孫 林，趙守剛，李君偉，潘 一

（1. 遼寧石油化工大學(xué), 遼寧 撫順 113001； 2. 沈陽新光電氣制造有限公司, 遼寧 沈陽 110044）

稠油具有較高的粘度，需在井口處加熱降粘以便輸送到聯(lián)合站。傳統(tǒng)的加熱方式有蒸汽伴熱和水浴加熱。燃?xì)?、燃油爐和電熱水套爐是產(chǎn)生熱能的主要裝置，這些裝置一般都包含燃油回路、熱媒回路和換熱器回路等眾多附屬設(shè)備。其缺點是系統(tǒng)較為龐大，熱慣性大，熱滯后性大；不是以控制原油出口的溫度為控制對象，屬于開環(huán)加熱,其加熱效率低，保溫比較困難,熱損失嚴(yán)重。如電熱水套爐熱效率為50%左右，燃?xì)?、燃油爐熱效率僅為20%左右[1]。但同燃料加熱方式相比，電力加熱擁有清潔衛(wèi)生、熱效率高(可達(dá)85%～95%)、安全、可調(diào)節(jié)、系統(tǒng)簡便等優(yōu)點[2]。電加熱器憑借其加熱效率高、污染小等優(yōu)勢，在石油工業(yè)上受到很大的關(guān)注，已經(jīng)有越來越多的電加熱器應(yīng)用于原油加熱中，但仍存在加熱不均勻，升溫速度慢，加熱不完全等問題。未解決上述問題，從提高油水混合流體的導(dǎo)熱系數(shù)入手，設(shè)計了一種新型節(jié)能井口加熱器。

1 設(shè)計依據(jù)

井口加熱運輸?shù)氖窃秃退幕旌狭黧w。而流體呈層流狀態(tài)流動時，流體的液面會發(fā)生油水分離的情況，致使流體在加熱器內(nèi)加熱不均勻，部分原油加熱不充分，不能達(dá)到輸送要求的溫度。另外，原油在水的浮力作用下，會出現(xiàn)加速流出加熱裝置現(xiàn)象，導(dǎo)致原油的加熱時間變短，亦使原油不能到輸送要求的溫度。少數(shù)極端情況，未達(dá)到要求的原油加速流動導(dǎo)致加熱器出口堵塞，不但影響了流量，甚至?xí)?dǎo)致爆炸事故發(fā)生。另外，在加熱過程中會有少部分原油附著在加熱器管壁上，嚴(yán)重影響加熱效率。因此，加熱器加熱時亟待解決的問題就是如何使油水混合均勻，加熱均勻，在固定加熱器內(nèi)如何延長加熱時間，并降低原油對管壁的附著。

1.1 湍流傳熱系數(shù)高于層流

粘性流體存在著層流及湍流兩種不同的流態(tài)。層流時流體微團(tuán)沿著主流方向作有規(guī)則的分層流動，而流體呈湍流流動時除了主流方向上的運動外，流體的微團(tuán)還做不規(guī)則的脈動，當(dāng)流體中某個微團(tuán)從一個位置運動到另一個位置時，不同溫度層之間有附加的熱量交換，產(chǎn)生附加的切應(yīng)力對流體微元做了功。湍流減小了流體質(zhì)點間的溫度差，而且使油水混合物充分的混合，避免了油水分離。

根據(jù)牛頓冷卻公式:

其中: q —熱流密度, W/m2;

h —對流換熱系數(shù), W/(m2· ℃)；

Δt —溫差, ℃。

根據(jù)傅里葉定律:

其中: q —熱流密度,W/m2;

λ —流體的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K)；

牛頓冷卻公式和傅里葉定律聯(lián)立得

根據(jù)局部傳熱系數(shù)的計算方法

其中: h —對流換熱系數(shù),W/(m2· ℃);

λ —流體的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K）；

σt —邊界層厚度, m。

其中: Re —雷諾數(shù);

σt —邊界層厚度;

d —管的半徑。

基于以上敘述，湍流內(nèi)流體質(zhì)點充分混合，質(zhì)點溫差比層流小，流體內(nèi)部有熱量交換，根據(jù)以上公式可得，湍流的傳熱效率大于層流，并且在一定范圍內(nèi)，流速越大，雷諾數(shù)越大，傳熱效率越大。

因此，在加熱原油的時，為了能夠高效的對原油加熱，應(yīng)改變流體的流動狀態(tài)為湍流，湍流能夠使油水質(zhì)點充分混合，避免了油水分離的現(xiàn)象，減小了流體與加熱管間的邊界層厚度，加熱均勻且高效。

為此，在加熱管上安裝旋流片，以實現(xiàn)上述目的。通過旋流片的流體呈連續(xù)的螺旋狀流動并形成旋流，具有明顯的切向速度,可以更充分地擾動流體,同時更有效地沖刷加熱管的外壁面從圓心到半徑方向存在較大的速度梯度場，這個速度梯度場能使流體在流道中形成湍流，使貼近加熱管邊界層減薄，大大增強了傳熱效果[3,4]。旋流片形成的湍流能使被加熱的油水混合物充分的混合,避免了油水分離，提高加熱效率[5]。

1.2 延長加熱時間

對于以往的加熱器，原油因為加熱時間過短，還沒有加熱到想要的溫度就流出了加熱器，造成了不必要的損失。因此，要更好的對原油加熱，應(yīng)該延長原油在加熱腔內(nèi)的加熱時間。根據(jù)速度公式

S=vt

其中: S —路程,m;

v —速度;

t —時間。

如果要使流體在加熱器內(nèi)獲得更多的加熱時間，即必須延長路程或降低流速。而安裝旋流片的加熱器剛好能夠同時是實現(xiàn)延長流動路程和降低流速的目的。因為通過旋流片的流體，流體質(zhì)點徑向移動路程增加，同時旋流片的阻擋作用也減緩了流體的流動速度。

1.3 小 結(jié)

實踐表明，粘度較大的流體換熱，污垢熱阻占總熱阻的一半左右，旋流片除了使流體產(chǎn)生旋流外，還可以使流體產(chǎn)生湍流擴(kuò)散，使流體與加熱管壁面接觸處產(chǎn)生類似沖擊的作用，使污垢沉積減少，增加了熱阻的穩(wěn)定性，強化了傳熱，使加熱裝置長期處在高效運行的狀態(tài)，可達(dá)到節(jié)能的目的。

旋流片不僅有助于加熱，也對加熱裝置起到了支撐作用，減小了管束跨距，使加熱腔的固有頻率避開了流體的激震頻率，避免了因共振引起的破壞，從而延長設(shè)備運行壽命，降低設(shè)備維修費用[6]。

2 加熱器詳細(xì)設(shè)計

根據(jù)以上原理，我們設(shè)計該井口加熱裝置，它由三部分組成，分別包括加熱部分和防爆部分、控制部分，裝置設(shè)計的結(jié)構(gòu)如圖1、圖2 所示。

該裝置的工作流程是，開采出來的原油從入口進(jìn)入加熱腔，旋流片使流體螺旋上升，流程增加，流動狀態(tài)變?yōu)橥牧?，流體充分混合加熱，在加熱過程中產(chǎn)生的氣體達(dá)到一定壓力時可由排氣閥自動排出。泥質(zhì)和雜質(zhì)等固體顆粒經(jīng)有效沉淀后從排垢口排出，加熱后的原油從原油出口流出。在裝置工作過程中，控制系統(tǒng)通過溫度傳感器提供的有效數(shù)據(jù)，可隨時自動改變加熱器的功率，使腔內(nèi)介質(zhì)的溫度維持在要求范圍內(nèi)，提高了溫控能力，避免了電浪費；安全防爆系統(tǒng)時刻監(jiān)控裝置的安全狀況，一旦出現(xiàn)緊急狀況，立即采取防護(hù)措施，保證裝置安全的運行。本裝置采用一體化設(shè)計方案，安裝簡便，容易操作，用戶安裝后只需接上一顆電源線即可使用。

2.1 加熱系統(tǒng)設(shè)計

加熱系統(tǒng)由進(jìn)口，保溫殼體，加熱管，旋流片，原油出口組成。被加熱的原油進(jìn)入配有旋流片的加熱器，旋流片改變其流動狀態(tài)為湍流，強化了傳熱，同時延長原油的加熱時間，使原油達(dá)到了要求，從出口流出，進(jìn)入運輸管道。另外，加熱裝置的加熱管壁以及加熱腔壁均采用了技術(shù)處理，表面涂有防結(jié)垢特殊材料，使加熱裝置在長期工作中不結(jié)垢、不結(jié)焦，增加了傳熱熱阻的穩(wěn)定性，提高了加熱裝置的使用效果，延長了加熱器的使用壽命。

圖1 加熱器主視圖Fig.1 The main view of heater

圖2 加熱器左視圖Fig.2 The left view of heater

電加熱器外壁設(shè)計了50 mm 厚的真空保溫層，能有效地避免空氣對流引起的熱傳遞，因此導(dǎo)熱系數(shù)大幅度降低，具有優(yōu)異的絕熱性能[7]?？紤]到加熱器工作在野外,環(huán)境較惡劣,為防止熱量散失,選用硅酸鋁氈和玻璃纖維棉氈多層保溫。保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)低于0.04 kcal/(m2·h·℃),使加熱器可在嚴(yán)寒的氣候條件下正常工作。還有,在加熱器外殼噴金屬漆,防水、防潮和耐腐蝕[8]。

2.2 安全防爆系統(tǒng)設(shè)計

在含有易燃易爆氣體或在蒸氣的環(huán)境中使用的電加熱器，除了要求結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、質(zhì)量好、壽命長之外，更重要的是在使用期間，始終保持良好的防爆性能不會出現(xiàn)象由于溫度異常而引燃周圍可燃性氣體或蒸氣造成爆炸事故[9]，因此，該裝置設(shè)計了安全防爆系統(tǒng)。

安全防爆系統(tǒng)由排氣閥、防爆控制箱、絕緣電纜、防爆溫度感應(yīng)盒、壓力表、安全閥、排垢口在組成。在使用加熱器加熱原油時，由于各種不確定因素，加熱腔內(nèi)的溫度有時會發(fā)生異常，防爆溫度感應(yīng)盒內(nèi)的溫度傳感器會第一時間把信號發(fā)送給防爆控制箱，防爆控制箱通過絕緣電纜使裝置停止工作，避免了因溫度異常所引起的爆炸事故；因為原油內(nèi)還有少量溶解氣或有可能產(chǎn)生其他氣體，由排氣閥將其排出裝置，避免事故發(fā)生。

2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)由加熱功率調(diào)節(jié)器、顯示屏和電源組成。由于每個油田的生產(chǎn)狀況不同，以及不同季節(jié)進(jìn)口原油溫度的不同，本加熱裝置裝配了能夠調(diào)節(jié)功率的加熱功率調(diào)節(jié)箱，該裝置采用了變頻電源的技術(shù)方法[10]，通過原油出口處溫度傳感器所提供的數(shù)據(jù)，能夠隨時隨地自動改變加熱裝置的加熱功率。

另外，發(fā)熱體干燒保護(hù)采用電子控制、無浮球液位控制器及流量閉鎖裝置等機(jī)械式元件，其控制效果好，壽命長。特殊的結(jié)構(gòu)及控制設(shè)計，使本裝置無排空程序，可直接送電工作，免去了排空等程序，也避免了因排空不到位發(fā)生的各種事故該加熱裝置使用新型電控系統(tǒng)，實現(xiàn)了軟啟動，零功率啟動逐漸達(dá)到滿功；由于管道加熱器功率為無極滑動功率，使加熱管從根本上杜絕了頻繁啟動，減少了對電網(wǎng)及管道電加熱器電氣件的損傷。

3 應(yīng)用效果

表1 為某油井采用本加熱器前后的數(shù)據(jù)對比。從表中可以看出，使用本加熱器后管阻減少，井口壓力大幅降低，有利于油井生產(chǎn)，有助于提高產(chǎn)量，使用效果較理想。

表1 管道加熱器使用前后對比表Table 1 Comparison table before and after applying theheater

4 結(jié) 論

該井口加熱裝置采用了電加熱方式，方便、清潔、無污染；同時內(nèi)置旋流片的設(shè)計可使加熱效率高、加熱充分，并且配有安全防爆系統(tǒng)。該裝置操作簡單，方便快捷，真正達(dá)到了節(jié)能減排的目的，相信通過以后的不斷改進(jìn)和改良后，能夠在解決原油井口加熱問題上獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會收益。

［1］丁亞軍.中頻井口電磁加熱器[J].行業(yè)應(yīng)用與交流,2012,31(8): 91-93.

［2］2012-2016 年中國電加熱器行業(yè)發(fā)展前景與轉(zhuǎn)型升級分析報告[R].2012.

［3］崔海亭,彭培英.強化傳熱新技術(shù)及應(yīng)用 [M]. 北京: 化工專業(yè)出版社,2006:199.

［4］周水洪,鄧先和,何兆紅,李志武.旋流片強化傳熱的數(shù)值模擬和場協(xié)同分析[J].2007,58(10);2437-2443.

［5］高翔, 駱仲泱, 周勁松, 等. 螺旋肋片形成非衰減性旋流的強化傳熱性能 [J].化工學(xué)報, 2003, 54(9) :1205- 1208.

［6］梅娜,陳亞平. 螺旋折流片強化殼側(cè)傳熱研究[J]. 石油化工設(shè)備,2004, 33(5): 1-4.

［7］杜建梅, 王文軍, 李潔, 等.真空絕熱管道的傳熱計算[J] .煤氣與熱力, 2011, 31(12): B01-B03.

［8］馬躍明. 原油加熱器的研制[J].石油機(jī)械, 1999. 27(4): 32-41.

［9］張麗曉. 防爆電加熱器[J]. 電氣防爆,1998(1):17-20.

［10］徐春紅. 變頻電源在油田加熱井口的應(yīng)用[J]. 變頻的世界, 2005(3):113-114.