注汽管道传导传热研究与分析

方坤

引言：注汽管线存在三种方式的热传递，为更好地分析注汽管线热损失情况，我们建立热损失模型，分别分析三种热传递对管线热损失的影响。

前言

高升是以稠油开发为主的油田，注蒸汽开采起着非常重要的作用。为了加强对设备的管理，原来的注汽管线保温时采取管线外侧直接包裹硅酸岩棉、毡等软质保温材料，而这些材料的黑度系数较大，在0.7-0.8之间，受射体保温材料和发射体注汽管线之间未有黑度系数低、反射性能优良的薄层隔热板，造成受射体保温材料吸收热量多，进一步加剧了传热损失。

一、传导传热原理

热传导是三种热传递方式中最基本的一种。当固体壁两侧的温度t1和t2不相等时，热量就会从高温t1侧传向低温t2侧。同样，当一个高温物体与一个低温物体紧密接触时，热量就会从高温物体传向低温物体，这种传热过程就是导热过程，是物质直接接触的一种传热过程。

物体内部分子和原子微观运动所引起的热量传递过程称为热传导，又称导热。在单位时间内从tw1的高温壁面传递到tw2的低温壁面的热流量Ф（w）的大小，与壁的面积F(m2)和两壁温差（tw1-tw2）（℃）成正比，与壁的厚度δ（m）成反比。此外，还与壁的材料性质等因素有关。

为了比较导热量的大小，在单位时间内，通过每平方米表面积所传导的热流量称为热流密度q。又因根据导热学分析，当1/d大于10时，沿轴向的导热可以忽略不计，在工程计算中注汽管线可视为无限长的圆筒壁，热量只沿径向传播。

为更好的分析圆筒壁导热情况，建立单层圆筒壁和复合圆筒壁导热模型。

一是单层圆筒壁导热模型

设一内半径r1、r2，长度为L的单层圆壁，内外壁温度各为t1、t2,且t1> t2。又因当圆筒壁长度比直径大得多时，（L/ r2>10），沿轴向导热可忽略不计，则壁内温度沿半径方向发生变化，故为一维温度场的导热问题。

由于圆柱体的侧面随着半径r的增大而增大，所以在稳定导热时，通过圆筒壁的热流量沿途不变，热流q则随着r的增大而减小。假定在壁内画一个半径为r，经过计算，有温差 存在才有热传导。温差 愈大，传导热量也愈大。表示阻碍热传导能力的大小，称为圆筒壁的导热热阻，单位是m.k/W。

二是复合圆筒壁导热模型

设一内径r1、外壁温度t1的注汽管道，保温结构由三种保温材料组成，由内向外半径分别为r2、r3、r4，温度分别为t2、t3、t4，每层的导热系数为λ1、λ2、λ3，圆筒壁内外表面的温度为t1与t4，且t1>t4且，假设每层之间接触良好，则单位长度三层圆筒壁的热流密度q为

从上式可以看出，圆筒壁散失能量随着各保护层导热系数的增加而增加，因此在需减少热量损失的保温工程，需采取选用导热系数低的保温材料。

（一）传导传热对热损失影响

我厂注汽管线保温材料主要为岩棉、毡等软质材料和微孔硅酸钙、复合硅酸盐等硬质材料，300℃时的导热系数在0.065w/m.k左右。为达到国家标准面热流密度低于209w/m2，达到同样保温效果的前提下，相比低导热系数的保温材料，则需增加保温材料用量，增加保温层厚度，增强对流换热面积。

（二）小结

通过以上分析可知，保温材料的热传导能力同保温层厚度和导热系数有直接的关系，正比于保温材料导热系数、反比于保温层厚度。因此，要求保温的场合，为削弱热传导传热，应选用导热系数小的保温材料

二、注汽锅炉参数对热效率影响研究与分析

（一）注汽锅炉热效率影响与分析

锅炉燃烧遵循能量守恒，即燃料输入能量（Qr）=锅炉有效利用热量（Q1）+锅炉热损失热量，其中锅炉热损失分为排烟热损失Q2、化学不完全燃烧热损失Q3、机械不完全燃烧热损失Q4、散热损失Q5和灰渣物理热损失Q6五种。

对于一台油田注汽锅炉Q4和Q6为0，锅炉正常运行时，燃烧可视为完全燃烧，化学不完全燃烧热损失可忽略不计。且对于同台锅炉Q5值基本维持不变，大约在1.4%。因此注汽锅炉热损失主要为排烟损失，排烟热损失受排烟温度和排烟体积决定。经计算，排烟温度每上升10℃，锅炉热效率下降0.46％。

蒸汽干度做为锅炉运行的重要参数，其值的大小影响着注汽质量和锅炉安全情况，蒸汽干度超过80%时，湿饱和蒸汽中的部分离子会析出形成水垢，降低炉管换热效果，造成炉管内水和炉管温度温差增大，长时间运行引起锅炉爆管。蒸汽干度偏低时，蒸汽携带能量降低，影响油井开发效果。

（二）小结

目前注汽锅炉含氧量及蒸汽干度等参数未实现在线实时监控，靠人工测量的方法掌握锅炉燃烧状况，延长发现问题、解决问题的时间，造成锅炉热损失严重，降低锅炉热效率。同时锅炉的非平稳运行会降低锅炉安全运行系数，严重时会造成锅炉爆管。注汽压力按14MPa、干度75%、年注汽量49万吨计算，年耗油量39.6万吨（燃油单耗60kg/t）锅炉热效率每提高1%，燃料单耗下降0.78kg/t、节约燃料382.2t燃料油。因此，需完善注汽锅炉配套系统，以实现注汽参数实时监测和自动调控，减少热量损失，保证锅炉安全平稳运行。

三、技术思路

通过以上分析，注汽管线和烟气热损失成为制约提高注汽系统热效率的主要瓶颈，管线热损失体现在管线投运时间较长，一直未进行系统性维修，破损严重，保温材料反射性能差、导热系数高、结构单一不稳定，进一步加剧了管线热量损失；锅炉热损失体现在烟气温度、烟气含氧量和蒸汽干度未能实现及时在线监测，参数波动异常时调控不及时，可采取以下技术思路提高注汽系统热效率：

（1）保温材料优选

一是优选强反射性保温材料，用于内层保温，削弱注汽管线辐射传热能力。

二是优选低导热系数保温材料，用做主保温材料，提高传导传热阻力，降低传导传热。

三是优选抗腐蚀性、抗挤压、抗渗透性外保护层材料，提高保护性能。

（2）保温结构优化

一是研制硬质保温材料新型对接方式，增强保温结构牢固性，减少对流传热、辐射传热和传导传热。

二是研究不同组合保温结构的抗热震性、抗外力冲击和防水性，结合投入产出和现场施工情况，确立最佳保温材料搭配结构。

三是通过控制保温层外表面最大温度法，对保温材料进行优化组合，计算各保温层厚度，并考虑经济指标进行最优化设计，确立最终实施方案。