石油钻井蒸汽锅炉电动化改造

吴双柱

（大庆钻探工程公司机械修理厂，黑龙江大庆 163413）

0 引言

随着国家对环保要求越来越严格，对大气质量标准不断提高，环保已经是全球性问题，引起各级政府的重视，纷纷制订了相应的政策和法规以减少环境的污染。为了贯彻相关政策，改善环境质量，节约能源，石油钻井企业大力提倡和鼓励应用电能技术。蒸汽锅炉在北方冬期钻井施工中扮演着重要角色，钻井用蒸汽锅炉实际是一种小型（蒸发量在）的低压工业湿蒸汽锅炉，主要用来清洗、预热和解冻。因为钻井施工的特殊要求，这种蒸汽锅炉有其自身的特点，设备需要经常搬迁移动，改用电锅炉后机组采用模块化设计，集成度更高，结构更加紧凑，有利于减小设备的整体尺，而且自动化程度高，不需要专职的司炉工操作。相对于其他大型电锅炉改造，钻井锅炉改造投入成本较低，直接利用现有的油田供电专线即可，不存在前期电网及供电设施的改造费用，所以电加热蒸汽锅炉在油田钻井施工应用较容易实现。

1 机组设计总体要求

（1）电热蒸汽锅炉及其部件的设计，必须满足油田钻井在各种工况下所需蒸汽量及规定的蒸汽参数。

（2）保证电热蒸汽锅炉具有较高的技术经济指标，在设计蒸汽锅炉时要考升压和保压状态下运行的经济性。

（3）根据北方严寒的气候特点，电热蒸汽锅炉机组要充分考虑保温隔热要求；蒸汽锅炉单个零、部件的装配必须保证在密封面上密封良好性；电锅炉炉体本身及所有部件应该绝对地安全可靠，并应设有必要的安全保护措施，整体结构设计要求紧凑、移运方便，同时易于发现故障而及时排除。

2 技术方案主要内容

2.1 电热蒸汽锅炉选型

现阶段电热蒸汽锅炉主要有电阻式、电磁感应和电极式猿种，电阻式和电磁感应式可以应用于油田钻井施工中。

2.1.1 电阻式蒸汽锅炉

根据施工实际使用情况和现用燃油、燃煤锅炉的参数等，经过设计计算，确定电阻式蒸汽锅炉的相关参数（表1）。

表1 电阻式蒸发器设计参数

电加热管是电阻式蒸汽锅炉的核心部件，其性能和质量直接影响锅炉的运行可靠性和使用寿命，所以选用不锈钢材料，各项参数要达到相应标准（表2）。

2.1.2 电磁感应蒸汽锅炉

由于加热原理的差异，电磁感应蒸发器与电阻式蒸汽锅炉在加热元件、热效率、结构形式、炉体本身体积等方面有一定差异（表3）。

表2 电热管参数

表3 电磁感应蒸发器设计参数

2.2 结构及组成

考虑到装置安装及受热情况，设计时电阻式蒸汽锅炉采用卧式结构，电磁感应蒸汽锅炉采用立式结构。机组主要组成包括移动式装置房、炉体、软化水箱、加热元件、控制柜、水泵、安全阀、传感器和管阀件等。因为油田钻井需要经常搬迁，整个系统集成安装在带有保温的集装箱房内，可以满足整体吊装运输要求。

电磁感应蒸汽锅炉的结构组成与电阻式蒸汽锅炉结构组成类似，只是锅炉炉体采用立式结构，并且采用2个、高1800 mm的炉体组合结构设计。

图1 电磁蒸汽锅炉系统工作原理

2.3 供电及控制系统

钻井施工现场一般采用6 kV高压线路，所以要通过变压器降压后为电热蒸汽锅炉供电。供电变压器选用容量400 kV·A的波纹全密封型三相油浸式电力变压器S11-M-400，电压组合为，在变压器高压侧设置跌落式熔断器对变压器进行保护和投切。变压器低压端与电热蒸汽锅炉控制柜前设置低压开关柜，柜内安装智能断路器，其脱扣器额定电流为800 A，控制柜可以通过按钮控制断路器通断。开关柜具有过载和短路保护功能，同时能够显示供电电压，为装置提供安全可靠的低压供电（图2）。

考虑到电热蒸汽锅炉工作时环境情况，控制系统采用机电分体安装设计，电控元件远离热源，有利散热，提高使用寿命。控制系统采用西门子的PLC（Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器），通过人机界面实现温度设定及自动控制，同时可显示设备运行参数及状态。

（1）加热控制方面。电阻式蒸汽锅炉采用多组加热元件运行方式，当蒸汽压力低于设定值时，PLC控制器逐个启动加热组；蒸汽压力高于设定值时，控制器同时关闭全部加热组。加热组在报警状态下不工作，已工作的加热组将同时停止运行。保压工况下控制器可设定蒸汽锅炉自动运行时间段，一天内可设置多个不同的工作时段，使蒸汽锅炉自动分时启动各加热组，加热组循环换切，使各加热组使用时间均衡，保证设备使用寿命。电磁感应蒸汽锅炉功率调节相对简单，工作时可以根据实际需要手动确定加热功率，功率可以在无级调节，按需要旋转电位器调节旋钮，加热器会依据温差负荷的改变相应调整电负荷，保证动力与负荷的平衡。

（2）水泵控制方面。在正常运行状态下，如果蒸汽锅炉的水位低于中间水位线，控制器发出启泵信号；当水位高出高水位线，控制器发出停泵信号；当水位低于低水位线，控制器报警并关闭加热组，启动水泵，当水位达到高水位线，水泵停止工作。

2.4 安全保护设计

为了提高电锅炉的安全性，设置了多个安全控制点位，如炉内温度控制、炉内压力控制、炉内动液面上下液位控制、漏电保护控制、安全阀的超压放空控制等。运行过程中任何一个条件不满足要求，锅炉都会停止运行并启动相应的连锁控制，待条件满足要求后再运行。可见，电锅炉比燃油、燃煤锅炉的安全性更高。

3 工作功率验证及选取

不同工况下钻井施工现场的用汽量不同，存在着间歇用汽和集中用汽的情况。为了验证电热蒸汽锅炉在多大功率下运行能保持蒸汽压力，现场进行了多种不同功率下工作状态试验。对多口井的现场实验数据采集分析，发现开钻时和完井时存在集中用蒸汽的情况，这时蒸汽使用量较大，使用持续时间约3 h。试验证明，在蒸汽使用量最大时，100 kW功率无法达到使用要求，150 kW功率可以勉强维持蒸汽压力，200 kW功率能够维持住蒸汽压力，但是泄压后升压缓慢，300 kW功率能维持压力，且可以快速升压。虽然200 kW功率能够满足正常使用要求，但考虑不确定因素影响，需要增加相应的裕度，将300 kW确定为最大蒸汽量供应功率（图3、图4）。

图2 动力供电原理

其他时间段用汽量相对较小，装置主要以保压为主，这时候蒸汽锅炉加热系统不需要满负荷工作，经试验确定了正常施工时装置功率为150 kW。确定最大蒸汽量功率和正常蒸汽量功率后，就可以在控制程序中设定不同工况下电锅炉的运行功率，这样既可以减轻电网负荷，又起到节能效果。

图3 最大蒸汽量功率曲线

4 结论

应用结果表明，电热蒸汽锅炉比传统的燃煤、燃油锅炉更适合油田钻井现场使用。电热蒸汽锅炉安全性明显优于燃煤、燃油锅炉：①电热蒸汽锅炉运行无明火产生，是一种本质安全型设备：②装置保护措施较多，安全性有保障。经过核算后，电热蒸汽锅炉运行成本低于燃煤、燃油锅炉，单井综合成本约为燃煤、燃油锅炉成本的一半，节能效果明显。

电热蒸汽锅炉运行时无污染、零排放、噪声小，有利于环境保护和职业健康，与燃油、燃煤锅炉相比，有热转换效率高、结构紧凑、自动化程度高等优点，弥补了传统锅炉的产蒸汽慢、能耗高、故障率高的缺陷。所以，作为一种节能环保型锅炉，电热蒸汽锅炉在寒冷地区油田施工应用具有广阔前景。

图4 正常蒸汽量功率曲线