介質套管輸送方式的應用領域及研究現(xiàn)狀

馬 川，崔光甫，劉曉燕，趙海謙，劉立君

(東北石油大學 土木建筑工程學院，黑龍江 大慶 163318)

0 引言

我國能源年生產(chǎn)總量為35.9億t標準煤，能源資源儲量豐富，品種多樣[1]。但分布不均衡，西部和東北廣大地區(qū)能源資源儲量較多，東部發(fā)達地區(qū)能源儲量較少。自改革開放以來，東部地區(qū)人口眾多且城市密集，能源消費需求高。我國能源生產(chǎn)及消耗地理分布的不均衡決定了能源輸送的必要性。安全經(jīng)濟的能源輸送方式對能源資源穩(wěn)定供給意義重大。其中管道輸運載能介質是能源輸送的五大形式之一。

管道輸送需克服惡劣的氣候及地質條件以確保安全運輸。以往的管道輸送方式主要采用單管輸運。當多種介質或不同參數(shù)介質同時輸送時，則需多根單管并行敷設[2]，導致管材消耗量大及占用空間等問題。載能介質輸運過程中的能量損失不可避免，由于管道受外界環(huán)境影響產(chǎn)生破損及腐蝕，導致管道普遍存在熱工缺陷區(qū)[3]。就單管而言，輸送載能介質的管道與外界環(huán)境直接接觸，二者間存在較大溫差，熱損較大，熱穩(wěn)定性差。然而，對于套管，環(huán)隙空間的存在增加了內(nèi)管載能介質能量向外界環(huán)境傳遞的阻力?；诮橘|輸送的特殊性，在特定領域存在可以替代單管輸運的方式即套管輸運。套管具有換熱效果好、熱穩(wěn)定性好、節(jié)約成本、可減少輸送過程的壓損和熱損等優(yōu)勢，因其結構的特殊性，套管充分利用了換熱面積，節(jié)省了占地空間。

本文將總結套管研究現(xiàn)狀，闡述套管的使用場合、特點、影響因素、優(yōu)勢及存在的問題，為套管輸運在不同領域的應用提供參考。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，套管換熱面積大且內(nèi)外管介質可實現(xiàn)同步換熱，熱效率高，國內(nèi)外學者對套管輸運形式的研究以套管式換熱器居多。

套管換熱器的換熱效率優(yōu)于熱管換熱器。Han研制新型同心管熱管換熱器，可避免熱管干涸現(xiàn)象的負面影響，與熱管相比，新型同心管換熱器換熱性能更好，低溫熱源下熱效率更高[4]。在便攜式電源研究中，為解決超微型燃氣輪機燃燒室的低熱效率問題，Valerio開發(fā)三同心管燃燒室模型，證明了新型燃燒室模型有益于燃燒和熱交換[5]。有學者預測三重同心管換熱器熱性能，Moya開發(fā)人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型預測三重同心管換熱器傳熱速率及壓降，相對于實驗數(shù)據(jù)，二者誤差小于1.91%和3.82%，吻合較好[6]。

套管式換熱器是一種體積小、換熱面積大的換熱器，為了研究其強化換熱，張維蔚改進了計算傳熱模型，預測湍流情況下套管換熱器的傳熱特性[7]。有的學者在內(nèi)管添加多孔介質，以空氣和水分別為內(nèi)、外管介質。付全榮研究了空氣流經(jīng)鋁泡沫填充方形套管換熱器內(nèi)管的流動和傳熱，結果表明，在內(nèi)管填充鋁泡沫金屬可強化換熱[8]；有的學者對傳熱工質進行優(yōu)選，以過熱蒸汽和熔融鹽分別為內(nèi)、外管介質，扶麟分析了不同工況下熔鹽-蒸汽套管式換熱器的耦合傳熱特性[9]；周玲研究雙套管雙管板換熱器傳熱及流動特性，在內(nèi)管充水，在隔絕腔連同內(nèi)外套管的環(huán)形間隙內(nèi)分別充入空氣、水、甲苯氣體及氬氣四種介質進行模擬[10]；有的學者采用復合強化傳熱的方法，以蒸汽和空氣分別為內(nèi)、外管介質，張麗實驗研究了螺旋片和擾流柱復合強化的套管換熱器殼側傳熱特性[11]；這種復合強化換熱的方式非常值得進行后續(xù)研究以擴大其在工程上適用范圍。有學者通過在加熱表面增加粗糙度強化換熱，以水為內(nèi)、外管介質，顏迪民實驗研究了粗糙套管內(nèi)水的放熱及摩阻。結果得出：放熱系數(shù)可增加一倍多[12]。

在換熱器制冷方面，套管內(nèi)管介質為制冷劑，外管為水。1994年由挪威工業(yè)大學Lorentzen提出了將CO2作為制冷劑并首次應用于車載空調系統(tǒng)[13]。CO2作為一種新興的無毒、無污染的制冷劑有很大的發(fā)展前景。基于跨臨界CO2理論，陳華探討了入口壓力、質量流量、冷卻水流量等參數(shù)變化對超臨界CO2在套管內(nèi)的換熱特性和壓降的影響，為優(yōu)化氣體冷卻器的設計奠定基礎[14]。綜上，不同的學者為優(yōu)化換熱性能所選擇的強化換熱方法不盡相同，若能將不同方法通過一定形式結合起來組成復合強化換熱系統(tǒng)，將會大大地改善換熱效率。

國內(nèi)外學者基于套管輸運形式在改善套管式換熱器的換熱效率做了大量工作。然而，將套管輸運形式引入其他領域的研究并不多見，導致了套管輸運形式的局限性。

2 套管輸運優(yōu)點

本文從減少熱損、強化傳熱傳質及節(jié)約輸運成本等方面，針對不同領域總結了套管輸運形式的應用。

2.1 減少熱損

載能介質輸運過程中因與外界傳熱而存在能量損失。對于高溫介質尤為明顯。采用合理套管形式，將高溫介質置于內(nèi)管輸運，環(huán)空層的存在增加了內(nèi)管高溫介質散熱的阻力，對減少介質輸運能量損失效果明顯。

2.1.1 油氣開采領域

在稠油開采蒸汽驅技術中，高溫高壓蒸汽為稠油的驅動源，而套管環(huán)空介質為低壓空氣或氮氣，不同的環(huán)空介質減少熱損的效果各不相同，為此，學者們開展了套管熱損研究。張宗源討論了不同環(huán)空介質對井筒熱損的影響[15]。姜艷艷證明了環(huán)空和隔熱油管熱阻占總熱阻的比例達94 %，對熱損影響較大[16]。孫永濤得到了注汽參數(shù)和熱損失率在整個注入過程的沿程變化[17]。王豐建立了考慮注惰性氣體和抽真空狀態(tài)的新型隔熱管結構井筒傳熱綜合計算模型，將溫度視為井深的函數(shù)[18]。Pacheco考慮蒸汽溫度和壓降變化以及輻射、對流和傳導引起的熱損，將水泥環(huán)、地層納入到注蒸汽系統(tǒng)中[19]。Nian建立了一種考慮井筒熱容的注蒸汽井熱損失模型[20]。王彌康提出將環(huán)空抽真空和防止向環(huán)空泄漏等措施，可以削弱井筒的熱損[21]。然而以往的研究沒有考慮井筒熱容量對瞬態(tài)熱傳導時間函數(shù)影響，不能準確的預測井筒的熱損，因此Cheng開發(fā)了考慮井筒熱容量的新的地層傳熱模型，提出了分析瞬態(tài)熱傳導時間函數(shù)[22]。Gu針對遼河油田興67井認為只有保溫材料導熱系數(shù)小于0.7 W/(m·K)才可有效降低井筒熱損[23]。Bahonar建立了一種井筒蒸汽的物性參數(shù)分布瞬態(tài)數(shù)值非等溫兩相井筒模型[24]。在蒸汽吞吐技術中，Karra比較了SAGD井裸管同心和偏心結構的熱損失[25]?？陀^地說，套管在石油開采領域應用更為廣泛。環(huán)空的介質、井口蒸汽的物性參數(shù)以及隔熱管的導熱系數(shù)對注蒸汽井的熱損影響更明顯。因此，注入蒸汽參數(shù)的優(yōu)選、合適的隔熱材料和環(huán)空的真空狀態(tài)對減少井筒熱損具有指導意義。

在天然氣開采領域，天然氣自下向上流動，套管的內(nèi)、外管介質均為天然氣。石曉兵針對高溫高壓氣井建立了考慮縱向傳熱和油氣動態(tài)粘度變化的氣體溫度-壓力耦合模型[26]。張智建立了井筒各組件導熱系數(shù)與溫度耦合變化的井筒溫度場計算模型，對比分析了landmarkwellcat模型、耦合模型、非耦合模型與實測值的誤差[27]。

鉆井技術分為液體鉆井和氣體鉆井。在氣體鉆井技術中，文科建立了空氣、氮氣和空氣霧化鉆井井筒流動與溫度和濕度場耦合模型[28]；在液體鉆井技術中，液相的工質主要是水泥漿。Yang研究了環(huán)空與鉆柱內(nèi)部以及周圍地層之間的各種溫差在不同工況下鉆柱組合與套管方案對復雜傳熱機理的影響[29]。套管可減少鉆具尺寸、節(jié)約鉆井成本、簡化鉆井過程。

2.1.2 太陽能發(fā)電領域

太陽能集熱管由金屬吸熱管和玻璃管組成，金屬管內(nèi)工質為導熱油或熔融鹽，玻璃管和金屬管環(huán)隙為真空狀態(tài)。從原則上講，太陽能集熱管就是套管式換熱器。熊亞選博士建立了導熱油槽式太陽能集熱管傳熱損失性能計算的二維穩(wěn)態(tài)經(jīng)驗模型，確定了熱損的影響因素：選擇性涂層的性能和環(huán)形空間氣體壓力[30]；然而與導熱油相比，熔融鹽的熱容較大，傳熱效果更好，賴艷華建立了以熔融鹽為傳熱工質的玻璃真空套管-金屬管太陽能集熱器的穩(wěn)態(tài)傳熱模型[31]。金屬-玻璃套管的應用減少了集熱器傳導和對流熱損失，也存在熱封接問題。近年來，直接蒸汽發(fā)生技術在國際上迅猛發(fā)展，與傳統(tǒng)需要熱媒產(chǎn)生蒸汽的技術相比即節(jié)約成本又減少熱媒交換過程熱損。王武軍設計了同軸套管式U型集熱管并進行傳熱建模，與傳統(tǒng)的U型集熱管相比，這種集熱管減少了流動阻力進而降低能量耗散；與金屬-玻璃集熱管相比，其避免了熱封接問題且成本僅為金屬-玻璃集熱管的十五分之一[32]。

2.2 強化傳熱傳質

套管內(nèi)外介質輸運過程可同步換熱，從而提高熱效率，強化傳熱傳質及改善熱經(jīng)濟性。在熱泵領域內(nèi)廣泛應用。在微尺度領域可提高輸運介質的通量，從而改善傳熱傳質。

2.2.1 熱泵領域

傳統(tǒng)的污水源熱泵極易堵塞且換熱效果差，有學者充分利用了套管的特殊結構，將套管應用于污水源熱泵領域，套管以污水和中介水分別為內(nèi)、外管介質。李桂濤提出了污水熱能采集套管輸運換熱法并對其進行優(yōu)化和經(jīng)濟性分析，證明了采用套管式換熱系統(tǒng)更經(jīng)濟[33]。

在地源熱泵領域，傳統(tǒng)的地埋管換熱器為U型管，最近十幾年，有學者提出了套管式地埋管換熱器，引起了研究者對地埋管換熱器研究的新思潮。與前者相比，新興的套管式地埋管換熱器具有熱阻小、單位長度換熱能力大等優(yōu)點[34]。

套管式地埋管換熱器內(nèi)外管介質均為水。趙軍將以往的U型管埋地換熱器問題簡化為套管式換熱器，建立了套管式地下?lián)Q熱器的傳熱模型，給出了強化傳熱的方案[35-36]。胡映寧對亞熱帶地區(qū)土壤溫度、套管式換熱器換熱性能進行實驗研究[37]。鞏玉發(fā)針對二維同心圓環(huán)套管自然對流換熱，研究了在4 ℃附近的水密度反轉特性對流動和傳熱的影響[38]。王德敬建立了中深層套管式地埋管換熱器傳熱分析的數(shù)學模型[39]。姜思航針對套管式地埋管換熱器，建立了適用于嚴寒地區(qū)的半經(jīng)驗解析、模擬、計算模型[40]。

地埋管換熱器也是地熱電廠重要組成部分，套管式換熱器的應用，使熱流體形成了閉循環(huán)，解決了熱流體重新注入的能量損失問題。Alimonti建立了井筒熱交換器的數(shù)值模型，模擬了兩種傳熱流體：水和透熱油，證明了水是最好的傳熱流體[41]。廢棄油氣井可作為地熱電廠的套管換熱器，有效地利用閑置資源并節(jié)約初投資成本。Bu驗證了從廢棄油氣井獲取地熱能的可行性[42]。套管高效換熱能力與地源熱泵綠色節(jié)能特性的結合符合國家節(jié)能減排思想。

2.2.2 微尺度領域

套管不僅在宏觀領域換熱性能出色，而且在微尺度領域更能體現(xiàn)換熱效果好、體積小及反應通量大等優(yōu)勢。在相變蓄能領域，微通道換熱器因高效的換熱性能、緊湊的結構及成本優(yōu)勢作為蓄熱器可以極大地提高傳熱速率和效率。陳悟建立了微通道蓄熱單元和同心套管蓄熱體數(shù)學模型并用Fluent模擬，選用石蠟作為相變材料，結果表明在同蓄熱量的條件下同心套管的質量和體積小于微通道蓄熱單元[43]。

在化工反應器應用中，微通道反應器傳熱系數(shù)極大，體積小。但由于自身結構特性，氣液傳質時通量過小無法滿足工業(yè)需求。為此高毅設計了新型高通量金屬套管式微反應器，通過增加微孔區(qū)域和利用套管環(huán)形微通道來提高傳質通量[44]。套管微反應器因小體積和大通量，在微尺度氣液傳質領域有很大的應用潛力。套管輸運節(jié)省空間與強化傳質的優(yōu)勢加速了其向微尺度的發(fā)展。

2.3 節(jié)約介質輸運成本

地下能源開采鉆孔成本和利用成本高，在有限數(shù)量井筒或空間內(nèi)實現(xiàn)不同介質輸送對控制開采成本具有現(xiàn)實意義。

2.3.1 熱泵領域

熱泵分為地源熱泵和空氣源熱泵。在地源熱泵領域，豎直地埋管換熱器有兩種形式：套管和U形管。相對于U形管，套管換熱器埋管占地面積更小，套管式地埋管換熱器有更好的換熱性能[36]；能有效的利用換熱面積并具有組合方便、壓力適用范圍廣等優(yōu)點[40]。在空氣源熱泵領域，三重套管在多源熱泵系統(tǒng)中既能制熱(冷)又能蓄熱，其介質從內(nèi)到外依次為制冷劑、相變材料和水。翟建超搭建了三套管蓄能熱泵系統(tǒng)實驗臺，組成了多源熱泵空調系統(tǒng)[45]。熱泵系統(tǒng)僅消耗少量電能將低品質能量轉為高品質能量，極大地節(jié)約了高品質能量的利用成本。

2.3.2 油氣鉆采及輸運領域

鉆柱-井筒套管組合內(nèi)外管的介質均為水泥漿。在鉆進過程中油田鉆井開發(fā)的成本過高，如何減少鉆井成本是學者廣泛關注的問題。王建東認為套管鉆井經(jīng)濟性的研究勢在必行，評價了長圓螺紋套管的適用性[46]。Tubbs認為在套管的設計中引入固體膨脹管技術可以節(jié)約整體鉆井成本的15%～20%[47]。套管鉆井技術節(jié)省了鉆井費用，加快鉆進時間，簡化鉆機結構，減小了鉆具尺寸[48]。陳維榮介紹了用套管代替鉆井桿，技術上應用常規(guī)鉆井的方法，墨西哥PEmex公司嘗試用套管代替鉆井桿，間接地節(jié)約了與鉆桿相關的投資成本[49-50]。李春吉展望了未來的套管鉆井技術?；诖思夹g可以采用空氣鉆井以減少套管的損耗，加快鉆進速度[51]，低成本及小空間的套管鉆井技術將引領鉆井領域走向現(xiàn)代化。

在氣井開采過程中，套管外管為注入管，內(nèi)管為采氣管，李寬提出了蒸汽法開采，與單一的開采方法相比，蒸汽法具有開采經(jīng)濟、有效、增大開采范圍及保證開采連續(xù)性和穩(wěn)定性等特點[52]。

在蒸汽驅技術中，控制鉆井與注蒸汽成本一直是稠油熱采的難題，鉆井成本過高、注入蒸汽耗量大及生產(chǎn)蒸汽耗能高決定了優(yōu)化蒸汽驅技術的必要性。同心套管分層注汽技術可實現(xiàn)一口井2～3層段分層注汽且各層段配汽量可調節(jié)，大大節(jié)約了鉆井成本[53]。同心分層汽驅管柱的研制較復雜，需要配備專用的注汽井口以調節(jié)配汽量。偏心分層注汽技術亦實現(xiàn)多層同時注汽[54]。上述分層汽驅技術問題決定了優(yōu)化多層注汽技術必要性，因此優(yōu)化多層注汽技術對節(jié)約蒸汽輸運成本意義重大。

在油氣儲運領域，管流試驗環(huán)道用來模擬原油流動，管流試驗環(huán)道可分為水箱式、套管式結構。與水箱式管道相比，套管式試驗環(huán)道有體積小與操作維護更便捷等優(yōu)勢[55]。

經(jīng)以上分析可知，在油氣鉆采、太陽能集熱、熱泵系統(tǒng)、換熱器及微通道反應器等特定領域套管輸運形式的深入研究具有現(xiàn)實指導意義。

3 結論

(1)套管輸運減少了管材耗量、占地面積及熱損，優(yōu)化了換熱效率，其研究和應用對換熱器、熱泵、太陽能集熱、微通道反應器及油氣鉆采領域具有重要意義。

(2)本文總結了套管輸運的研究現(xiàn)狀，針對不同應用領域闡述了套管輸運形式的應用及特點，分析了套管輸運的優(yōu)勢、應用前景及存在問題等。

(3)應用套管輸運要注意管道破損、腐蝕及不易清洗等問題。建議在油氣鉆采、太陽能集熱、熱泵系統(tǒng)、換熱器及微通道反應器等特定領域采用此形式。套管輸運在其他領域的應用還有待學者們進一步探索。