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新型节能油井井口加热装置设计制作

2023-01-09 来源:小侦探旅游网
第42卷第3期 2013年3月 当 代 化 工 Contemporary Chemical Industry V0].42.NO.3 March,2013 新型节能油井井口加热装置设计制作 孙 林 ,赵守刚2李君伟 ,潘 一 (I.辽宁石油化工大学,辽宁抚顺I13001; 2.沈阳新光电气制造有限公司,辽宁沈阳110044) 摘 要:根据湍流热导系数大于层流热导系数的原理,设计了一种应用于原油井口的节能加热装置。该装 置采用电加热方式,在加热管上设有旋流片,使油水混合均匀的同时加强其湍流形态,以获得更大的热导系数。 该装置配有防爆系统,使该加热装置能够更加安全稳定的运行。该装置原理可行,节能环保,安全可靠,可广 泛的应用于油田原油井口加热。 关键词:井口;原油;电加热;旋流片;防爆;节能 文献标识码: A 文章编号:1671—0460(2013)03—0285—04 中图分类号:TE 003 A New Design of Oil Wellhead Heater SUNLin ,ZHA0 Shou-gang ̄,LIJun—wei , ⅣM (1.Liaoning Shihua University,Liaoning Fushun 1 1 300 1,China; 2.Shenyang Xinguang Electric Co.,Ltd.,Liaoning Shenyang 1 1 0044,China) Abstract:According to the fundamental that the heat transfer coeficifent of turbulent flow is higher than that of laminar flow,a kind of equipment is designed to heat the crude oil in wellhead.The equipment adopts electrical heating mode,the twisted—leaves on the heating tube can homogeneously mix oil and water,synchronously enhance the urbultence system which can obtain bigger heat transfer coeficient.The fanti—explosion system is applied in this device, which can keep the device working under a safe and stable environment.This device has many advantages of energy saving and environmental protection,safe and reliable,so it can be widely used in wellhead heating of oilfields. Key words:Wellhead;Crude oil;Electric heating;Swirl plate;Explosion--proof;Energy-・saving 稠油具有较高的粘度,需在井口处加热降粘以 便输送到联合站。传统的加热方式有蒸汽伴热和水 浴加热。燃气、燃油炉和电热水套炉是产生热能的 主要装置,这些装置一般都包含燃油回路、热媒回 路和换热器回路等众多附属设备。其缺点是系统较 为庞大,热惯性大,热滞后性大;不是以控制原油 出口的温度为控制对象,属于开环加热,其加热效率 低,保温比较困难,热损失严重。如电热水套炉热效 率为50%左右,燃气、燃油炉热效率仅为20%左右 …但同燃料加热方式相比,电力加热拥有清洁卫 生、热效率高(可达85% 95%)、安全、可调节、系 统简便等优点 。电加热器凭借其加热效率高、污 染小等优势,在石油工业上受到很大的关注,已经 有越来越多的电加热器应用于原油加热中,但仍存 在加热不均匀,升温速度慢,加热不完全等问题。 未解决上述问题,从提高油水混合流体的导热系数 人手,设计了一种新型节能井口加热器。 。1设计依据 井口加热运输的是原油和水的混合流体。而流 体呈层流状态流动时,流体的液面会发生油水分离 的情况,致使流体在加热器内加热不均匀,部分原 油加热不充分,不能达到输送要求的温度。另外, 原油在水的浮力作用下,会出现加速流出加热装置 现象,导致原油的加热时间变短,亦使原油不能到 输送要求的温度。少数极端情况,未达到要求的原 油加速流动导致加热器出口堵塞,不但影响了流量, 甚至会导致爆炸事故发生。另外,在加热过程中会 有少部分原油附着在加热器管壁上,严重影响加热 效率。因此,加热器加热时亟待解决的问题就是如 何使油水混合均匀,加热均匀,在固定加热器内如 何延长加热时间,并降低原油对管壁的附着。 1.1 湍流传热系数高于层流 粘性流体存在着层流及湍流两种不同的流态。 层流时流体微团沿着主流方向作有规则的分层流 动,而流体呈湍流流动时除了主流方向上的运动外, 流体的微团还做不规则的脉动,当流体中某个微团 从一个位置运动到另一个位置时,不同温度层之间 有附加的热量交换,产生附加的切应力对流体微元 做了功。湍流减小了流体质点间的温度差,而且使 基金项目:辽宁石油化工大学博士启动金资助,项目号:201 2XJJ一011。 收稿日期:2012-i1—27 作者简介:孙林(1988一),男,辽宁抚顺人,硕士生,从事油气田开发研究。 通讯作者: 潘一(1976一),男,讲师,博士,研究方向:油气田开发,稠油开采技术研究。E-mail:panyi@Inpu.edu.cn。 油水混合物充分的混合,避免了油水分离。 根据牛顿冷却公式: q=hat 其中:q~热流密度,W/m ; h一对流换热系数,W/(m2.℃); 温差,℃。 根据傅里叶定律: g 一/L 一 oy 其中:q一热流密度,w,m2; 流体的导热系数,W/(m K); 0t一流体的温度变化率, ̄C/m。 牛顿冷却公式和傅里叶定律联立得 △f 根据局部传热系数的计算方法 h: 其中:h一对流换热系数,W/(m2.℃); ^一流体的导热系数,W/(m・K); at—边界层厚度,m。 o't 61.5 d尺e 其中:Re一雷诺数; ot一边界层厚度; d一管的半径。 基于以上叙述,湍流内流体质点充分混合,质 点温差比层流小,流体内部有热量交换,根据以上 公式可得,湍流的传热效率大于层流,并且在一定 范围内,流速越大,雷诺数越大,传热效率越大。 因此,在加热原油的时,为了能够高效的对原油 加热,应改变流体的流动状态为湍流,湍流能够使油 水质点充分混合,避免了油水分离的现象,减小了流 体与加热管间的边界层厚度,加热均匀且高效。 为此,在加热管上安装旋流片,以实现上述目 的。通过旋流片的流体呈连续的螺旋状流动并形成 旋流,具有明显的切向速度,可以更充分地扰动流体, 同时更有效地冲刷加热管的外壁面从圆心到半径方 向存在较大的速度梯度场,这个速度梯度场能使流 体在流道中形成湍流,使贴近加热管边界层减薄, 大大增强了传热效果口 。旋流片形成的湍流能使被 加热的油水混合物充分的混合,避免了油水分离,提 高加热效率 I。 1.2延长加热时间 对于以往的加热器,原油因为加热时间过短, 还没有加热到想要的温度就流出了加热器,造成了 不必要的损失。因此,要更好的对原油加热,应该 化 工 2013年3月 延长原油在加热腔内的加热时问。根据速度公式 S=vt 其中:s一路程,m: v一速度: t一时间。 如果要使流体在加热器内获得更多的加热时 间,即必须延长路程或降低流速。而安装旋流片的 加热器刚好能够同时是实现延长流动路程和降低流 速的目的。因为通过旋流片的流体,流体质点径向 移动路程增加,同时旋流片的阻挡作用也减缓了流 体的流动速度。 1.3小结 实践表明,粘度较大的流体换热,污垢热阻占 总热阻的一半左右,旋流片除了使流体产生旋流外, 还可以使流体产生湍流扩散,使流体与加热管壁面 接触处产生类似冲击的作用,使污垢沉积减少,增 加了热阻的稳定性,强化了传热,使加热装置长期 处在高效运行的状态,可达到节能的目的。 旋流片不仅有助于加热,也对加热装置起到了 支撑作用,减小了管束跨距,使加热腔的固有频率 避开了流体的激震频率,避免了因共振引起的破坏, 从而延长设备运行寿命,降低设备维修费用 。 2加热器详细设计 根据以上原理,我们设计该井口加热装置,它 由三部分组成,分别包括加热部分和防爆部分、控 制部分,装置设计的结构如图1、图2所示。 该装置的工作流程是,开采出来的原油从入口进 入加热腔,旋流片使流体螺旋上升,流程增加,流动 状态变为湍流,流体充分混合加热,在加热过程中产 生的气体达到一定压力时可由排气阀自动排出。泥质 和杂质等固体颗粒经有效沉淀后从排垢口排出,加热 后的原油从原油出口流出。在装置工作过程中,控制 系统通过温度传感器提供的有效数据,可随时自动改 变加热器的功率,使腔内介质的温度维持在要求范围 内,提高了温控能力,避免了电浪费;安全防爆系统 时刻监控装置的安全状况,一旦出现紧急状况,立即 采取防护措施,保证装置安全的运行。本装置采用一 体化设计方案,安装简便,容易操作,用户安装后只 需接上一颗电源线即可使用。 2.1 加热系统设计 加热系统由进口,保温壳体,加热管,旋流片, 原油出口组成。被加热的原油进入配有旋流片的加 热器,旋流片改变其流动状态为湍流,强化了传热, 同时延长原油的加热时间,使原油达到了要求,从 出口流出,进入运输管道。另外,加热装置的加热 第42卷第3期 孙 林,等:新型节能油井井口加热装置设计制作 287 管壁以及加热腔壁均采用了技术处理,表面涂有防 缆、防爆温度感应盒、压力表、安全阀、排垢口在 结垢特殊材料,使加热装置在长期工作中不结垢、 不结焦,增加了传热热阻的稳定性,提高了加热装 置的使用效果,延长了加热器的使用寿命。 组成。在使用加热器加热原油时,由于各种不确定 因素,加热腔内的温度有时会发生异常,防爆温度 感应盒内的温度传感器会第一时间把信号发送给防 爆控制箱,防爆控制箱通过绝缘电缆使装置停止工 作,避免了因温度异常所引起的爆炸事故;因为原 油内还有少量溶解气或有可能产生其他气体,由排 图1加热器主视图 Fig.1 The main view of heater 1原油出口;2排气阀;3防爆控制箱;4绝缘电缆;5加热功 率调节器;6原油入口 图2加热器左视图 Fig.2 The left view of heater 1一防爆温度感应盒;2一压力表;3一保温壳体;4一加热管;5-旋流片; 6一安全阀;7一排垢口 电加热器外壁设计了50 mm厚的真空保温层, 能有效地避免空气对流引起的热传递,因此导热系 数大幅度降低,具有优异的绝热性能 。考虑到加 热器工作在野外,环境较恶劣,为防止热量散失,选用 硅酸铝毡和玻璃纤维棉毡多层保温。保温材料的导 热系数低于0.04 kcal/(m ・h・℃),使加热器可在严寒 的气候条件下正常工作。还有,在加热器外壳喷金属 漆,防水、防潮和耐腐蚀 。 2_2安全防爆系统设计 在含有易燃易爆气体或在蒸气的环境中使用的 电加热器,除了要求结构简单、使用方便、质量好、 寿命长之外,更重要的是在使用期间,始终保持良 好的防爆性能不会出现象由于温度异常而引燃周围 可燃性气体或蒸气造成爆炸事故 ,因此,该装置 设计了安全防爆系统。 安全防爆系统由排气阀、防爆控制箱、绝缘电 气阀将其排出装置,避免事故发生。 2.3控制系统设计 控制系统由加热功率调节器、显示屏和电源组 成。由于每个油田的生产状况不同,以及不同季节 进口原油温度的不同,本加热装置装配了能够调节 功率的加热功率调节箱,该装置采用了变频电源的 技术方法 …,通过原油出口处温度传感器所提供的 数据,能够随时随地自动改变加热装置的加热功率。 另外,发热体干烧保护采用电子控制、无浮球 液位控制器及流量闭锁装置等机械式元件,其控制 效果好,寿命长。特殊的结构及控制设计,使本装 置无排空程序,可直接送电工作,免去了排空等程 序,也避免了因排空不到位发生的各种事故该加热 装置使用新型电控系统,实现了软启动,零功率启 动逐渐达到满功;由于管道加热器功率为无极滑动 功率,使加热管从根本上杜绝了频繁启动,减少了 对电网及管道电加热器电气件的损伤。 3应用效果 表1为某油井采用本加热器前后的数据对比。 从表中可以看出,使用本加热器后管阻减少,井口 压力大幅降低,有利于油井生产,有助于提高产量, 使用效果较理想。 表1 管道加热器使用前后对比表 Table 1 Comparison table before and after applying the heater 4结论 该井口加热装置采用了电加热方式,方便、清洁、 无污染;同时内置旋流片的设计可使加热效率高、加 热充分,并且配有安全防爆系统。该装置操作简单, 方便快捷,真正达到了节能减排的目的,相信通过以 后的不断改进和改良后,能够在解决原油井口加热问 题上获得更大的经济效益和社会收益。 (下转第315页) 第42卷第3期 邵鲁华,等:烟气脱硫处理技术研究进展 究[J】.烧结球团,2009,34(06):1 1-14. 315 脱硫的同时还可达到除尘的效果,除尘效率可达到 98% 99%,可以做到脱硫除尘一体化。 [6]刘昌齐,廖继勇,吴毅-石灰石半干法烧结烟气脱硫技术中试研 [7]禾志强,周鹏,张铭,等.有机酸添加剂在石灰石石膏法脱硫中 应用的试验研究[J]冲国电机工程学报,2011,31(23):34--40. 2结论 烟气脱硫是大气污染防治中的一个重要课题, [8]宋存义,周向.双碱法用于烧结烟气脱硫中再生实验的研究[J]l环 境工程,2012,30(03):127—130. 笔者对近年来国内外脱硫技术的研究机理和发展 [9]王永刚.双碱法用于旋转填充床脱除气体中二氧化硫的研究【D].北 京:北京化工,2011. 现状进行了综述。国外对烟气脱硫工艺的研究已相 当成熟,而我国在这方面的研究工作还处于起步阶 [10]裴洪礼,宋华福.电石渣钠钙双碱法在锅炉烟气脱硫中的应用【JJ .中国氯碱,2012(02):26—28. [1 1]位朋,李惠萍,靳苏静,等.氧化铝赤泥用于工业烟气脱硫的研究 .段,企事业还没有充分认识到烟气脱硫的重要性。 笔者建议今后需要围绕以下几个方面开展工作:脱 硫剂再生性能的研究,新型绿色高效脱硫剂的研 发,脱硫设备的研制与革新。 参考文献: [1]Tae Jin Lee,In Hak Cho,No—Kuk Park.Desulfufization using ZnO nanostructure prepared by matrix assisted method[J] 2009, 26(2):582-586. 化工进展,201 1,30(S1):344—347. [12]邓仁昌,卢世柱,狄瑜,等.氧化锌吸收一电解废液分解工艺治理低 浓度二氧化硫试验【J]_热带农业科学,2011,31(04):43—47. [13]麻芳.纳米氧化镁吸附剂的制备及烟气同时脱硫脱稍研究[D].沈阳: 东北大学,2009. [14]蒋磊,、陶语若,沈超,等.燃煤烟气微生物循环脱硫工艺研究『J1_ 金属矿山,20O9(12):138—141. 『15]毛永杨,王海玉,‘孙珊石,等.生物法同时脱除高温烟气中s0:和NO 的实验研究叨l云南大学学报,2012,34(2):227—231. [2]翟林智,钟秦,杜红彩,等.醇胺类离子液体合成及其烟气脱硫特 性[J】.化工学报,2009,60【2):450-454. [16]张书平,李茹,崔心水脱硫生物膜滴滤塔启动实验研究【J】.西安 工程大学学报,2010,24(05):598—601. [3]韩芳.聚乙二醇一水体系吸收二氧化硫的气液平衡研究[D].呼和浩 特:内蒙古工业大学,2009. [17]崔振东.膜吸收法浓海水烟气脱硫试验研究(D].青岛:中国海洋大 学,2010. [4]吕芳.碱性离子液体的制备和脱硫性能的研究[D]石家庄:河北科技 大学,2009. [18]吕强三,胡金山,李红霞.NaOH为介质的乳状液膜烟气脱硫【J1_ 河北理工大学学报,2010,32(03):67—70. [19]肖耀,任芸芸.麻石水膜法在烟气脱硫除尘中的应用[J].广东化工, 2012.39(04):45—46. [5]夏迎迎,付炜,田大林,等.石灰石高温煤气脱硫的试验研究I Jll环 境工程学报,2009.30 1):2026—2030. 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