導熱油與電熱風在石油儀器地層溫壓模擬試驗裝置上的應用比較

張蔚紅，宮娜娜，李 琨

(1.陜西能源職業技術學院，陜西 咸陽 712000；2.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司長慶井下技術作業公司，陜西 西安 710021；3.西安電爐研究所有限公司，陜西 西安 710061)

在石油儀器和井下作業工具研發制造過程中，能否適應不同地層深度的耐溫耐壓指標，是評價井下儀器技術水平、工作情況、儀器價格因素的重要依據。常見的聲波、變密度、電極系、超聲成像、多極陣列聲波、磁定位等測井儀器，馬龍頭、旋轉與柔性短節、偏心器、導向膠錐等井下作業工具，這類儀器工具的耐溫耐壓性能必須進行技術和質量檢測試驗，這也是石油勘探儀器研發制造的基本環境測試要求之一。

通過高溫高壓測試試驗，可進行材料強度與結構設計論證，儀器工作性能的可靠性與穩定性測試，對研發產品的高精度、高可靠、高效率特性驗證，為產品批量生產質量的穩定性做產品過程控制監控。測井儀器的高溫高壓模擬試驗裝置加熱與換熱系統，目前行業內大多采用導熱油和電熱風方式，包括國外技術領先的哈里伯頓、貝克休斯、斯倫貝謝三大石油技術服務公司在內的，國內外同類裝置大多數以采用導熱油換熱方式為主。2013年，中石油某測井公司在廣泛調研和充分論證基礎上，針對導熱油換熱方式存在換熱效率低、安全隱患多、環保性能差的缺點，采用電熱風對傳統導熱油換熱方式實施技術革新，經過反復實驗和設計優化改進，研發試驗成功并正式投入使用，技術經濟效果良好[1-3]。

本文在介紹高溫高壓模擬試驗裝置的功能與組成的基礎上，分別對導熱油與電熱風兩種加熱方式，從加熱原理、設備組成、建設投資、運維管理、應用效果等方面進行對比分析。電熱風相比導熱油換熱方式在安全、環保、節能方面技術優勢明顯，主要體現在：換熱效率高，試驗周期短，節能效果明顯；維護簡單方便，運行管理成本低；設備組成簡單，一次投資小，安全隱患少；無污染，無泄漏，環保性能好；空氣常壓換熱，運行穩定安全；使用操作簡單，勞動強度小；占地面積減小，空間利用率高；控制精度高，試驗數據可信度高。電熱風替代導熱油換熱技術，由于去除導熱油循環加熱介質，避免試驗過程中環境污染和易燃易爆的安全隱患，降低試驗現場防爆等級要求[4]。電熱風替代導熱油換熱技術，具有節能高效、安全環保、運行可靠的優點。

1 高溫高壓模擬實驗裝置原理組成

1.1 高溫高壓試驗裝置功能要求

試驗用高溫高壓模擬實驗裝置，用來模擬類似地層環境的溫度、壓力等參數，對工作于類似地層環境的井下工具、儀器性能進行耐溫耐壓性能檢測試驗，主要由超高壓容器、升降溫系統、加壓卸壓系統、電氣儀表測控系統組成，除此之外還包括視頻監控系統、冷卻系統、空氣壓縮系統等。

模擬試驗裝置一般具有全自動和手動兩種模式，能獨立工作或聯合工作實現以下試驗任務：①單升溫；②單升壓；③聯合升溫升壓；④聯合降濕降壓；⑤單降溫；⑥單降壓；⑦目標值與實際值的誤差比較。試驗控制系統應準確顯示關鍵部位的參數并具有超載或異常報警功能和防止誤操作功能，達到危險壓力時自動泄壓。壓力、溫度傳感器工作異常，自動停止加溫加壓，能夠在緊急情況下能進行人工干預。

主要設計與運行指標：

(1)額定工作壓力/MPa：200；

(2)額定工作溫度/℃：250；

(3)恒溫恒壓過程中溫度上下波動/℃：≤5；

(4)恒溫恒壓過程中壓力波動/MPa：≤2；

(5)釜體內徑/mm：210左右；

(6)釜體有效長度/m：10左右；

(7)升溫速率/℃·min-1：≥1.0。

1.2 超高壓容器(高壓釜體)

超高壓容器是高溫高壓試驗裝置的核心部件，采用鍛件制造的厚壁釜體，懸掛式支承，上端部位于地面，筒體置于深基坑，以確保工作時的安全。上端部設計快開結構，橡膠O形圈密封，旋轉壓緊螺母就能打開封閉超高壓容器。超高壓筒體的常溫試驗條件為：最大工作壓力為200 MPa，由超壓控制系統實現升壓、保壓和泄壓。高溫高壓試驗條件為：最高工作溫度280 ℃，最高壓力250 MPa。采用電熱風加熱方式時，空氣傳熱響應速度快，需要對換熱過程溫度變化引起超高壓筒體內外溫差應力，以及與內壓施加釜壁承受的主應力疊加后的當量應力強度進行校核，杜絕出現組合應力超過筒壁材料的當量應力的危險工況。圖1分別為電熱風和導熱油配套的超高壓容器示意圖。

圖1 超高壓容器示意圖

1.3 超高壓與空氣壓縮系統

超高壓系統用來實現加壓和卸壓功能。試驗裝置加壓，通過超高壓泵向超高壓容器注入液體來實現，卸壓則通過開啟卸壓閥門將液體排出而達到卸壓的目的。超高壓系統包含可遠程控制的氣動閥門和手動操控的閥門，在緊急狀況下能夠實現自動或手動操作，并關閉閥門。超高壓系統中設置爆破膜裝置，以確保整個裝置的安全。

空氣壓縮系統可給超高壓系統中的超高壓氣動閥提供工作氣源，并實現在控制室中對其實現遠程控制的功能。超高壓氣動閥的開關的控制是通過電磁閥來實現。卸壓大小有控制臺自動卸壓控制開關來實現。當該閥遠操出現故障時，可通過手動高壓閥來卸壓。

1.4 加熱循環系統

1.4.1 導熱油加熱循環系統

導熱油閉式循環系統是指與大氣隔絕的導熱油供熱系統。目前，有兩種導熱油閉式循環系統。一種是利用惰性氣體阻隔空氣的導熱油閉式循環系統，當導熱油受熱膨脹或低沸物氣化后，自動排放調節閥會在膨脹槽內的壓力增至設定的最高壓力時自動向外排氣，排氣至合適壓力后關閉，確保系統安全。另一種是利用冷油液封裝置阻隔大氣的導熱油閉式循環系統，通過對膨脹槽及儲油槽進行簡單的改裝，將膨脹槽的排空口加裝管道活節延長后，插入有一定液位的冷油罐中，同時將連接膨脹槽和儲油槽的溢流管插入有一定液位的儲油槽中，避免空氣與高溫有機熱載體接觸。

導熱油加熱循環系統能夠實現升溫和降溫功能，包括加熱回路和冷卻回路二個部分，回路的轉換是通過電動三通閥的切換來實現。導熱油在系統中的流動是依靠循環油泵來實現的。電加熱器分成4組加熱導熱油，當超高壓容器內的溫度達到設定值時，關閉3組電加熱器，保留1組作為超高壓容器的保溫熱源。當需要給超高壓容器降溫時，關閉4組電加熱器，通過電動三通將導熱油切換至導熱油冷卻器再進入超高壓容器和預熱筒體夾套。圖2為導熱油加熱原理及組成系統圖。

圖2 導熱油加熱原理及組成系統圖

1.4.2 電熱風加熱循環系統

電熱風加熱系統實現升溫和降溫，通過在釜外設導流筒，筒外設環狀加熱帶和保溫筒，也包括加熱回路和冷卻回路兩部分，回路的轉換是通過電動閥的切換來實現的。電熱風在系統中的流動是依靠45 kW變頻風機使熱量通過導流筒對釜體進行循環，實現加熱和降溫的。電加熱帶總功率約180 kW，可分成2～3組來控制加熱導流筒內空氣大流量循環，通過釜內釜外溫度串級控制方式實現超高壓容器試驗介質溫度的恒定。空氣循環時的風壓約1 200 Pa、風量約14 000 m3/h。

熱風循環系統由離心變頻風機、熱風單向閥、冷風單向閥、變頻裝置、頻率控制裝置、風量傳感器、管道等組成，加熱和降溫過程中適時提供循環風，通過控制風機的轉速來調節風量和風速的大小，實現按程序曲線加熱和降溫的試驗要求。圖3為電熱風加熱原理及組成示意圖。

圖3 電熱風加熱原理及組成示意圖

1.5 循環冷卻系統

導熱油方式：冷卻水系統可將導熱油從試驗容器夾套內帶出的熱量，通過導熱油冷卻器和冷卻塔傳遞到大氣中，整個系統采用閉式循環，以達到節約水的目的。

電熱風方式：冷風循環系統通過與外界空氣置換，將試驗容器內的熱量快速帶出。當需要給超高壓容器降溫時，切換、調節電動閥門，將冷空氣與熱空氣置換循環，逐漸實現降溫。風機出風口與外風道聯通，冷風進風口和熱風抽風口均設置在室外，便于換熱。

1.6 電氣控制與監測系統

電氣控制系統主要由配電柜、控制臺、儀表柜、操作臺、電視監視器、流程顯示屏、溫度壓力傳感器、現場設備控制箱以及監控軟件等部分組成，實現試驗裝置運行安全保護、回路參數的監測、試驗參數的設定和控制等功能。數據采集與控制系統采用微機化集散型控制方式，裝置各部分的控制由相應的控制單元獨立完成，各工作站間通過通訊網絡傳遞各種信息協調工作，以完成控制系統的總體功能，包括壓力、溫度、超限報警及安全保護，優化處理和實時歷史數據記錄等功能。

2 電熱風與導熱油技術經濟對比分析

2.1 換熱效率與試驗周期

在同等試驗條件下，進行對比分析：溫度：50 ℃→250 ℃→90 ℃；壓力：0 MPa→200 MPa→0 MPa。導熱油方式：升溫9 h，降溫4 h，共13 h，一次試驗需要1個工作日并加班才能完成；電熱風方式：升溫4.5 h，降溫3.5 h，共8 h，一次試驗優化后可在1個工作日完成。通過優化試驗操作流程，電熱風高溫模擬裝置可配合高壓系統可在8 h內完成高溫高壓聯合模擬試驗，與傳統的導熱油加熱過程相比，175 ℃、140 MPa的常規試驗周期縮短近1/3，傳熱換熱效率高、試驗周期短技術經濟優勢明顯。

2.2 設備組成與投運成本

導熱油升降溫系統：升溫、降溫功能獨立實現，降溫需要獨立冷卻水系統。升降溫系統設備包含電加熱油罐、不銹鋼高溫油泵、儲油罐、不銹鋼油氣平衡罐、不銹鋼釜體加熱罐、不銹鋼導熱夾套、管超高壓換熱器、不銹鋼旋板換熱器、不銹鋼水箱、高溫電動閥門、高溫手動閥門、不銹鋼輸油管及法蘭等12類。

電熱風升降溫系統：升溫、降溫功能通過冷熱電動閥門切換實現，升溫降溫均由循環風系統實現。升降溫系統主要設備僅有風加熱電爐、高溫風機、高溫電動閥門、各類保溫材料等5類。

電熱風相比導熱油，系統組成簡單具有安全隱患少，初次投資小，占地面積小，操作簡單可靠，維護檢修少，運營管理成本小的技術優勢。

2.3 運行維護與檢修更新

導熱油方式：油、水、電管路線路連接接口多，拆裝麻煩，釜體檢修需吊車，將釜體及預熱筒體一起提出進行檢修；檢修保養周期一般要15天左右。U型全浸式電加熱器長期浸泡在導熱油中，隨冷熱交替變換已損壞，不能隨時更換，必須進行大修更換。

電熱風方式：釜體檢修時，拆開各引電極連接電纜和各加熱段連接螺栓，只需用3T行吊將電加熱筒分段提出，在井下即可對釜體進行檢修，一般要3～5天，維修簡便。發熱體采用分區分組方式設計，電阻發熱體采用鎳鉻電阻帶，表面負荷高，可靠耐用，若斷裂可進行幫條焊接。

2.4 節能效果與試驗效率

導熱油方式：導熱油采用4組電加熱器，設計功率196 kW，冷卻系統30 kW，保溫層140 mm，導熱油蓄熱量大，對流效果差，降溫慢，一次試驗周期13 h。

電熱風方式：電熱風加熱分2區6組，設計功率180 kW，循環風機系統45 kW，均勻圍繞超高壓釜體布置，通過高速大風量強對流換熱，保溫層采用90 mm纖維毯，熱對流效果好，爐內蓄熱量小，降溫速度快，一次試驗周期8 h。整體節能相比達到30%以上，節能效果明顯，生產效率高。

2.5 安全環保與先進可靠

導熱油方式：導熱油采用4組電加熱器，采用開關控制方式，控制策略簡單，導熱油溫度系統滯后性大，溫度容易過沖，超調量大，保溫階段溫度偏差大于2 ℃。

電熱風方式：電熱風加熱分別測量釜內、釜壁、爐膛溫度，采用串級跟蹤保護控制策略，充分考慮壓力溫度耦合因素，強對流換熱溫度反應快，保溫階段使試驗介質控溫偏差小于1 ℃，溫度控制精度0.5 ℃，升降溫能耗降低30%以上。

通過對比分析，顯而易見，電熱風方式控制精度高，試驗可信度高，空氣常壓換熱，運行穩定安全。整體操作簡單方便，無污染無泄漏，安全環保性能好，運行穩定可靠。

3 電熱風實施的技術難點

3.1 高溫高壓釜體的安全

電熱風高壓試驗裝置以空氣為換熱介質，采用外熱式電阻空氣熱風爐，給超高壓釜體加熱，通過釜壁換熱和厚壁釜傳導傳熱的方式，加熱釜內的試驗介質。這種方式換熱效率高，但在升降溫開始或切換階段，容易出現釜體內外溫差峰值區域，產生的溫差應力對高壓筒體造成不利，這種驟熱驟冷的溫差峰值區域必須在操作工藝得到控制和改進。

高壓釜體內外短時溫差不超過150 ℃，加熱過程中釜體內外溫度控制，既要保證釜體安全，又要快速穩定地保證釜內達到試驗目標溫度，成為高溫超高壓試驗裝置的溫度壓力控制難題。若通過人為干預控制模式，經常會因時機不恰當、力度不合適等因素，造成控制誤差大、加熱時間長、操作失誤多等問題，影響高溫高壓聯合試驗順利進行。經過多次摸索實踐總結，采用溫度跟蹤保護控制的方法，可在保證釜體安全的前提下，根據釜內試驗目標溫度自動調節加熱電源功率調整裝置的輸出功率，以最快速度按照試驗要求對釜內試驗介質溫度進行精確控制，完成高溫高壓試驗[5]。

3.2 高溫高壓試驗規程的動態調整

空氣傳熱響應速度快，需要對換熱過程溫度變化引起超高壓筒體內外溫差應力，以及與內壓施加釜壁承受的主應力疊加后的當量應力強度進行校核。校核計算旨在判定當在高溫高壓試驗過程中，筒體內壁存在的各項應力值是否使筒壁處在危險應力狀態，并使當量應力值限制在最大應變能理論允許應力值的合理性范圍內，對筒體外壁打孔、試驗升降溫速度控制、釜體內外溫差合理控制和工作制度設計提出理論依據。

當因高溫高壓試驗需要超過允許數值時，須對試驗要求條件對筒體進行綜合應力強度校核[6]。在不超過允許當量應力的前提下，采取必要的安全措施。在具體操作實踐中，可以根據具體試驗條件，包括季節、室溫、試驗儀器、容積量等，設計升降溫速度、溫差控制、保溫保壓時間等高溫高壓試驗工藝。主要試驗工藝技術要求如下：

1)試驗工藝周期設計

在加熱加壓系統達到運行穩定后，完成一次升溫降溫試驗周期不大于8 h，一次試驗周期為：高壓釜內水介質由20 ℃升溫至試驗溫度，最高不超過250 ℃，保溫保壓30 min后，然后再從試驗溫度降至90 ℃左右的安全溫度。

2)應力對溫度控制要求

從計算分析和實際操作看出，溫差引起的熱應力對超高壓筒體強度不利的安全影響必須重視。在試驗加溫初始階段，按照工藝曲線緩慢提高升溫速度，避免驟熱溫差峰值出現。試驗降溫開始階段，逐步提高降溫循環風量，避免出現驟冷溫差峰值。

高壓釜體外表面最高溫度不大于300 ℃；高壓釜外表面上下溫差不大于20 ℃；高壓釜內部的壓力超過100 MPa時，超高壓容器內外壁溫差不大于60 ℃。

4 結 論

本文在介紹高溫高壓模擬試驗裝置的功能與組成的基礎上，分別對導熱油與電熱風兩種加熱方式從加熱原理、設備組成、建設投資、運維管理、應用效果等方面進行對比分析。整體而言，電熱風替代導熱油換熱方式具有安全、環保、節能、高效、先進的技術優勢，符合產業發展的要求和發展趨勢。熱風替代熱油技術，為石油儀器開發和井下工具質量檢驗和科技研發提供了新手段，在石油、煤炭、航天、兵器等高溫高壓模擬測試領域，具有廣泛的推廣應用價值。