一種超導(dǎo)原油加熱爐的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

周 瑞，趙 勇，李樹(shù)平，張 振

（1.南京巨龍鋼管有限公司，江蘇南京 210060；2.渤海裝備華油鋼管銷(xiāo)售公司，河北保定 071500；3.華油鋼管有限公司，河北滄州 062650；4.渤海裝備制造有限公司石油機(jī)械廠，河北任丘 062550）

0 引言

根據(jù)國(guó)家“十二五”可持續(xù)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型要求，針對(duì)石油資源供應(yīng)緊張、環(huán)境污染嚴(yán)重的狀況，使用清潔能源，改善大氣環(huán)境，受到了國(guó)家的高度重視。隨著節(jié)能技術(shù)的不斷發(fā)展，高效、節(jié)能、環(huán)保已成為發(fā)展趨勢(shì)。采油廠距離聯(lián)合站較遠(yuǎn)的油井，其產(chǎn)出液在進(jìn)輸油干線前使用小型加熱爐進(jìn)行一次加熱。目前的單井加熱爐以輕、重油為燃料，采用水套爐形式進(jìn)行換熱，其燃燒器為負(fù)壓燃燒器，燃燒系統(tǒng)無(wú)任何安全保障措施。爐管表面煙垢和爐內(nèi)水垢不便于清理，熱效率低。為此，渤海裝備制造有限公司石油機(jī)械廠研發(fā)了超導(dǎo)原油加熱爐設(shè)備。

1 超導(dǎo)原油加熱爐原理及設(shè)計(jì)

水套爐的原理和結(jié)構(gòu)，決定了其換熱介質(zhì)與被加熱介質(zhì)換熱溫差?。?0 ℃）的短板。而超導(dǎo)加熱設(shè)備的超導(dǎo)介質(zhì)可達(dá)到270 ℃，以220 ℃的溫差與被加熱介質(zhì)進(jìn)行換熱，加熱時(shí)間短、強(qiáng)度大、效率高。

加熱爐加熱能力的大小取決于火焰強(qiáng)弱程度、受熱表面積和介質(zhì)導(dǎo)熱性3 個(gè)方面：火焰越強(qiáng)，管壁與介質(zhì)間溫差越大，傳熱量越大；火焰和高溫?zé)煔饨佑|的爐管面積越大，傳熱量越大；加熱管的導(dǎo)熱性越好，傳熱量越大。其中，超導(dǎo)加熱設(shè)備參數(shù)均優(yōu)于水套爐（表1）。

表1 井場(chǎng)水套爐和超導(dǎo)原油加熱爐的參數(shù)對(duì)比

真空超導(dǎo)傳熱技術(shù)在我國(guó)20 世紀(jì)70 年代最先應(yīng)用于航天衛(wèi)星表面。衛(wèi)星在太空飛行，向陽(yáng)面和陰面溫差約300 ℃，為使衛(wèi)星表面溫度均勻，采用了真空超導(dǎo)傳熱技術(shù)。直至21 世紀(jì)初，國(guó)家政策開(kāi)放后，該項(xiàng)技術(shù)才逐漸應(yīng)用于民用行業(yè)。其工作原理為：介質(zhì)的原子和原子相互碰撞時(shí)，發(fā)生聚集裂變現(xiàn)象，使介質(zhì)由一種狀態(tài)變?yōu)榱硪环N狀態(tài)（由液態(tài)→氣態(tài)→液態(tài)）。超導(dǎo)介質(zhì)在45 ℃以下為液態(tài)，達(dá)到45 ℃時(shí)迅速裂變?yōu)闅鈶B(tài)，并以音速導(dǎo)熱，實(shí)現(xiàn)熱量從載體高溫部分傳至低溫部分的熱交換過(guò)程。

設(shè)備采用超導(dǎo)傳熱技術(shù)，避免了火焰與主體內(nèi)管的直接接觸。燃燒器火焰和超導(dǎo)管局部接觸，就可實(shí)現(xiàn)整體冷、熱端部的高效熱交換，使?fàn)t體熱效率高達(dá)90%以上，且設(shè)備體積較傳統(tǒng)管式加熱爐縮小近1/2，降低了安裝難度（圖1）。

圖1 設(shè)備結(jié)構(gòu)方案

設(shè)備總體技術(shù)參數(shù)：①額定熱功率175 kW；②設(shè)計(jì)超額定負(fù)荷能力10%，設(shè)計(jì)使用壽命15 年；③可承壓8 MPa；④傳熱介質(zhì)為超導(dǎo)介質(zhì)，熱效率＞90%；⑤燃燒器型號(hào)為YH11 NO2，為負(fù)壓燃燒器，功率220 kW，可裝配雙電磁閥和火焰檢測(cè)器；⑥風(fēng)機(jī)功率0.55 kW，排風(fēng)量14.16 m3/min。

2 該設(shè)備的四大特點(diǎn)

2.1 安全措施豐富

（1）雙層環(huán)空管匯設(shè)計(jì)，火焰不接觸被加熱介質(zhì)，保障安全。

（2）所有管匯焊接完畢均經(jīng)過(guò)探傷和磁粉檢測(cè)后，再進(jìn)行水壓試驗(yàn)（壓力12 MPa，保持12 h 無(wú)滲漏）。

（3）操作室設(shè)有天然氣漏氣報(bào)警器，燃燒器為負(fù)壓燃燒器，但在傳統(tǒng)負(fù)壓燃燒器基礎(chǔ)上裝配風(fēng)機(jī)，點(diǎn)火前可對(duì)爐膛內(nèi)進(jìn)行掃風(fēng)（超導(dǎo)加熱設(shè)備內(nèi)部有效空間為1.905 m3，每分鐘吹掃量可達(dá)到14.16 m3）。點(diǎn)火前預(yù)吹掃時(shí)間為5 min，可有效防止點(diǎn)火前爐膛內(nèi)存在窩氣現(xiàn)象。

（4）燃燒器同時(shí)裝配火焰檢測(cè)和雙段電磁閥，當(dāng)大小火焰均熄滅時(shí)，雙段電磁閥可切斷氣源，同時(shí)聯(lián)動(dòng)遠(yuǎn)傳報(bào)警，確保管理員第一時(shí)間收到停機(jī)信息。溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，一級(jí)電磁閥切斷大火，小火為長(zhǎng)明火；當(dāng)溫度低于設(shè)定值，電磁閥打開(kāi)，大火點(diǎn)燃開(kāi)始加溫。

（5）超導(dǎo)管組配備安全防爆裝置，一旦超過(guò)設(shè)定值，防爆器自動(dòng)釋壓力，保障安全。

（6）超導(dǎo)加熱設(shè)備爐內(nèi)有效空間為1.905 m2，外殼配備0.078 m2防爆孔。

2.2 安裝、操作簡(jiǎn)單

（1）安裝、維護(hù)成本低：爐體內(nèi)不需要加注軟化水，可節(jié)約安裝配套系統(tǒng)相關(guān)成本。

（2）操作簡(jiǎn)單：當(dāng)被加熱介質(zhì)為油井自產(chǎn)液時(shí)，無(wú)需對(duì)鍋筒內(nèi)進(jìn)行除垢（水垢）措施。維護(hù)簡(jiǎn)便，降低了人員勞動(dòng)強(qiáng)度。

（3）采用整體撬裝式結(jié)構(gòu)，便于運(yùn)輸。

（4）同時(shí)無(wú)需在井場(chǎng)打地面基礎(chǔ)、無(wú)需專(zhuān)業(yè)隊(duì)伍進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工，降低了安裝成本。

2.3 熱效率高

設(shè)備采用超導(dǎo)傳熱技術(shù)，避免了火焰與主體內(nèi)管的直接接觸。燃燒器火焰和超導(dǎo)管局部接觸，就可實(shí)現(xiàn)整體冷、熱端部的高效熱交換，使?fàn)t體熱效率高達(dá)90%以上，較普通水套爐提高約15%。

內(nèi)、外殼采用不銹鋼制成，中間填充150 mm 高密度阻熱纖維，在保障加熱體防腐效果、美觀程度的基礎(chǔ)上，體表熱損可控制在0.9%以內(nèi)。而傳統(tǒng)加熱爐體表面熱損約為3%。

2.4 節(jié)能環(huán)保

設(shè)備前、后封板均可拆卸，外管煙垢可采用鋼刷和高壓水槍清洗，主體內(nèi)部設(shè)有導(dǎo)流槽，底部有泄水孔和快速接頭，可直接將污水引排至下水道。避免空氣吹掃煙垢引起可吸入顆粒物飄散，污染空氣。

設(shè)備前部設(shè)有操作室，尾部設(shè)有防雨罩，防止雨水侵入爐體內(nèi)部造成腐蝕。獨(dú)有的設(shè)計(jì)和極高的熱效率，可降低對(duì)燃料的消耗，減少大氣污染，節(jié)約水資源。

3 設(shè)備應(yīng)用

該產(chǎn)品在華北油田采油四廠安56-21 井場(chǎng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及數(shù)據(jù)采集工作（圖2）。設(shè)備整體運(yùn)行1 年，運(yùn)行平穩(wěn)，積極響應(yīng)了華北油田公司節(jié)能環(huán)保的政策，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

圖2 安56-21 井場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備

4 結(jié)語(yǔ)

目前各油田需要使用加速集輸?shù)挠途當(dāng)?shù)量巨大。渤海裝備制造有限公司石油機(jī)械廠產(chǎn)品可應(yīng)用于所有油井輸油加熱集輸，僅以產(chǎn)品計(jì)劃先期投入試驗(yàn)運(yùn)營(yíng)的華北油田采油四廠為例，其該類(lèi)型產(chǎn)品的需求量為120 臺(tái)/套，而其現(xiàn)階段使用的傳統(tǒng)加熱爐的熱效率低、人員成本高、使用輕、重燃油做燃料，能耗大、污染嚴(yán)重，亟需一款超低能耗、環(huán)保、可靠、方便倒運(yùn)的新型原油加熱爐，因此具有巨大的市場(chǎng)空間。鑒于現(xiàn)階段市場(chǎng)對(duì)節(jié)能、降耗、環(huán)保型產(chǎn)品的需求日益迫切，該產(chǎn)品具有廣闊的發(fā)展前景。此外，渤海裝備制造有限公司石油機(jī)械廠還計(jì)劃將來(lái)豐富該類(lèi)型產(chǎn)品的產(chǎn)品系列，拓展其應(yīng)用范圍，將其推廣至各級(jí)大小型原油集輸聯(lián)合站。