高頻電磁感應(yīng)加熱技術(shù)在油田集輸系統(tǒng)的研究與試驗(yàn)

梁海鋒 覃川 袁秀杰 楊會(huì)豐

（1.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司質(zhì)量管理與節(jié)能處；2.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司油氣工藝研究院；3.低滲透油氣田勘探開發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室；4.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第十一采油廠）

長(zhǎng)慶油田目前在用燃煤常壓水套爐849臺(tái)，用于井場(chǎng)及拉油點(diǎn)的外輸原油加熱。在實(shí)際生產(chǎn)中，存在以下問題：不完全燃燒有害氣體及殘?jiān)欧?，污染環(huán)境；燃燒不充分，能量浪費(fèi)大；燃料補(bǔ)給受天氣條件左右；熱效率偏低（50%）；火控不方便，手動(dòng)操作控火控溫；明火隱患，需要專人值守，員工勞動(dòng)強(qiáng)度大。這些問題間接或直接地影響了生產(chǎn)效益，急需開發(fā)一種滿足油氣田現(xiàn)場(chǎng)需求的新型加熱方式來改變當(dāng)前的現(xiàn)狀。

1 技術(shù)對(duì)比

通過前期調(diào)研[1-4]，電加熱、太陽(yáng)能集熱和熱泵等加熱技術(shù)可以解決現(xiàn)有的加熱問題，對(duì)比不同加熱方式見表1。

通過四種技術(shù)對(duì)比，太陽(yáng)能集熱技術(shù)和電磁感應(yīng)加熱技術(shù)能夠解決井口拉油點(diǎn)的加熱問題，考慮到低成本及占地局限問題，重點(diǎn)開展電磁感應(yīng)加熱技術(shù)研究。

2 技術(shù)原理

高頻電磁感應(yīng)加熱是一種利用電磁感應(yīng)原理，將電能轉(zhuǎn)換為磁熱能的加熱裝置。在控制器內(nèi)由整流電路將50/60 Hz的交流電壓變成直流電壓，再經(jīng)過控制電路將直流電壓轉(zhuǎn)換成頻率為10～25 kHz的高頻電壓，高速度變化的電流通過線圈會(huì)產(chǎn)生高速變化的磁場(chǎng)；當(dāng)磁場(chǎng)內(nèi)部的磁力線通過金屬容器時(shí)產(chǎn)生無數(shù)的小渦流，使金屬容器自行快速發(fā)熱，然后再將容器內(nèi)介質(zhì)（水或原油等）快速加熱提溫[5]。具備水電隔離，趨膚效應(yīng)內(nèi)熱式加熱、不結(jié)垢等特點(diǎn)，其工作原理見圖1。

表1 不同加熱方式對(duì)比

圖1 電磁感應(yīng)加熱工作原理

根據(jù)上述電磁感應(yīng)原理，電磁感應(yīng)渦流熱效應(yīng)產(chǎn)生的理論熱功率公式[6]為

式中：WE——理論熱功率，W；

Hm——磁場(chǎng)強(qiáng)度，A/m；

ρ——材料的電阻率，Ω·m；

μ——材料的相對(duì)磁導(dǎo)率；

μ0——真空磁導(dǎo)率，4π×10-7N·A-2；

d——材料的透入深度，mm；

f——外磁場(chǎng)的頻率，Hz。

根據(jù)上述電磁感應(yīng)加熱原理及理論公式，油田應(yīng)用高頻電磁感應(yīng)加熱需按油田現(xiàn)場(chǎng)加熱條件進(jìn)行以下關(guān)鍵參數(shù)點(diǎn)研究試驗(yàn)：

◇高頻電磁感應(yīng)加熱體金屬材料優(yōu)化選擇；

◇高頻電磁感應(yīng)加熱金屬體厚度最佳選擇；

◇高頻電磁感應(yīng)最佳頻率選擇。

3 裝置研究

3.1 高頻電磁感應(yīng)加熱體磁性材料選擇

金屬感應(yīng)加熱本體必須選擇磁性強(qiáng)、磁阻大的材料。目前，油田上使用的電磁感應(yīng)加熱裝置的發(fā)熱體主要是用無縫鋼管焊接而成，其磁性與不銹鐵相比較弱，加熱效率勢(shì)必較低。

通過控制20 kW電磁感應(yīng)加熱頻率在10～16 kHz范圍內(nèi)，對(duì)各種金屬材料的加熱本體為DN80/4 mm厚的金屬圓管進(jìn)行通水感應(yīng)加熱室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，測(cè)定相同加熱量的水（0.1 m3）溫升40℃所需要的時(shí)間，測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 20 kW高頻電磁感應(yīng)加熱裝置加熱100 kg水的加熱時(shí)間統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

通過對(duì)各種金屬材料（無縫鋼管、不銹鐵409、不銹鐵410、不銹鐵430、不銹鐵443）的加熱本體為DN80/4 mm厚的金屬圓管進(jìn)行通電感應(yīng)加熱室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，達(dá)到相同的加熱效果，得出熱效率最高的材料是不銹鐵409。

3.2 高頻電磁感應(yīng)加熱發(fā)熱體材料厚度確定

長(zhǎng)慶油田集油管線壓力一般為1.6 MPa和2.5 MPa，管道厚度大于3 mm。通過上述材料選擇，以3.5、4、4.5、5、5.5 mm厚度的DN80不銹鐵409金屬圓管，控制20 kW電磁感應(yīng)加熱頻率在10～16 kHz范圍內(nèi)，進(jìn)行通水感應(yīng)加熱室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，并測(cè)定相同加熱量的水（0.1 m3）溫升40℃所需要的時(shí)間，測(cè)試結(jié)果見表3。

表3 20 kW高頻電磁感應(yīng)不同厚度不銹鐵加熱100 kg水的時(shí)間統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

通過測(cè)試不銹鐵409、厚度為3.5～5 mm的金屬圓管，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較，得出不銹鐵409感應(yīng)加熱本體的厚度應(yīng)為3.5～4.5 mm范圍時(shí)加熱時(shí)間較短，效率相對(duì)較高。

同時(shí)保持70℃±10%的溫度對(duì)DN80/3.5 mm、DN80/4 mm、DN80/4.5 mm不銹鐵409加熱管進(jìn)行耐壓實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表4。結(jié)果表明都能滿足4 MPa壓力，考慮實(shí)際油田加熱介質(zhì)不同程度具有腐蝕性及管線壓力超過4 MPa的可能性，因此，選擇4 mm不銹鐵409有充分的耐壓余量且熱效率較高。

表4 20 kW高頻電磁感應(yīng)加熱裝置加熱耐壓實(shí)驗(yàn)

3.3 高頻電磁感應(yīng)加熱最佳頻率確定

加熱深度的參考公式為

式中：δ為感應(yīng)加熱透入深度，mm；f為加熱頻率，Hz。導(dǎo)磁材料的頻率與透熱厚度[7]見表5。

表5 導(dǎo)磁材料的頻率與透熱厚度

以上述電磁感應(yīng)加熱深度理論作為基本指導(dǎo)依據(jù)，用DN80/4 mm厚度金屬發(fā)熱體進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)。由理論計(jì)算4 mm厚的金屬加熱本體電磁感應(yīng)加熱頻率理論估算范圍是16 kHz左右，通過對(duì)4 mm厚度金屬加熱本體進(jìn)行通電感應(yīng)加熱室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)曲線見圖2。測(cè)試結(jié)果表明，高頻電磁感應(yīng)加熱裝置的運(yùn)行頻率控制在12～16 kHz之間，加熱效率趨于最高。

圖2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線分析

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和效果分析

長(zhǎng)慶油田采油十一廠桐川作業(yè)區(qū)1#井場(chǎng)屬于典型的拉油井組。原采用0.05 MW煤氣兩用常壓熱水鍋爐24 h不停加熱。計(jì)劃預(yù)計(jì)每天拉一次油，每次加熱20 m3原油（井組平均日產(chǎn)液10 m3）10 h，外輸原油需升溫20℃，計(jì)算預(yù)估所需高頻電磁感應(yīng)加熱裝置功率為30 kW，為保證加熱余量，確定裝置采用40 kW額定功率。

根據(jù)現(xiàn)狀完成1套高頻電磁感應(yīng)加熱裝置設(shè)計(jì)施工：

◇并聯(lián)安裝到長(zhǎng)慶油田采油十一廠的桐川作業(yè)區(qū)1#拉油井組的煤氣兩用鍋爐的兩端；

◇沿用原有儲(chǔ)油罐的加熱盤管、2臺(tái)循環(huán)泵和補(bǔ)水罐等部分系統(tǒng)；

◇加裝油罐油溫測(cè)量傳感器；

◇對(duì)1#井場(chǎng)的30 m3儲(chǔ)油罐原油進(jìn)行閉環(huán)溫控加熱應(yīng)用效果試驗(yàn)[8]。

1#井組高頻電磁感應(yīng)加熱裝置設(shè)置每天下午5點(diǎn)鐘開始加熱運(yùn)行，第二天凌晨3點(diǎn)鐘停止加熱運(yùn)行，等油罐熱量平衡，約8～9點(diǎn)鐘拉油，下午5點(diǎn)鐘加熱裝置再開始加熱運(yùn)行；加熱裝置額定功率40 kW，分為5擋選擇擋位，當(dāng)前設(shè)置為第5擋（40 kW）；加熱裝置運(yùn)行期間，設(shè)置循環(huán)水溫度達(dá)到85℃停止加熱，低于75℃繼續(xù)加熱。

4.1 熱效率測(cè)試

表6 1#井組高頻電磁感應(yīng)加熱裝置熱效率測(cè)試數(shù)據(jù)

表7 1#井組高頻電磁感應(yīng)加熱裝置單耗測(cè)試數(shù)據(jù)

表8 井組燃煤加熱爐計(jì)算結(jié)果

表9 1#井組高頻電磁感應(yīng)加熱裝置節(jié)能計(jì)算數(shù)據(jù)

經(jīng)過1 h連續(xù)熱效率測(cè)試，通過計(jì)算加熱裝置效率達(dá)到95.38%（表6）。

4.2 單耗測(cè)試

通過單耗測(cè)試（表7），1#井組高頻電磁感應(yīng)加熱裝置設(shè)置每天運(yùn)行10 h，耗電量159.52 kWh，循環(huán)水泵每天運(yùn)行24 h，耗電量27.63 kWh，井組平均產(chǎn)液量8.64m3/d，電量單耗21.66 kWh/m3。

4.3 燃煤加熱爐數(shù)據(jù)

抽油機(jī)拉油井組燃煤加熱爐需要人工頻繁加煤，控制爐溫，24 h不間斷運(yùn)行，燃煤加熱爐加熱原油（采出液）單耗為6.78 kg/m3。抽油機(jī)拉油井組燃煤加熱爐加熱原油（采出液）燃煤?jiǎn)魏臄?shù)據(jù)見表8。

4.4 節(jié)能分析

通過節(jié)能計(jì)算分析（表9），1#井組更換高頻電磁感應(yīng)加熱裝置后，對(duì)比原燃煤加熱爐，節(jié)能率達(dá)49.09%。

5 結(jié)論

高頻電磁感應(yīng)加熱技術(shù)的應(yīng)用是改進(jìn)長(zhǎng)慶油田原有常規(guī)原油加熱方法的有效途徑。該技術(shù)具備油、氣、水與電分離、原油溫升快、不結(jié)垢的優(yōu)點(diǎn)。高頻電磁感應(yīng)加熱效率及原油換熱效果比采用燃煤鍋爐、普通電伴熱、電熱棒加熱更加安全、高效、無污染、節(jié)能環(huán)保，從理論上更適合油田分布式原油井口集輸加熱。應(yīng)該繼續(xù)開展高頻電磁感應(yīng)加熱在油田應(yīng)用的研究及試驗(yàn)，推廣以電取煤，清潔能源，節(jié)能環(huán)?？沙掷m(xù)發(fā)展的路線。