新型节能油井井口加热装置设计制作

孙 林，赵守刚，李君伟，潘 一

（1. 辽宁石油化工大学, 辽宁 抚顺 113001； 2. 沈阳新光电气制造有限公司, 辽宁 沈阳 110044）

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[1]。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[2]。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入手，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:

其中: q —热流密度, W/m2;

h —对流换热系数, W/(m2· ℃)；

Δt —温差, ℃。

根据傅里叶定律:

其中: q —热流密度,W/m2;

λ —流体的导热系数,W/(m·K)；

牛顿冷却公式和傅里叶定律联立得

根据局部传热系数的计算方法

其中: h —对流换热系数,W/(m2· ℃);

λ —流体的导热系数,W/(m·K）；

σt —边界层厚度, m。

其中: Re —雷诺数;

σt —边界层厚度;

d —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[3,4]。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[5]。

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，应该延长原油在加热腔内的加热时间。根据速度公式

S=vt

其中: S —路程,m;

v —速度;

t —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[6]。

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，加热装置的加热管壁以及加热腔壁均采用了技术处理，表面涂有防结垢特殊材料，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。

图1 加热器主视图Fig.1 The main view of heater

图2 加热器左视图Fig.2 The left view of heater

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[7]。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/(m2·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[8]。

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[9]，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、绝缘电缆、防爆温度感应盒、压力表、安全阀、排垢口在组成。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[10]，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 theheater

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。

［1］丁亚军.中频井口电磁加热器[J].行业应用与交流,2012,31(8): 91-93.

［2］2012-2016 年中国电加热器行业发展前景与转型升级分析报告[R].2012.

［3］崔海亭,彭培英.强化传热新技术及应用 [M]. 北京: 化工专业出版社,2006:199.

［4］周水洪,邓先和,何兆红,李志武.旋流片强化传热的数值模拟和场协同分析[J].2007,58(10);2437-2443.

［5］高翔, 骆仲泱, 周劲松, 等. 螺旋肋片形成非衰减性旋流的强化传热性能 [J].化工学报, 2003, 54(9) :1205- 1208.

［6］梅娜,陈亚平. 螺旋折流片强化壳侧传热研究[J]. 石油化工设备,2004, 33(5): 1-4.

［7］杜建梅, 王文军, 李洁, 等.真空绝热管道的传热计算[J] .煤气与热力, 2011, 31(12): B01-B03.

［8］马跃明. 原油加热器的研制[J].石油机械, 1999. 27(4): 32-41.

［9］张丽晓. 防爆电加热器[J]. 电气防爆,1998(1):17-20.

［10］徐春红. 变频电源在油田加热井口的应用[J]. 变频的世界, 2005(3):113-114.