旋轉(zhuǎn)補償器在大容量燃煤鍋爐配套注汽管道上的應用

孫運生，吳偉棟，賀吉濤，黃煜，韓登州.新疆油田公司開發(fā)公司，新疆克拉瑪依834000.新疆石油勘察設計研究院（有限公司），新疆克拉瑪依834000

旋轉(zhuǎn)補償器在大容量燃煤鍋爐配套注汽管道上的應用

孫運生1，吳偉棟2，賀吉濤2，黃煜2，韓登州2
1.新疆油田公司開發(fā)公司，新疆克拉瑪依834000
2.新疆石油勘察設計研究院（有限公司），新疆克拉瑪依834000

國內(nèi)油田注汽管道熱補償通常采用Π形補償器，但其會大大增加管道長度，且轉(zhuǎn)彎數(shù)量多、局部阻力損失大，為滿足生產(chǎn)需求，選用新型旋轉(zhuǎn)補償器進行了應用研究。介紹了旋轉(zhuǎn)補償器的原理以及兩種典型的布置形式。通過大容量燃煤鍋爐配套注汽管道上的應用實例，對其熱補償距離、補償器尺寸、曲折角度、管托的設置進行了計算和說明。應用結(jié)果表明旋轉(zhuǎn)式補償器在注汽管道上應用優(yōu)勢明顯，與Π形補償器相比，降低了壓力損失和熱損失，有利于系統(tǒng)安全，具有推廣應用價值。最后對工程設計及施工提出了建議。

稠油熱采；注汽管道；旋轉(zhuǎn)式補償器；應用

注蒸汽熱采是稠油開發(fā)的主要技術手段，主要原理是將注汽鍋爐產(chǎn)生的10 MPa左右高壓蒸汽（80％干度的濕蒸汽）通過注汽管道注入到地下油層，以降低稠油黏度，達到便于開采的目的。隨著稠油熱采技術的發(fā)展，注汽管道管徑由單一的DN100發(fā)展到DN100～DN400，在敷設過程中難度加大，常規(guī)熱補償方式（Π形補償器）已不能滿足設計需要。為了滿足生產(chǎn)需求，對新型旋轉(zhuǎn)補償器進行現(xiàn)場應用試驗，結(jié)果表明旋轉(zhuǎn)補償器在注汽管道上應用優(yōu)勢明顯。

1 常規(guī)熱補償方式

注汽管道常規(guī)熱補償方式為應用Π形補償器，其工作原理為利用彎頭和管段的彈性變形來吸收注汽管道的熱脹冷縮，50 m長度內(nèi)需要利用4只彎頭向外伸出5.2 m形成自然補償，如圖1、圖2所示。

圖1　DN100注汽管道采用Π形補償器敷設示意/m

圖2　Π型補償器示意/m

Π形補償器制造安裝較方便，但存在以下問題：

（1）運行阻力增大。采用Π形補償器使注汽管道的實際長度增大了20％，同時由于彎頭數(shù)量多，增大了局部阻力，采用Π形補償器的注汽管道壓降約為1.5～2.0 MPa/km，注汽系統(tǒng)運行壓力較井口壓力提高了1～3 MPa，增加了投資和運行費用。同時彎頭的增多使?jié)裾羝飨蚨嘧儯斐勺⑵艿酪桩a(chǎn)生振動或水擊。

（2）熱損失增大。采用Π形補償器使注汽管道的實際長度增大，熱損失相應增大。另外管道彎頭處變形較大，無法利用保溫效果較好的硅酸鹽硬質(zhì)復合保溫瓦進行施工，只能利用復合硅酸鹽氈現(xiàn)場纏繞處理，很難保證具有良好的保溫效果。

2 旋轉(zhuǎn)補償器

2.1旋轉(zhuǎn)補償器原理

旋轉(zhuǎn)補償器是一種新型的熱力管道補償器，最高耐溫可達600℃，常溫耐壓可達40 MPa，密封性能優(yōu)越，長期運行可免維護，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。一般在熱力管道上組對安裝，形成相對旋轉(zhuǎn)來吸收管道熱伸長量，從而減少管道應力［1］。該補償器適用性較廣，平行路徑、轉(zhuǎn)角路徑和直線路徑等均可應用。

圖3　旋轉(zhuǎn)補償器的結(jié)構(gòu)示意

2.2旋轉(zhuǎn)補償器布置形式

旋轉(zhuǎn)補償器的布置可根據(jù)自然地形及管道長度來確定。

（1）當補償器布置在兩固定支架中心時，平行路徑和直線路徑一般都選用此種布置方式，如圖4所示，注汽管道運行時補償器的兩端有相同的膨脹量和膨脹推力，力偶繞著中心O旋轉(zhuǎn)了θ角，以吸收兩端方向相對、大小相等的膨脹量△［2］。

圖4　補償器布置于兩固定支架中心工作原理示意

（2）當補償器未布置在兩固定支架中心，而偏向注汽管道的一端時，轉(zhuǎn)角路徑一般使用此布置方式，如圖5所示。

圖5　補償器布置于兩固定支架一端工作原理示意

膨脹時力偶臂L繞離固定端較近的旋轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)來吸收兩端方向相對、大小不等的膨脹量；吸收熱膨脹量情況下，在力偶臂旋轉(zhuǎn)到θ/2時，管道出現(xiàn)Y方向擺動的最大值。

一般情況下，根據(jù)自然地形，在補償量的大小和安裝條件許可的情況下L盡量選大一點。

雖然熱膨脹量隨著轉(zhuǎn)角θ或力偶臂L的加大而增加，但為了防止擺動值過大，θ值取18°為宜，L取2～6 m為宜。

3 工程應用實例

在風城130 t/h燃煤注汽鍋爐集中供汽試驗項目中，新疆油田首次應用旋轉(zhuǎn)補償器。從注汽站引出一條D 325 mm×24 mm（無縫鋼管，20G鋼）配汽干線到油區(qū)計量橇。分成4路D 159 mm×12 mm（無縫鋼管，20G鋼）支線送至各供汽點。注汽系統(tǒng)流程如圖6所示。

圖6　注汽系統(tǒng)流程

注汽管網(wǎng)工作壓力按9.81 MPa設計。注汽管道干線長度約1.4 km，支線長度約2 km，全部采用以旋轉(zhuǎn)補償器為主，自然補償為輔的熱補償方式。旋轉(zhuǎn)補償器應用現(xiàn)場見圖7。

圖7　旋轉(zhuǎn)補償器應用現(xiàn)場

3.1布置方式

注汽管道每敷設200～250 m布置1組旋轉(zhuǎn)補償器，如圖8所示。

圖8　旋轉(zhuǎn)補償器安裝俯視示意

DN 300、DN 150注汽管道旋轉(zhuǎn)補償器中心與第一個導向支架的最小距離X分別為26、19 m，管道直線部分導向支架間距分別為45、35 m。仍采用低支架架空敷設，管底標高0.45 m。

3.2補償量計算（以間距200 m為例）

補償量可根據(jù)下式進行計算：

式中：Δ為補償量，mm；T1為介質(zhì)溫度，℃；t0為安裝環(huán)境溫度，℃；α為管材熱脹系數(shù)，mm/（m·℃）；S為兩固定支架的距離，m。

經(jīng)計算，Δ=（296-20）×0.013×200/2= 358.8（mm）。

3.3旋轉(zhuǎn)補償器尺寸

（1）根據(jù)補償器立面圖（見圖9（a）），旋轉(zhuǎn)式補償器高度計算式為：

式中：H為旋轉(zhuǎn)式補償器高度，mm；h為旋轉(zhuǎn)筒長，mm；D為管道外徑，mm。所選彎頭曲率半徑R為1.5 D。

計算得DN 300旋轉(zhuǎn)式補償器高度為1 260 mm，DN150旋轉(zhuǎn)式補償器高度為758 mm。

（2）根據(jù)補償器俯視圖（見圖9（b）），可得計算式：

圖9　旋轉(zhuǎn)補償器尺度要素

式中：θ為轉(zhuǎn)角，（°）；L為旋轉(zhuǎn)式補償器橫臂長度，取3 m。

sin（θ/2）=358.8/3 000=0.12

對應角度θ=13.8°。

（3）擺動值Y=［1-cos（θ/2）］×L/2= 10.9（mm）。擺動值不大，不影響管道正常工作。

3.4管托設置

注汽管道每6 m設1個管托，滑動管托的軸向長度根據(jù)與補償器的距離不同而不同，靠近補償器處，滑動管托軸向長度達600 mm。

4 節(jié)能效益分析

針對工程現(xiàn)場應用情況及計算分析，旋轉(zhuǎn)補償器補償能力與管徑關聯(lián)不大，與Π形補償器相比在大管徑注汽管道上應用優(yōu)勢更加明顯。表1為不同管徑下兩種熱補償方式綜合對比情況。

從表1可以看出，與Π形補償器相比，旋轉(zhuǎn)補償器具有以下優(yōu)勢：

表1　采用Π形補償器與旋轉(zhuǎn)補償器方案對比

（1）經(jīng)濟效益。以DN100注汽管道為例，采用旋轉(zhuǎn)補償器后注汽管道每年減少熱損失17.1 kW/km，年節(jié)約天然氣為1.64萬m3/km，折合燃氣費約為2.45萬元/km；管道壓力損失減少17.9％，每年節(jié)約用電2.45萬kW·h，折合電費1.47萬元/km，經(jīng)濟效益明顯。

（2）系統(tǒng)安全。濕蒸汽管道采用Π形補償器易產(chǎn)生振動及水擊現(xiàn)象，不利于系統(tǒng)安全運行。使用旋轉(zhuǎn)補償器后，注汽管道壓力損失降低，可降低鍋爐出口壓力，同時減少了彎頭數(shù)量，有利于注汽系統(tǒng)安全運行。

5 結(jié)束語

根據(jù)上述論述，得出以下結(jié)論：與Π形補償器相比，采用旋轉(zhuǎn)補償器能降低注汽系統(tǒng)運行壓力和熱損失，提高系統(tǒng)安全性，在大管徑注汽管道上應用時優(yōu)勢更加明顯。

經(jīng)過現(xiàn)場實際工程應用，提出以下建議：

（1）采用旋轉(zhuǎn)補償器時，注汽管道管托需沿管道熱膨脹相反的方向進行預偏裝，一般預偏裝尺寸為管道熱位移的一半。

（2）采用旋轉(zhuǎn)補償器時，為避免活動管托滑動出現(xiàn)卡阻現(xiàn)象，活動管托可采用滾動管托，或采取墊聚四氟乙烯板等減少摩阻的措施，并每隔一段距離設置導向管托。

（3）與傳統(tǒng)的Π形補償器相比，旋轉(zhuǎn)補償器對施工要求較高，施工人員必須嚴格按照設計文件要求的補償器偏裝角度、滑動管托偏裝尺寸等進行施工。

（4）考慮到油區(qū)地面平整度及現(xiàn)場施工安裝精度等問題，建議旋轉(zhuǎn)補償器固定支架間距取200～250 m，旋轉(zhuǎn)補償器折曲角可選用18°，使管道橫向擺動Y值減小。

（5）當注汽管道直管段敷設長度大于150 m時，熱補償方式可考慮采用旋轉(zhuǎn)式補償器；當敷設長度較小時，則應采用Π形補償器。總體來講，注汽管道熱補償宜采用旋轉(zhuǎn)式補償器與Π形補償器相結(jié)合的方式。

［1］施振球，趙廷元，葉全樂，等.動力管道設計手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2006：470-645.

［2］石勝華，李冬梅.旋轉(zhuǎn)補償器在熱力管道上的應用［J］.能源與節(jié)能，2014，19（9）：130-132.

Application of Rotary Compensator in Steam Injection Pipeline of L arge Capacity Coal-fired Boiler

SUN Yunsheng1，WU Weidong2，HE Jitao2，HUANG Yu2，HAN Dengzhou2
1.PetroChina Xinjiang Oilfield Development Company，Karamay 834000，China
2.Xinjiang Petroleum Survey and Design Company，Karamay 834000，China

Thermal compensation of steam injection pipelines in domestic oilfields usually adopt Π-shaped compensator，but it greatly increases the pipeline length，the number of turns and local resistance loss.In order to meet the needs of production，the application of new type of rotary compensator is studied.In this paper，the principle of the rotary compensator is introduced，and its two typical arrangement forms are described.The thermal compensation distance，the size of the compensator，the winding angle and the pipe supports are calculated and illustrated by the application example of the large capacity coal-fired boiler.The practical results show that application of the rotary compensator in steam injection pipeline has obvious advantages；the pressure loss and the heat loss are reduced compared with a Π-shaped compensator，which is conducive to system safety；the rotary compensator is of popularization and application value.At last，suggestions are put forward for engineering design and construction.

thermalrecovery of heavy oil；steam injection pipeline；rotary compensator；application

10.3969/j.issn.1001-2206.2016.04.010

孫運生（1982-），男，山東日照人，工程師，2007年畢業(yè)于武漢理工大學輪機工程專業(yè)，從事油氣田開發(fā)稠油熱采注汽技術研究及項目管理工作。Email：sunysh-xj@petrochina.com.cn

2016-02-06