鍋爐技術(shù)在油井用熱洗清蠟裝置的應(yīng)用

摘 要：河南油田油建公司開(kāi)發(fā)的新型油井清洗用常壓高效型熱洗清蠟裝置，2010年12月初在河南油田雙江地區(qū)順利投入使用，結(jié)合產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程、設(shè)計(jì)思路和運(yùn)行中問(wèn)題，探討新型油井熱洗清蠟裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：熱洗清蠟裝置；產(chǎn)品開(kāi)發(fā)；常壓；鍋爐技術(shù)；蓄熱器技術(shù)

1 引言

油井熱洗清蠟裝置是采用加熱方式進(jìn)行油管清蠟降摩阻的石油行業(yè)專用設(shè)備，該技術(shù)21世紀(jì)來(lái)得到了飛速的發(fā)展，已由熱洗清蠟裝置替代早期的鍋爐車。該裝置利用抽油機(jī)為動(dòng)力，將油井產(chǎn)出液加熱回注油套空間，清蠟解堵，與傳統(tǒng)鍋爐車清蠟相比，其裝置具有操作相對(duì)簡(jiǎn)單，無(wú)污水外排，不改變地層油水狀態(tài)，對(duì)油井開(kāi)采影響小、運(yùn)行系統(tǒng)簡(jiǎn)單成本較低等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 洗井清蠟流程示意圖

2 新型產(chǎn)品設(shè)計(jì)思路

（1）采用高位膨脹箱技術(shù)，降壓至常壓或微負(fù)壓，用以降低安全風(fēng)險(xiǎn)。（2）采納太陽(yáng)能-蒸汽循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)中蓄熱器的理念，采用液體顯熱蓄熱技術(shù)增強(qiáng)裝置的負(fù)荷調(diào)節(jié)能力。（3）采用專家系統(tǒng)組態(tài)控制，用邏輯控制器或PLC控制器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

3 裝置開(kāi)發(fā)

3.1 裝置參數(shù)

進(jìn)口水溫：15～65℃；出口水溫：65～115℃；進(jìn)口壓力：<0.4MPa；出口壓力：0；流量；40～120m3/d；燃料種類：柴油；熱效率：？叟90%；重量：適于50型拖拉機(jī)牽引或小型客貨車裝載。

3.2 裝置選型

通過(guò)熱洗清蠟裝置運(yùn)行參數(shù)的調(diào)研，根據(jù)熱洗清蠟流程，結(jié)合鍋爐和蓄熱器技術(shù)，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)新型油田采油用熱洗清蠟設(shè)備。裝置定型為：常壓（微負(fù)壓）、燃柴油、小型、無(wú)外排、蓄熱調(diào)節(jié)裝置。裝置適用范圍：適用于產(chǎn)液量<120m3/d油井口。

3.3 裝置設(shè)計(jì)

3.3.1 設(shè)計(jì)計(jì)算

熱力計(jì)算：建立爐膛輻射換熱、對(duì)流換熱面和蓄熱器換熱的準(zhǔn)則方程。首先簡(jiǎn)化蓄熱器的影響，導(dǎo)熱油采用T66型，控制溫度280℃，假定其工作溫度穩(wěn)定在250℃，即其熱量會(huì)被洗井液帶走。簡(jiǎn)化洗井液的影響，按水來(lái)考慮。其中爐膛：采用輻射換熱模型，模型按照鍋爐計(jì)算方法簡(jiǎn)化變形后可求解，相關(guān)參數(shù)可按鍋爐計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)選取。通過(guò)燃料特性計(jì)算焓溫表，假定爐膛出口溫度，校核換熱量，循環(huán)迭代可得正確的出口溫度。校核公式如公式1：

（1）

對(duì)流受熱面：采用煙氣縱向沖刷順列管束模型，熱有效系數(shù)？追、修正系數(shù)CS、Cn可先按鍋爐計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)選取，修正系數(shù)n取1，實(shí)際發(fā)現(xiàn)排煙溫度較低，對(duì)模型再調(diào)整修正系數(shù)n，經(jīng)數(shù)據(jù)倒推n≥1.8。

蓄熱器：采用間壁式換熱模型，相關(guān)參數(shù)可按換熱器計(jì)算選取。通過(guò)爐膛換熱量可計(jì)算導(dǎo)熱油溫度，（未知參數(shù)可：（1）假定迭代如水溫；（2）換熱系數(shù)近似假定）

Qcr=KH？駐t/Bj

對(duì)流受熱面：采用煙氣縱向沖刷順列管束模型，熱有效系數(shù)？追、修正系數(shù)CS、Cn可先按鍋爐計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)選取，修正系數(shù)n取1，實(shí)際發(fā)現(xiàn)排煙溫度較低，對(duì)模型再調(diào)整修正系數(shù)n，經(jīng)數(shù)據(jù)倒推n≥1.8。

采用傳統(tǒng)鍋爐熱力計(jì)算的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)和校核計(jì)算。它是所有其他計(jì)算的基礎(chǔ)，熱力計(jì)算匯總表見(jiàn)表1。

水動(dòng)力計(jì)算：設(shè)備采用以抽油機(jī)替代水泵、直流運(yùn)行且出口溫度控制較低，介質(zhì)處于過(guò)冷狀態(tài)，僅按質(zhì)量流速進(jìn)行計(jì)算參考。

強(qiáng)度計(jì)算：由于裝置運(yùn)行于常壓或微負(fù)壓，因此強(qiáng)度計(jì)算的結(jié)果對(duì)裝置影響不大，裝置的強(qiáng)度主要以優(yōu)化設(shè)計(jì)后進(jìn)行校核計(jì)算。主要校核公式見(jiàn)公式（2）

（2）

煙風(fēng)阻力計(jì)算

采用公式（2）進(jìn)行煙氣流速計(jì)算，并校核煙氣流速時(shí)期處于經(jīng)濟(jì)流速2間。

（3）

其中：Bj為計(jì)算燃料消耗，Vy為煙氣總?cè)莘e，θ為煙氣溫度，wy為煙氣流速，F(xiàn)為煙道截面積。

注2：尾部換熱面順列布置時(shí)，燃油（氣）鍋爐煙氣經(jīng)濟(jì)流速為11～15m/s。

3.3.2 設(shè)計(jì)優(yōu)化

安全性：采用小直徑、內(nèi)螺紋、螺旋盤(pán)管，可提高質(zhì)量流速和管內(nèi)工質(zhì)擾動(dòng)水平，進(jìn)而提高油井低產(chǎn)時(shí)水動(dòng)力可靠性和油水側(cè)換熱效果，減輕因油井產(chǎn)出液品質(zhì)低和產(chǎn)量低時(shí)的積鹽和結(jié)垢，亦可有效保護(hù)金屬材料。爐膛采用蓄熱器間接加熱可降低內(nèi)盤(pán)管的熱流密度，減少積鹽和結(jié)垢的可能，進(jìn)而保護(hù)金屬材料。裝置內(nèi)膽內(nèi)壁工作條件最為惡劣，采取了多種方法進(jìn)行優(yōu)化，用以增強(qiáng)冷卻效果，保護(hù)金屬材料。在滿足機(jī)械強(qiáng)度的基礎(chǔ)上采用薄壁內(nèi)膽，減小金屬內(nèi)外側(cè)的溫差應(yīng)力。確定略大的內(nèi)膽直徑和長(zhǎng)度，在充分利用輻射面的基礎(chǔ)上，防止火焰沖刷內(nèi)膽金屬壁板，保護(hù)金屬材料。調(diào)整裝置進(jìn)出口流程，介質(zhì)先冷卻導(dǎo)熱油，間接冷卻內(nèi)膽內(nèi)壁，后冷卻尾部煙管。采用高位膨脹油箱，使裝置蓄熱器常壓，減少安全風(fēng)險(xiǎn)。采用套管保護(hù)技術(shù)防止管板焊縫處根部的熱疲勞裂紋。進(jìn)口段采用截流孔板，中部采用呼吸集箱減少直流鍋爐在高溫狀態(tài)下水力脈動(dòng)和水力失調(diào)對(duì)裝置的沖擊。強(qiáng)化傳熱類：爐膛采用內(nèi)膽方式，內(nèi)膽直徑和長(zhǎng)度受制于燃燒器火焰的形狀，其排煙溫度很低約500℃，爐膛傳熱無(wú)需強(qiáng)化。較高的煙氣流速，橫向沖刷，提高煙氣側(cè)換熱系數(shù)。采用扁平波浪煙氣截面，不斷破壞邊界層，提高煙氣側(cè)換熱系數(shù)（見(jiàn)圖2）。采用內(nèi)外雙筒技術(shù)，可有效降低散熱損失。采用蓄熱器調(diào)整，使燃燒器間斷工作，提高工作時(shí)火焰中心溫度，強(qiáng)化傳熱。制作、運(yùn)行等其他因素：采用高度自動(dòng)化控制，提高裝置的可操作性。采用蓄能器降低裝置的溫度梯度，減少溫差應(yīng)力和燃燒器頻繁啟停，延長(zhǎng)燃燒器的使用壽命和減少啟停過(guò)程不完全燃燒的熱損失。通過(guò)多回程的熱力計(jì)算比較發(fā)現(xiàn)：回程數(shù)量對(duì)熱力計(jì)算影響較小，采用二或三回程結(jié)構(gòu)最有利于制作。通過(guò)外盤(pán)管多管圈的熱力計(jì)算比較發(fā)現(xiàn)，外盤(pán)管管圈可以大幅度減少。

3.3.3 裝置的自動(dòng)控制

針對(duì)油水特性，裝置配套了相應(yīng)的流量計(jì)（渦街式或超聲），防止孔板式的堵塞和電磁式的介質(zhì)不導(dǎo)電。針對(duì)導(dǎo)熱油手動(dòng)排氣易出現(xiàn)誤操作，裝置設(shè)計(jì)了機(jī)械式自動(dòng)排氣系統(tǒng)。裝置根據(jù)控制點(diǎn)的數(shù)量不同采用不同的上位機(jī)和控制方式。純?nèi)加头桨福鹤钥夭捎靡皂樞蚩刂破鳛橹黧w進(jìn)行組態(tài)控制，本次采用西門(mén)子LOGO！控制（見(jiàn)圖3）。燃?xì)饣鞜桨福鹤钥夭捎靡訮LC控制器為主體進(jìn)行組態(tài)控制，本次采用西門(mén)子S7-200控制（見(jiàn)圖4）。

4 裝置制造

本次裝置采用臥式內(nèi)燃，內(nèi)外爐膽、盤(pán)管和筒壁均采用小型滾板機(jī)和專用工裝制做，取消耐火材料，替代使用保溫材料，管材采用20#鋼，板材采用Q235，機(jī)加工和可焊性較強(qiáng)，制作工藝較簡(jiǎn)單，本處不贅述。裝置制造簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖5，空氣壓縮機(jī)是提供吹掃動(dòng)力，防止設(shè)備積水產(chǎn)生的腐蝕和冬季防凍。

5 裝置的調(diào)試、投用和評(píng)價(jià)

裝置分別于2011年6月、9月和11月分別進(jìn)行了原型機(jī)試驗(yàn)、中試測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)試驗(yàn)。經(jīng)改進(jìn)調(diào)整后完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，同年12月初開(kāi)始在河南油田雙江油區(qū)投入使用至今。裝置滿足生產(chǎn)和節(jié)能環(huán)保要求，不改變地層油水狀態(tài)，對(duì)油井開(kāi)采影響小，無(wú)污水外排，設(shè)備外表面溫度<50℃，排煙溫度<80℃，自重<750kg，與同類在用裝置相比：節(jié)油率>25%，裝置體積減小約50%、重量減輕約60%，更適合野外井場(chǎng)的轉(zhuǎn)場(chǎng)，且所用鋼材由奧氏體不銹鋼降低為優(yōu)質(zhì)碳鋼，大量減少耐火材料，降低成本約30%。

6 結(jié)束語(yǔ)

新型熱洗清蠟裝置3投產(chǎn)后，完全替代原裝置，各項(xiàng)參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求；該裝置為常壓設(shè)備，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，安全性和操作性高；增大了爐膛輻射的角系數(shù)和煙氣對(duì)流換熱系數(shù)，降低了散熱損失和排煙損失，熱效率大大提高，節(jié)約了燃油成本；提高了水動(dòng)力特性，加強(qiáng)裝置的安全性，降低了材料耐溫要求，金屬耗量和材質(zhì)等級(jí)都趨于合理；裝置體積小，運(yùn)輸方便，無(wú)污水外排。

注3：該裝置已獲專利，專利號(hào)：201220058617.5

參考文獻(xiàn)

[1]蔡長(zhǎng)英，翟俊民.油田多功能清蠟[J].設(shè)備中國(guó)，201010127003.320

10-03-18.

[2]房胤，婁和宇，李洪林，等.油井清蠟[J]裝置中國(guó)，201220058167.5201

1-02-22.

[3]《工業(yè)鍋爐設(shè)計(jì)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)方法》編委會(huì).工業(yè)鍋爐設(shè)計(jì)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)方法[M].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003.

[4]陳學(xué)俊，陳聽(tīng)寬.鍋爐原理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991.

[5]車得福，莊正寧，李軍，等.鍋爐[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2008.

[6]楊小平，楊曉西，丁靜，等.太陽(yáng)能高溫?zé)岚l(fā)電蓄熱技術(shù)研究進(jìn)展[J].熱能動(dòng)力工程，2011.

[7]燃油燃?xì)忮仩t房設(shè)計(jì)手冊(cè)編寫(xiě)組.燃油燃?xì)忮仩t房設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.