稠油開(kāi)發(fā)注蒸汽鍋爐燃油加熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

黃琪 曾順鵬 吳志遠(yuǎn) 劉柯彤 許文赟

摘要：針對(duì)遼河油田所使用的爐前燃油加熱器隨使用年限增加，傳熱效率降低的問(wèn)題，在不增加加熱器體積的前提下，通過(guò)在爐體內(nèi)部焊接折流板的方法增加燃油受熱時(shí)間，結(jié)合Comsol?Multiphysics仿真軟件確定折流板最優(yōu)安裝位置及長(zhǎng)度，以達(dá)到增加傳熱效率、節(jié)約成本的目的。按照數(shù)值模擬結(jié)果實(shí)裝折流板后將加熱器投入運(yùn)行并記實(shí)時(shí)溫升，再與優(yōu)化前結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，優(yōu)化后燃油加熱器溫升效率提高約25%，單臺(tái)加熱器年均節(jié)省資金約為16464元。

關(guān)鍵詞：稠油油藏;燃油加熱器;數(shù)值仿真;溫升效率;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

蒸汽吞吐熱采技術(shù)做為目前最成熟、最普遍的開(kāi)采重油方法，被廣泛應(yīng)用于各大稠油油田。由于稠油具有很高的溫度敏感性，油田上通常采用燃燒原油的方法來(lái)加熱蒸汽。然而，從供油泵直接送出的原油粘度較高，無(wú)法滿足鍋爐對(duì)燃油流動(dòng)性及霧化的要求。因此，須將燃油在加熱器中預(yù)加熱到一定溫度使其達(dá)到霧化效果。油田上使用的燃油加熱器普遍采用電加熱管對(duì)各類(lèi)燃料介質(zhì)進(jìn)行直接加熱，即燃料從入口進(jìn)入加熱腔，經(jīng)過(guò)加熱后由出口流出。但是，這種單流程式的燃油加熱器加熱不均勻，且燃油加熱器所使用的加熱用電阻絲會(huì)因自身壽命、人為操作、環(huán)境等因素，在加熱電阻絲表面結(jié)焦積碳、氧化腐蝕（圖1、2），使其傳熱效率降低，無(wú)法滿足出口油溫達(dá)標(biāo)的要求，造成無(wú)法及時(shí)啟動(dòng)鍋爐的后果。

圖1?因氧化腐蝕斷裂的加熱電阻絲??????????圖2?在表面結(jié)焦、積碳的加熱電阻絲

因此，在不增加燃油加熱器體積和出口油溫滿足生產(chǎn)要求的前提下，對(duì)加熱器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)在加熱器內(nèi)加裝折流板的方式使介質(zhì)以迷宮式路線運(yùn)動(dòng)（圖3），增加介質(zhì)在加熱器內(nèi)流動(dòng)時(shí)間來(lái)提高傳熱效率，對(duì)保障生產(chǎn)流程暢通、節(jié)約投入成本都具有重要意義。

圖3?迷宮式構(gòu)造燃油加熱器結(jié)構(gòu)

1確定折流板規(guī)格

由于折流板的安裝位置和長(zhǎng)度會(huì)影響加熱器的加熱效率。因此，需要利用軟件模擬的方法確定折流板最優(yōu)安裝位置和長(zhǎng)度使加熱器在特定環(huán)境下傳熱效率達(dá)到最高。軟件在穩(wěn)態(tài)流動(dòng)的狀況下，Comsol?Multiphysics軟件無(wú)法通過(guò)控制相同的出口溫度來(lái)模擬最優(yōu)變量（折流板的位置與長(zhǎng)度），但可以模擬相同時(shí)長(zhǎng)內(nèi)，不同變量（折流板的位置與長(zhǎng)度）下得到的溫升值來(lái)確定最優(yōu)參數(shù)值。以BZYJR-7型燃油加熱器的規(guī)格參數(shù)進(jìn)行模擬，分別設(shè)置折流板安裝位置與長(zhǎng)度（表1、2）。

通過(guò)參數(shù)化掃描計(jì)算得到折流板處于不同位置和長(zhǎng)度時(shí)域探針（域探針位置設(shè)置在加熱介質(zhì)出口處）處的溫度表及對(duì)應(yīng)曲線示意圖（圖4、5）。由結(jié)果圖可以看出，應(yīng)用于BZYJR-7型燃油加熱器的折流板最佳安裝位置（直徑）應(yīng)為0.34m，長(zhǎng)度應(yīng)為1.86m。

圖4?不同折流板位置下探針溫曲線度圖

圖5?不同折流板長(zhǎng)度下探針溫曲線度圖

2現(xiàn)場(chǎng)實(shí)裝及測(cè)試

考慮到工業(yè)電壓為380V，為了使電壓均勻分配，我們?cè)O(shè)計(jì)使用3組每組4根加熱電阻絲的規(guī)格進(jìn)行實(shí)裝（圖6），加裝全部熱阻后，按照模擬結(jié)果的尺寸制作折流板并焊接（圖7），與內(nèi)部熱阻共同形成加熱室，最后再安裝外部殼體并完成接線。

圖6?加裝熱阻???????????????????????????圖7?焊接折流板

將組裝完畢的新型電加熱器通過(guò)打壓試驗(yàn)合格后，投入運(yùn)行試用。對(duì)新型電加熱器出、入口介質(zhì)溫度和加熱器電流測(cè)試。測(cè)試方法如下，將傳統(tǒng)電加熱器與新型電加熱器并聯(lián)在供油流程中，使被測(cè)試的兩種電加熱器處于同等測(cè)試條件下（圖8），通過(guò)測(cè)試新舊兩種電加熱運(yùn)行中的電流及出、入口溫升得出對(duì)比結(jié)果如下所示（表3）（圖9）。

圖8?新、舊兩型加熱器測(cè)試接線圖

3結(jié)論

原有電加熱器工作電流為38A，而新改進(jìn)的電加熱器在相同工作環(huán)境中的工作電流僅28A。考慮到爐前油溫達(dá)到101℃時(shí)即滿足要求，因此，記錄溫度達(dá)到101℃的時(shí)間為21分鐘，而同樣時(shí)間下，舊型燃油加熱器的油溫僅為96℃，且隨時(shí)間增加熱效率持續(xù)降低，繼續(xù)加熱使其達(dá)到101℃所需時(shí)間達(dá)到26分鐘。計(jì)算可得，溫升效率提高約25%，按照大功率用電價(jià)格計(jì)算，單臺(tái)加熱器每年節(jié)約成本超1.5萬(wàn)元。因此，結(jié)果表明結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的燃油加熱器完全符合初始所設(shè)定的各項(xiàng)目標(biāo)值。

作者簡(jiǎn)介：黃琪（1992—），男，碩士研究生，石油與天然氣工程領(lǐng)域，油氣田開(kāi)發(fā)方向.