稠油實(shí)驗(yàn)架系統(tǒng)加熱保溫方案研究

劉忠能 （西南石油大學(xué)研究生部，四川 成都610500）

鐘海全，李穎川 （“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)，四川 成都610500）

朱 國(guó) （西南石油大學(xué)研究生部，四川 成都610500）

隨著常規(guī)油氣資源的日益枯竭，稠油開采量日趨增大，加強(qiáng)稠油實(shí)驗(yàn)工作已經(jīng)迫在眉睫[1，2]。開展稠油管流實(shí)驗(yàn)，對(duì)于改進(jìn)舉升工藝，指導(dǎo)稠油開采，提高經(jīng)濟(jì)效益具有重要的意義。現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)架一般只能開展氣、水兩相管流實(shí)驗(yàn)，缺少加熱保溫功能。為了進(jìn)行稠油實(shí)驗(yàn)，需對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。石油工業(yè)中，對(duì)油氣管路進(jìn)行加熱或保溫時(shí)，電加熱方案得到廣泛的應(yīng)用[3～5]。筆者依據(jù)現(xiàn)有的研究條件，為稠油實(shí)驗(yàn)架設(shè)計(jì)了電纜加熱和電熱蒸汽兩套電加熱方案。通過工程造價(jià)、操作費(fèi)用及優(yōu)缺點(diǎn)的比較，推薦了最佳的加熱保溫方案。

1 研究條件

實(shí)驗(yàn)架高度為25m，采用內(nèi)徑50mm，外徑60mm無縫耐壓不銹鋼管進(jìn)行垂直多相管流實(shí)驗(yàn)。流動(dòng)回路采用閉式循環(huán)，要求稠油的最高溫度達(dá)到80℃。油罐為外徑1.6m，長(zhǎng)3m，壁厚6mm的不銹鋼碳鋼 （C≈0.5%）油罐。鋼材相關(guān)熱力參數(shù)：比熱容cG＝465J/（kg·℃）；密度ρG＝7840kg/m3；導(dǎo)熱系數(shù)λ＝50W/（m·℃）。稠油實(shí)驗(yàn)架系統(tǒng)要求對(duì)實(shí)驗(yàn)架和儲(chǔ)油罐加熱保溫。

2 電纜加熱方案

2.1 方案選材

該方案中的加熱保溫材料的主要性能參數(shù)見表1、2。

表1 MI礦物絕緣加熱電纜參數(shù)

2.2 方案設(shè)計(jì)

油罐及實(shí)驗(yàn)架上使用電纜的功率分別為40W/m和100W/m，纏繞密度均為25圈/m。將MI電纜纏繞在油罐和鋼管壁面，用膠帶固定。然后用KHJN－600型導(dǎo)熱膠泥填充電纜之間的空隙，油罐壁、鋼管壁與保溫層之間均形成厚度為0.6cm環(huán)形空間。根據(jù)保溫層經(jīng)濟(jì)厚度的計(jì)算方法[6～8]，得出油罐及實(shí)驗(yàn)架上聚氨酯泡沫塑料保溫材料的經(jīng)濟(jì)厚度分別為11.0cm和1.4cm。

表2 保溫材料與導(dǎo)熱膠泥主要技術(shù)參數(shù)

由油罐和實(shí)驗(yàn)架的幾何尺寸及MI電纜的纏繞方式，可得出油罐和實(shí)驗(yàn)架加熱保溫耗材及電纜長(zhǎng)度與加熱功率，結(jié)果如表3所示。

表3 電纜加熱方案器材用量及加熱功率

2.3 加熱時(shí)間預(yù)測(cè)模型

稠油的加熱分兩步：①靜態(tài)加熱稠油至一定溫度（設(shè)定該值為TZ），使其具備足夠的流動(dòng)性；②循環(huán)加熱至最終要求溫度。保溫層的傳熱視為穩(wěn)定過程。由于兩個(gè)加熱過程的加熱功率恒定不變且稠油的比熱容隨溫度變化較小，保溫層內(nèi)邊界溫度可視為線性上升。

靜態(tài)加熱：罐內(nèi)稠油吸熱量、儲(chǔ)油罐鋼材吸熱及保溫層散熱量之和與油罐電加熱產(chǎn)生的熱量平衡，故所需加熱時(shí)間t1：

循環(huán)加熱：罐內(nèi)稠油吸熱量、儲(chǔ)油罐及實(shí)驗(yàn)架鋼材吸熱及保溫層散熱量之和與油罐及實(shí)驗(yàn)架電加熱產(chǎn)生的熱量平衡，所需時(shí)間t2：

式中，Vo、VG1、VG2分別為油罐中加熱稠油體積、油罐鋼材體積、實(shí)驗(yàn)架鋼材體積，m3；co、cG分別為原油的比熱容、油罐鋼材的比熱容，J/（kg·℃）；ρo、ρG分別為原油的密度、油罐鋼材的密度，kg/m3；TZ為靜態(tài)加熱稠油所至的設(shè)定溫度值，℃；T0、T1、T2分別為環(huán)境溫度、稠油初始溫度、稠油最終溫度，℃；P1、P2分別為油罐部分電纜加熱功率、實(shí)驗(yàn)架部分電纜加熱功率，W；λ為聚氨酯保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）；L、L1分別為油罐高度、實(shí)驗(yàn)架環(huán)路總長(zhǎng)度，m；D1、D2分別為電纜加熱方案油罐保溫層的內(nèi)徑、外徑，m；A為油罐底面積，m2；δ1為罐底保溫層厚度，m；d1、d2分別為實(shí)驗(yàn)架保溫層的內(nèi)徑、外徑，m。

該方案的加熱時(shí)間為靜態(tài)加熱時(shí)間t1與循環(huán)加熱時(shí)間t2之和。

3 電熱蒸汽加熱方案

3.1 方案選材

該方案選用電熱蒸汽鍋爐，以蒸汽為介質(zhì)，用U形管式換熱器加熱稠油。主要設(shè)備為電熱蒸汽鍋爐、換熱器、保溫材料。換熱器的規(guī)格與鍋爐功率及油罐尺寸協(xié)調(diào)。保溫材料與電纜加熱方案相同。選用LDR0.5－0.7型號(hào)的電熱蒸汽鍋爐，其額定蒸發(fā)量為300kg/h，蒸汽溫度為170℃，熱效率為98%，加熱功率為108kW。

3.2 方案設(shè)計(jì)

該方案直接將稠油由初始溫度T1加熱到最終溫度T2，電熱蒸汽鍋爐產(chǎn)生的蒸汽通過換熱器將熱量傳遞給稠油。根據(jù)保溫層經(jīng)濟(jì)厚度的計(jì)算方法[6～8]，得出油罐及實(shí)驗(yàn)架保溫層厚度分別為10.5cm和1.2cm。相關(guān)器材的用量如表4所示。

表4 電熱蒸汽方案器材用量

3.3 加熱時(shí)間預(yù)測(cè)模型

稠油加熱過程中，儲(chǔ)油罐內(nèi)稠油吸熱量、鋼材吸熱量及保溫層的散熱量之和與電熱蒸汽鍋爐蒸汽的散熱量平衡[9]。保溫層的傳熱視為穩(wěn)定過程。由于電熱鍋爐功率恒定且稠油的比熱容隨溫度變化較小，保溫層內(nèi)邊界溫度可視為線性上升。油罐內(nèi)氣體的質(zhì)量很小，其吸熱量可忽略。

由能量守恒定律，得：式中，PE為電熱鍋爐額定功率，W；η1、η2分別為蒸汽的傳熱效率、鍋爐的額定熱效率，%；D3、D4分別為電熱蒸汽加熱方案油罐保溫層的內(nèi)徑、外徑，m；δ2為罐底保溫層厚度，m。

4 方案對(duì)比

4.1 造價(jià)對(duì)比

功率為40W/m和100W/m的MI礦物絕緣加熱電纜價(jià)格分別為30和50元/m。所選用的聚氨酯保溫材料價(jià)格為800元/m3，選用導(dǎo)熱膠泥價(jià)格為15元/kg。兩方案的工程造價(jià)如表5所示。從表5可知，電熱蒸汽的工程造價(jià)比電纜加熱方案高。

表5 兩方案的工程造價(jià)

4.2 操作費(fèi)用比較

假如實(shí)驗(yàn)架每年操作10次，每次實(shí)驗(yàn)需將滿罐稠油 （即5.91m3）由20℃ （T1）升溫至80℃（T2）。取ρo＝960kg/m3，T0＝20℃，TZ＝40℃，η1＝70%計(jì)算。由公式 （1）～ （3），并按電價(jià)0.6元/（kW·h）可得兩方案的加熱時(shí)間和操作費(fèi)用如表6所示。

表6 兩方案加熱時(shí)間及操作費(fèi)用

由表6可知，無論是工程造價(jià)還是操作費(fèi)用，電纜加熱方案均優(yōu)于電熱蒸汽加熱方案。

4.3 優(yōu)缺點(diǎn)比較

電纜加熱方案的加熱過程平穩(wěn)，能夠?qū)崿F(xiàn)流體溫度的自動(dòng)控制、熱效率高且節(jié)能環(huán)保。稠油的物性復(fù)雜，換熱器的磨損腐蝕和氧化腐蝕極其嚴(yán)重，使得運(yùn)行的危險(xiǎn)程度增大，這是電熱蒸汽加熱方案的主要缺陷。同時(shí)，電熱蒸汽加熱方案無法實(shí)現(xiàn)溫度的精確控制，造成能源浪費(fèi)。

5 結(jié) 論

1）為稠油實(shí)驗(yàn)架系統(tǒng)設(shè)計(jì)了2套加熱保溫方案，2套加熱保溫方案都適合于稠油實(shí)驗(yàn)架系統(tǒng)。

2）電纜加熱方案熱效率高而且節(jié)能環(huán)保，但是加熱過程較慢；電熱蒸汽加熱方案加熱速度快，但是能量浪費(fèi)大，費(fèi)用高。

3）從經(jīng)濟(jì)和安全角度考慮，電纜加熱方案優(yōu)于電熱蒸汽加熱方案，推薦使用電纜加熱方案。

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