合，避免油水分離和爆炸的發生，巧妙的實現了設計要求。

2.3 安全防爆系統的設計

在含有易燃易爆氣體或在蒸汽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，重要的是在使用期間，始終保持良好的防爆性能，不會出現由于溫度異常而導致引燃周圍可燃性氣體或蒸汽造成的爆炸事故。因此，該裝置安裝了安全防爆系統。

本設計將該加熱器的承載壓力設定為5 MPa，為了進一步確保加熱器的安全性，在加熱器上部增設安全閥。當加熱器內部壓力高于3MPa時，安全閥會自動釋放壓力，避免加熱器內部由于壓力過大而引起爆炸事故。

為了實現模擬加熱井口原油，本實驗裝置的加熱系統包括以下單元：電加熱管，旋流片；為了改變流體流動狀態，本實驗裝置的擾流系統包括：渦流裝置；本實驗裝置的安全防爆系統包括：壓力表，溫度表，安全閥。旋流片安裝在加熱管上，放置在柱體內，流體在一定壓力下由進液管流入柱體，通過加熱管的加熱，由溢流管流出，在此過程中，流體流經渦流裝置，其流態會發生變化。該實驗裝置是測定流體的不同流態對加熱效率的影響。由閥門來控制流體的流速，并通過溫度表，流速表來測定流體的物理參數，最后為了保證實驗的安全性，安裝一個安全閥，并通過壓力表來觀察裝置內的壓力變化情況。

3 結束語

根據井口原油加熱的實際工藝特點，設計制作一種井口原油加熱的實驗裝置。它是由柱體，加熱系統，擾流系統，安全防爆系統組成。該實用新型利用加熱管加熱來模擬原油溫度，并利用加熱器進口處的渦流裝置來改變原油流動狀態，通過觀測柱體出口溫度表的變化來研究井口加熱器的加熱效率。該實驗裝置設計已經成功申請國家專利，專利號為201210499618[10]。結合實際實驗需要，本設計可研究以下問題：

（1）在井口加熱原油的過程中，通過增設旋流片，延長原油流動的路程，增加原油在加熱器中的加熱時間。同時，旋流片增加原油外旋力，增強原油與柱壁的沖擊力，減少污垢的產生。

（2）井口加熱原油的過程中，溫度分布不均勻，易導致油水分離現象，使加熱效率變低甚至產生爆炸。為此，本設計在加熱器進液口中安裝了渦流裝置，用以研究流體湍流對加熱效率的影響。

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