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防爆集束式井口加熱器設(shè)計(jì)

文檔作者：陳龍，王彥博，孫林，趙守剛2 楊雙春，潘一文檔來(lái)源： 1．遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院 2．沈陽(yáng)新光電氣制造有限公司，		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年09月29日
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第43卷第2期
2014年2月
當(dāng) 代 化 工
Contemporary Chemical Industry
Vo]．43．NO．2
February，201 4
防爆集束式井 口加熱器設(shè)計(jì)
陳 龍 ，王彥博 ，孫 林 ，趙守剛2 楊雙春 ，潘 一
(1．遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院，遼寧撫順1]3~31； 2．沈陽(yáng)新光電氣制造有限公司，遼寧沈陽(yáng)11o044)
摘 要：為了解決井口加熱原油實(shí)驗(yàn)儀器的貧乏，加熱不均勻及加熱效率低等問(wèn)題，根據(jù)牛頓冷卻公式和
傅里葉定律，并考慮了原油溫度和壓力的影響，對(duì)加熱器加熱效率進(jìn)行了研究。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種油井井
口加熱原油的實(shí)驗(yàn)裝置。該裝置在加熱管上安裝旋流片增大原油流動(dòng)距離，在進(jìn)口處安裝渦流裝置用以改變?cè)?
油流態(tài)，增大傳熱系數(shù)，并起到充分混合油水的作用。該實(shí)驗(yàn)裝置能夠研究流體流態(tài)對(duì)加熱效率的影響，為井
口加熱原油工藝設(shè)計(jì)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)，為高效的井口加熱器設(shè)計(jì)提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：井口；電加熱器；原油；稠油；實(shí)驗(yàn)裝置
中圖分類號(hào)：TQ 050 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1671—0460(2014)02—0255—03
Design of Cluster--type Explosion--proof W ellhead Heater
CHENLong ， WANG Yan—bo ，SUNLin ，ZHA0 Shou-gang2
， YANG Shuang—chun ，PAN ，7
(1．College of Petroleum and Natural Gas Engineering，Liaoning Shihua University,Liaoning Fushun 1 1 300 1，China
2．Shengyang Xinguang Electrical Manufacturing Co．，Ltd．，Liaoning Shengyang 1 10044，China)
Abstract：In order to solve the problem that wellhead heating oil experiment devices had poor performances including
uneven heating and lOW heating emciency,based on Newton cooling law and Fourier Law,the heater eficiency was
researched by considering the effect of temperature and pressure．An experimental device for heating oil at wellhead
was designed．Cyclone plates were a~anged on the heating pipe to increase the flow distance of crude oil，spoilers and
fan blades were installed on the oilinlet to change the state of flow and avoid oil—water separation。and increase the
heat transfer coeficient．This experimental device can be used to study the effect of fluid state on heating eficiency,
which can provide experimental basis for the design of eficient wellhead heater for crude oil．
Key words：0i 1 well；Electric heater；Crude oil；Experiential device
隨著世界經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，能源短缺問(wèn)題日趨
嚴(yán)峻。稠油是世界經(jīng)濟(jì)的重要資源，世界重油大會(huì)
公布的數(shù)據(jù)顯示” ，全球重油和天然氣瀝青剩余可
采儲(chǔ)量合計(jì)約為1．085x 1012 bbl，超越常規(guī)原油剩余
可采儲(chǔ)量；從世界的范圍來(lái)看，常規(guī)油供應(yīng)的緊張
以及油價(jià)的高位震蕩，為稠油的開采提供了良好的
機(jī)遇，但在開采技術(shù)、開采成本以及環(huán)境保護(hù)方面
仍然存在一些難題 。
稠油是瀝青質(zhì)和膠質(zhì)含量較高、粘度較大的原
油日 。在開：果和運(yùn)送的過(guò)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(shè)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(shè)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?xì)?、燃油爐和電
熱水套爐 ，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 具有清潔衛(wèi)生、污染小、熱效率高(可
達(dá)85％～95％)等優(yōu)點(diǎn)，目前受到了廣泛的關(guān)注，
已經(jīng)有很多的電加熱器應(yīng)用于原油加熱中。但現(xiàn)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(wèn)題 ]。
筆者針對(duì)這些問(wèn)題，在加熱裝置中進(jìn)行了一些
改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種新型井口加熱器實(shí)驗(yàn)裝置，解決
加熱不均、加熱效率低等問(wèn)題。為井口加熱原油工
藝設(shè)計(jì)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)，為高效井口加熱器設(shè)計(jì)提供
實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
1 設(shè)計(jì)依據(jù)
根據(jù)傳熱學(xué)相關(guān)知識(shí)可知，流體在不同流動(dòng)狀
態(tài)下，其傳熱系數(shù)也不同。筆者從這一角度出發(fā)，
對(duì)井口加熱器進(jìn)行改進(jìn)，并從兩個(gè)方面提高加熱效
率，即延長(zhǎng)加熱時(shí)間和改變流體流動(dòng)狀態(tài)。原油屬
于易燃易爆品，為了保證安全性，在該裝置中設(shè)置
基金項(xiàng)目：遼寧省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目(國(guó)家級(jí)，編號(hào)20121 0148009)
收稿日期：2013—1 2—29
作者簡(jiǎn)介：陳龍(1993-)，男，遼寧沈陽(yáng)人，石油工程專業(yè)。
指導(dǎo)教師：潘一(1 976一)，男，遼寧撫順人，博士，副教授，從事油氣田開發(fā)教學(xué)研究工作。
當(dāng) 代 化 工 2014年2月
了安全閥，防止加熱器內(nèi)由于壓力過(guò)大而發(fā)生爆炸。
1．1 延長(zhǎng)加熱時(shí)間
傳統(tǒng)井口加熱方式存在加熱時(shí)間短，原油加熱
不均等缺點(diǎn)，該加熱器設(shè)置了旋流片，一方面增加
了原油在加熱器內(nèi)流動(dòng)的路程，另一方面由于擋板
的阻隔，減慢了原油的流動(dòng)速度，兩方面都延長(zhǎng)了
原油在加熱器中的停留時(shí)間，有利于原油均勻受熱，
提高加熱效率0 。
此外，旋流片的存在有助于流體產(chǎn)生湍流擴(kuò)散，
增加流體與壁面的沖擊，減少污垢的產(chǎn)生，從而減
小污垢熱阻。對(duì)于粘度較大的流體來(lái)說(shuō)，污垢熱阻
會(huì)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(dòng)狀態(tài)
根據(jù)邊界層理論 可知，對(duì)流傳熱過(guò)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(fā)生熱傳導(dǎo)而非對(duì)
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(shè)置了渦
流裝置可以將油水混合物的流動(dòng)狀態(tài)由層流狀態(tài)轉(zhuǎn)
換成湍流狀態(tài)，以提高油水混合物的傳熱系數(shù)。當(dāng)
流體呈湍流狀態(tài)時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)混合充分，流體質(zhì)點(diǎn)
間的溫度梯度相對(duì)較小，層流底層變薄，從而導(dǎo)致
傳熱熱阻變小，提高傳熱效率。?。
1．3 防爆裝置
該井口加熱器在柱體外部安裝一個(gè)安全閥，當(dāng)
加熱器內(nèi)壓力過(guò)高時(shí)，可以通過(guò)安全閥減小壓力，
避免爆炸的發(fā)生。此外，在傳統(tǒng)加熱方式中，很容
易出現(xiàn)油水分離的情況，由于密度差，會(huì)使油層運(yùn)
動(dòng)速度快，導(dǎo)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(huì)使油水混合物充分
混合，避免分層的出現(xiàn)，從而防止了爆炸的發(fā)生。
2 井口加熱器裝置設(shè)計(jì)
本加熱器實(shí)驗(yàn)裝置是由柱體外殼，加熱系統(tǒng)，
擾流系統(tǒng)，安全防爆系統(tǒng)組成。其中外殼包括進(jìn)液
管、柱體和溢流管，溢流管上設(shè)有溫度表和流速表；
加熱系統(tǒng)包括電加熱管和旋流片；擾流系統(tǒng)包括渦
流裝置；安全防爆系統(tǒng)包括安全閥，溫度表和壓力
表。裝置圖見圖l所示。
2．1 加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
加熱系統(tǒng)由一定尺寸的空心金屬柱體和電加熱
管構(gòu)成，利用電熱阻放熱形成加熱場(chǎng)，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(jié)
晶氧化鎂粉等組成的。氧化鎂粉具有較高的導(dǎo)熱性
能，能夠?qū)崃垦杆賯鬟f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(zhuǎn)化為
熱能的電器元件，加熱效率高，價(jià)格便宜，使用方
便，安裝方便，無(wú)污染，被廣泛應(yīng)用于各種電加熱
場(chǎng)合。本設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖
Fig．1 heater experiential device diagram
l一壓力表；2一安全閥；3一溫度表；4一流速表：5一溢流管；6一旋流片；
7一加熱管；8一柱體外殼；9一閥門；1o一進(jìn)液管；l1一渦流裝置
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(zhǎng)流體在柱體內(nèi)的加熱時(shí)間，
增加流體和柱體的沖擊力，減少污垢的產(chǎn)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(tǒng)的設(shè)計(jì)
在加熱器進(jìn)口處安裝渦流裝置，流體流經(jīng)該裝
置時(shí)，其流動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變，由層流狀態(tài)轉(zhuǎn)變成湍
流狀態(tài)，從而增大傳熱系數(shù)，提高加熱效率。另外，
湍流狀態(tài)有助于油和水更充分的混合，避免油水分
離和爆炸的發(fā)生，巧妙的實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求。
2．3 安全防爆系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
在含有易燃易爆氣體或在蒸汽的環(huán)境中使用的
電加熱器，除了要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、質(zhì)量好、
壽命長(zhǎng)之外，重要的是在使用期問(wèn)，始終保持良好
的防爆性能，不會(huì)出現(xiàn)由于溫度異常而導(dǎo)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(tǒng)。
本設(shè)計(jì)將該加熱器的承載壓力設(shè)定為5 MPa，
為了進(jìn)一步確保加熱器的安全性，在加熱器上部增
設(shè)安全閥。當(dāng)加熱器內(nèi)部壓力高于3 MPa時(shí)，安全
閥會(huì)自動(dòng)釋放壓力，避免加熱器內(nèi)部由于壓力過(guò)大
而引起爆炸事故。
為了實(shí)現(xiàn)模擬加熱井口原油，本實(shí)驗(yàn)裝置的加
熱系統(tǒng)包括以下單元：電加熱管，旋流片；為了改
變流體流動(dòng)狀態(tài)，本實(shí)驗(yàn)裝置的擾流系統(tǒng)包括：渦
第43卷第2期 陳 龍，等：防爆集束式井口加熱器設(shè)計(jì) 257
流裝置；本實(shí)驗(yàn)裝置的安全防爆系統(tǒng)包括：壓力表， 易導(dǎo)致油水分離現(xiàn)象，使加熱效率變低甚至產(chǎn)生爆
溫度表，安全閥。旋流片安裝在加熱管上，放置在 炸。為此，本設(shè)計(jì)在加熱器進(jìn)液口中安裝了渦流裝
柱體內(nèi)，流體在一定壓力下由進(jìn)液管流入柱體，通 置，用以研究流體湍流x,tD~熱效率的影響。
過(guò)加熱管的加熱，由溢流管流出，在此過(guò)程中，流
體流經(jīng)渦流裝置，其流態(tài)會(huì)發(fā)生變化。該實(shí)驗(yàn)裝置
是測(cè)定流體的不同流態(tài)對(duì)加熱效率的影響。由閥門
來(lái)控制流體的流速，并通過(guò)溫度表，流速表來(lái)測(cè)定
流體的物理參數(shù)，最后為了保證實(shí)驗(yàn)的安全性，安
裝一個(gè)安全閥，并通過(guò)壓力表來(lái)觀察裝置內(nèi)的壓力
變化情況。
3 結(jié)束語(yǔ)
根據(jù)井口原油加熱的實(shí)際工藝特點(diǎn)，設(shè)計(jì)制作
一種井口原油加熱的實(shí)驗(yàn)裝置。它是由柱體，加熱
系統(tǒng)，擾流系統(tǒng)，安全防爆系統(tǒng)組成。該實(shí)用新型
利用加熱管加熱來(lái)模擬原油溫度，并利用加熱器進(jìn)
口處的渦流裝置來(lái)改變?cè)土鲃?dòng)狀態(tài)，通過(guò)觀測(cè)柱
體出口溫度表的變化來(lái)研究井口加熱器的加熱效
率。該實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)已經(jīng)成功申請(qǐng)國(guó)家專利，專利
號(hào)為201210499618”。。。結(jié)合實(shí)際實(shí)驗(yàn)需要，本設(shè)計(jì)
可研究以下問(wèn)題：
(1)在井口加熱原油的過(guò)程中，通過(guò)增設(shè)旋流
片，延長(zhǎng)原油流動(dòng)的路程，增加原油在加熱器中的
加熱時(shí)間。同時(shí)，旋流片增加原7~J't-旋力，增強(qiáng)原
油與柱壁的沖擊力，減少污垢的產(chǎn)生。
(2)井口加熱原油的過(guò)程中，溫度分布不均勻，
(上接第254頁(yè))
6 技術(shù)特點(diǎn)及經(jīng)濟(jì)效益分析
f1)正文本次改造在原CO焚燒余熱鍋爐基礎(chǔ)上
進(jìn)行拆除和安裝，改造后操作更加簡(jiǎn)單可靠，鍋爐
操作彈性更大；
f2)本次改造原CO焚燒余熱鍋爐框架不動(dòng)，局
部進(jìn)行加強(qiáng)；
(3)本次改造原給水預(yù)熱器和水熱煤空氣換熱
器均可利舊，充分利用原有設(shè)備；
f4)本次改造后，當(dāng)省煤器進(jìn)口煙氣溫度高達(dá)
500 oC，CO焚燒余熱鍋爐仍可安全正常工作 ；
(5)本次改造后，CO焚燒余熱鍋排煙溫度可由改
造前220 oC降至185 cI=，提高CO焚燒余熱鍋爐效
率2％左右，降低了余熱鍋爐和整個(gè)催化裝置能耗；
f6)本次改造后，CO焚燒余熱鍋多回收熱量
1 683 kW，折合多產(chǎn)中壓蒸汽2．1 t／h，以每噸蒸汽
價(jià)格180元，每年運(yùn)行8 000 h計(jì)算，折合每年新增
經(jīng)濟(jì)效益302．4萬(wàn)元
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一 一～一一一～～一～一一一 一一一～一一一一～～一一一一一

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