井場(chǎng)集輸管道加熱裝置的幾點(diǎn)構(gòu)想

牛明建 趙永

【摘? 要】油、氣田集輸管道中原油液體因含有大量的蠟和水合物易產(chǎn)生凝結(jié)、蠟堵等難題，并對(duì)集輸管道、井間管道的“低溫冷輸”造成很大影響。論文從分析管道散熱計(jì)算入手，建立一套熱平衡模型，可計(jì)算出一定距離內(nèi)（井口至集輸罐距離，設(shè)定距離為500m）維持管道內(nèi)液體溫度（70? ?5℃）并保持流動(dòng)性需要的外加熱能，從而計(jì)算出極限氣候條件下應(yīng)匹配外接加熱熱源所需要的功率，在此基礎(chǔ)上，提出開發(fā)使用幾種電加熱設(shè)備的構(gòu)想，為后期開發(fā)使用電加熱設(shè)備、設(shè)施及老管改造提供參考建議。

【Abstract】The crude oil liquid in the gathering and transportation pipeline of oil and gas field contains a lot of wax and hydrate， which is easy to cause problems such as condensation and wax blockage， and has a great impact on the "low temperature and cold transportation" of gathering and transportation pipeline and inter well pipeline. Starting with the analysis of pipeline heat dissipation calculation， this paper establishes a set of heat balance model， which can calculate the external heat energy required to maintain the liquid temperature （70? ?5℃） and fluidity in the pipeline within a certain distance （the distance from the wellhead to the gathering and transportation tank is set as 500m）， so as to calculate the power required by the external heating source that should be matched under extreme climatic conditions. Based on this， the paper puts forward the ideas of developing and using several electrical heating equipment， and provides reference suggestions for the later development and use of electrical heating equipment and the renovation of facilities and old pipeline.

【關(guān)鍵詞】保溫;電加熱;電磁感應(yīng);恒溫恒壓;污染

【Keywords】insulation; electrical heating; electromagnetic induction; constant temperature and constant pressure; pollution

【中圖分類號(hào)】TE973? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號(hào)】1673-1069（2021）11-0173-03

1 引言

原油中含有大量的蠟、水合物，在輸送管道中凝結(jié)，嚴(yán)重時(shí)形成蠟堵，阻礙原油流動(dòng)，此時(shí)，需要進(jìn)行加熱清蠟，通常采用建立換熱站使用蒸汽對(duì)管道加熱的做法，這種做法在油田內(nèi)集中井區(qū)可操作，而遠(yuǎn)離井區(qū)的獨(dú)立作業(yè)區(qū)域就無法輕易實(shí)現(xiàn)。如處于寒冷地帶的油、氣田井間管道更是如此，需要采取其他措施來解決管道加熱除蠟，防止管道產(chǎn)生凝結(jié)、蠟堵等問題。

結(jié)合油田設(shè)備地處野外的客觀條件，冬季要耐零下40℃，夏季要耐零上40℃，無論采用何種手段，管道保溫、隔熱都是首要考慮的因素，在必要時(shí)需要對(duì)原油加熱，確保管道中原油溫度達(dá)到75℃左右，并長(zhǎng)期維持，只有這樣才能清除管道壁上的凝結(jié)蠟和水合物，使稠油在較低溫度下輸送而不易凝結(jié)保持流動(dòng)順暢。

通過熱平衡計(jì)算所設(shè)定的參數(shù)，是后期選擇何種加熱方式、設(shè)定加熱設(shè)備功率、實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱設(shè)備自動(dòng)化控制的基礎(chǔ)，是建立加熱設(shè)備與石油設(shè)備系統(tǒng)關(guān)聯(lián)關(guān)系的基礎(chǔ)。建立相關(guān)的數(shù)據(jù)計(jì)算模型，即可選擇電子、電器、遠(yuǎn)程通信監(jiān)控加熱設(shè)備的基礎(chǔ)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)能耗智能管控。

井場(chǎng)內(nèi)輸油管道主要是指油田內(nèi)部連接油井與計(jì)量站、聯(lián)合站的集輸管道，管道經(jīng)過防腐保溫處理后采用地上、地埋直線鋪設(shè)管線，以地上為主，地埋深度一般為0.5～0.8m。

原油不是標(biāo)準(zhǔn)意義上的成品油，相對(duì)密度一般取920kg/m3。不同區(qū)域成因不同，其所含雜質(zhì)比例不同，因此，主要考慮水和蠟質(zhì)對(duì)其影響，20℃水的比熱容為4.18kJ/（kg·K），石蠟的比熱容為2.9kJ/（kg·K），其他有機(jī)物的比熱容為1.8～2.2kJ/（kg·K），因此，原油的比熱容為Cp=C水×x水%+C蠟×x蠟%+…+Cn×xn%，Cn、xn%分別代表不同物質(zhì)的比熱容及原油中含量。為簡(jiǎn)便計(jì)算，這里以石蠟為基準(zhǔn)加1.1系數(shù)，約4.0kJ/（kg·K）（需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)校正）。

2 管道加熱、保溫、散熱計(jì)算模型的建立

2.1 原油加熱

一定流量的原油從40℃上升至75℃所需的能量為：

Qr=Cp×m×△t1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中，Qr——原油升溫所需的熱能，kW。Cp——原油的比熱容，kJ/（kg·K），20℃水的比熱容為4.18kJ/（kg·K）。m——單位時(shí)間內(nèi)被加熱原油質(zhì)量，kg/s。m=Vp×ρ×S。Vp——原油在管道中的流速，m/s;ρ——原油密度，kg/m3;S——輸油管道截面積，m2;S=π×R2?！鱰1——原油溫升，℃?！鱰1=t2-t1。t1、t2——原油出井口溫度，原油順暢流動(dòng)不凝結(jié)、蠟堵的合理溫度，℃。

將（1）整理后可得：

Qr=Cp×Vp×ρ×π×R2×（t2-t1）=Cv×Qv'×（t2-t1）? ? ? ? （2）

式中，Cv——原油的體積比熱容，kJ/（m3·K）;Qv'——原油的流量，m3/s，可通過管道流量計(jì)讀取。

2.2 管道保溫

①正常光滑輸油管結(jié)構(gòu)。正常光滑輸油管結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。②石油管道常用材料及保溫材料的熱學(xué)性能。石油管道作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)常見材料其熱性能參數(shù)見表1。

2.3 散熱計(jì)算

單位長(zhǎng)度的管道在野外溫度為-40℃時(shí)的散熱計(jì)算式如下：

Qs=K×A×△t2? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式中，Qs——單位長(zhǎng)度管道散熱量，kW;

K——管道傳熱系數(shù)，W/（m2·K），與保溫材料的種類及厚度有關(guān)。

K=1/（1/Rn+1/Rw+ΣR）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

式中，ΣR=Σδ/λ，δ——保溫材料厚度，m;λ——保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)W/（m·K）;Rn、Rw分別代表鋼制管道的熱阻及表皮覆蓋物如白鐵皮或油氈的熱阻，m2·K/W。

R熱阻=材料厚度/導(dǎo)熱系數(shù)/修正系數(shù)=δ/λ/ζ，m2·K/W，ζ=1.0～1.2

R總熱阻=R1+R2+…+Rn+0.15，m2·K/W? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

式中，0.15——總熱阻修訂常數(shù);A——單位長(zhǎng)度管道面積，m2，指加過保溫層的管外面積。A=π×（D/2）2×L。D——輸油管道加保溫材料厚的直徑，m;L——單位管道長(zhǎng)度，m，為便于計(jì)算取L=1m;△t2——原油管道內(nèi)外傳熱溫差的絕對(duì)值，℃。△t2=t3-t2。t2、t3分別代表原油順暢流動(dòng)不凝結(jié)、蠟堵的合理溫度與野外溫度，℃。需要注意的是，△t1原油溫升指標(biāo)，在這里是個(gè)較為粗略的數(shù)值，t2是原油順暢流動(dòng)不凝結(jié)、蠟堵的合理溫度，代表經(jīng)過加熱后能夠一直處于此溫度下流入中儲(chǔ)站的溫度。其間，特定總長(zhǎng)度內(nèi)的輸油管道劃分為多個(gè)單元，每個(gè)單元的管道都視為一個(gè)散熱器，導(dǎo)致原油降溫，尤其在極限寒冷時(shí)節(jié)。因此，有可能的話為保證原油在此溫度下流動(dòng)，就需要設(shè)置多段加熱的方式與其補(bǔ)充熱能損失，這樣每個(gè)加熱裝置所設(shè)置的功率就不會(huì)太高，便于現(xiàn)場(chǎng)靈活設(shè)置管理。否則需要在局部設(shè)置高功率加熱器，但因短時(shí)間內(nèi)將原油加熱到很高溫度會(huì)出現(xiàn)安全隱患，不可取。因此，在保溫管道散熱計(jì)算中需要著重考慮原油流經(jīng)多長(zhǎng)的管道溫度會(huì)降到不能容忍的溫度，即凝結(jié)、蠟堵的臨界點(diǎn)溫度。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，含有蠟質(zhì)、水合物的原油最佳流暢溫度為70±5℃，取70℃為計(jì)算溫度基準(zhǔn)，因散熱損失造成原油溫度將至該溫度的20%（即55℃，該值是關(guān)鍵數(shù)值，需要論證合理性）時(shí)，需要設(shè)置后續(xù)加熱裝置對(duì)原油再次進(jìn)行提溫。例如，已知室外極限寒冷溫度為-40℃，原油（油+水合物+蠟質(zhì)+雜質(zhì)）出井口溫度為40℃，采用加熱方法將其加熱至75℃（理論上為原油加熱安全溫度），確保原油流場(chǎng)、不出現(xiàn)凝結(jié)和蠟堵。輸油管道為鋼質(zhì)（φ125×6.3），輸油管程長(zhǎng)度（自井口至集儲(chǔ)轉(zhuǎn)運(yùn)罐）500m采用地上形式鋪設(shè)，管道外部都采用松散礦棉氈作為保溫材料，共3層，每層厚度30mm，外層為δ10mm油氈+0.35mm白鐵皮。

原油日產(chǎn)30t，原油相對(duì)密度一般取920kg/m3。

試計(jì)算：①原油輸送過程中單位長(zhǎng)度散熱量為多少kW？②原油流經(jīng)多長(zhǎng)后（原油溫度低于40℃后）會(huì)產(chǎn)生凝結(jié)及蠟堵？③計(jì)算需要熱源功率為多少kW？

解為：①散熱量計(jì)算

根據(jù)表1、式（4）和式（5）計(jì)算可得以下數(shù)據(jù)，如表2所示。

由式（3）可得：Qs=KA△t2=0.6636×π×[（120+3×30×2+10×2+0.35×2）/1000/2]2×L×（-40-75）≈-6.12W≈0.006kW

②由上述問題①的計(jì)算結(jié)果可以看出，輸油管道中原油溫度會(huì)隨著管道延長(zhǎng)而降低，同時(shí)，會(huì)因溫度降低其散熱量也隨之降低。因此，可將每1m的管道視為一個(gè)散熱器，視為N排（段）散熱器串聯(lián)，如圖2所示，可通過計(jì)算求出第N排后t2N=t2=10℃。t21，t22，t23，…，t2N=t2分別是第1，2，3，…，N排（段）輸油管道出口的原油溫度，也是下一排（段）輸油管道的入口原油溫度，即t2i=t1（i+1），第i排（段）溫降及散熱基礎(chǔ)溫度為△t2i=t2i-t1i。

將式（1）和式（2）聯(lián)立合并可得：

Cpm△ti=K×A×（t3-∑△t2i）/1000

△ti=∑△t2i

Cpm（40-75）=K×π×（D/2）2×L×[n×t3-（40-75）/1000]

n=[Cpm（40-75）+K/1000×π×（D/2）2×L（40-75）/1000]/[K/1000×π×（D/2）2×L×t3]

={3.0×0.35×（-35）+0.5763/1000×3.14×[（120+3×30×2+5×2+0.35×2）/1000/2]2×1×（-35）}/{0.5763/1000×3.14×[（120+3×30×2+5×2+0.35×2）/1000/2]2×1×（-40）}

≈18270（排/段）

③所需熱源功率

根據(jù)式（1）計(jì)算將原油加熱至75℃所需功率。

原油按照日產(chǎn)30t，通過計(jì)算，管道內(nèi)截面積為0.00915624m2，由此可得管道內(nèi)原油流速Vp為0.04m/s，質(zhì)量流速m為0.35kg/s。

Qr=Cpm△t1=3.0×0.35×（75-40）=36.75kW

結(jié)論：根據(jù)上述問題②的計(jì)算可以看出，在上述管道保溫狀態(tài)下，75℃原油在流經(jīng)18270（排/段）即18270m后才會(huì)降溫至40℃（設(shè)定原油不凝結(jié)、蠟堵），因此，只要做好輸油管道保溫，中途可不需要再額外加熱就能保證原油不凝結(jié)、蠟堵，也可在此管道中加入恒溫伴熱帶來確保中途溫度不降低，尤其針對(duì)法蘭、彎頭、閥門及其他管道中設(shè)備、儀器儀表做好輔助加熱，避免因其散熱嚴(yán)重影響管道中原油的流暢性。

3 加熱裝置選擇與對(duì)比

3.1 直接加熱

3.1.1 高頻電磁感應(yīng)加熱器

工作原理：利用電磁感應(yīng)原理將電能轉(zhuǎn)換為熱能的能量轉(zhuǎn)換過程，由整流電路將50/60Hz的交流電壓轉(zhuǎn)變成直流，再經(jīng)過功率控制電路將直流轉(zhuǎn)換成頻率為20kHz的高頻電流。當(dāng)高速變化的高頻電流通過線圈時(shí)，線圈會(huì)產(chǎn)生高速變化的交變磁場(chǎng)，磁力線能快速穿透保溫材料，不破壞管道保溫層。是非接觸電磁加熱，所以不存在漏電等安全隱患和溫度過高的可能性。交變磁作用于金屬管道（加熱體）時(shí)，金屬體內(nèi)產(chǎn)生無數(shù)的小渦流，使金屬管道（加熱體）自行發(fā)熱并加熱內(nèi)部的液體介質(zhì)。再配以溫度測(cè)控，便形成了一個(gè)完整的工作循環(huán)。特點(diǎn)：熱速度快（20s，可使管道溫度達(dá)到100℃以上），效率高（近100%）。使用壽命長(zhǎng)，可直接用于壓力較高的管線。同時(shí)，由于高頻電磁場(chǎng)的作用，極大削弱了液體中金屬離子的結(jié)合力，可使液體中鈣、鈉、鎂等金屬礦物質(zhì)離子有序排列不易結(jié)合，不易形成水垢。此外，電磁加熱方式可大大降低原油分子的結(jié)合力，使稠油在較低溫度下輸送而不易凝結(jié)。加熱體采用與輸油管道同樣承壓能力的無縫管加工成型，外線圈無熱源感應(yīng)加熱技術(shù)，工作過程無火花、不漏電，可實(shí)現(xiàn)多重溫度測(cè)控。

3.1.2 發(fā)熱電纜（電磁感應(yīng)伴熱系統(tǒng)）

工作原理：通過電纜之間的半導(dǎo)體熱阻將電能轉(zhuǎn)換成熱能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被加熱管道進(jìn)行加熱。將感應(yīng)纜直接穿入集輸管道內(nèi)，由集輸管道直接產(chǎn)生熱能。當(dāng)管壁升溫到比“輸送液凝點(diǎn)”溫度略高時(shí)，管壁與輸送液之間的摩擦降到最小值，將大大提高介質(zhì)的流動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能最大化。而管道中心液體的溫度根據(jù)管徑的不同低于管壁5～20℃，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能最大化。徹底解決集輸管道結(jié)蠟、凝管難題，實(shí)現(xiàn)油（氣）集輸真正意義上的“低溫冷輸”。特點(diǎn)：無機(jī)絕緣、耐高溫、不燃燒。適合在管道外敷、成型保溫層內(nèi)穿，適合高功率密度、大溫差加熱。工作過程無火花、不漏電，可實(shí)現(xiàn)多重溫度測(cè)控。應(yīng)用于油（氣）田集輸管道、井間管道的低溫安全輸送，防止產(chǎn)出液體中蠟和水合物凝結(jié)，或蠟堵等。方便老管改造。

3.2 間接加熱

工作原理：通過加熱后的導(dǎo)熱介質(zhì)在管道外壁循環(huán)，間接加熱管道中原油，使其達(dá)到設(shè)定溫度不產(chǎn)生凝結(jié)、蠟堵等現(xiàn)象。銅管內(nèi)流動(dòng)著高溫導(dǎo)熱油，從一端進(jìn)入另一端流出，加熱器、油泵與其相連接形成閉路熱循環(huán)系統(tǒng)。其通過銅管壁散熱，加熱輸油管道。加熱熱源：高頻電磁感應(yīng)加熱器、電阻式加熱器。特點(diǎn)：電熱源不與管道直接接觸，不存在供熱、漏電、電磁泄漏等問題，加熱周期長(zhǎng)。維護(hù)方便，施工簡(jiǎn)單。

4 加熱裝置自動(dòng)化控制實(shí)現(xiàn)的可行性

以上加熱裝置主要由4部分組成，分別是：電（或電磁）加熱單元、功率驅(qū)動(dòng)單元、中心控制單元和供電控制單元。本項(xiàng)目開發(fā)設(shè)備系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)當(dāng)溫度升高到設(shè)計(jì)上限溫度加熱器自動(dòng)停機(jī);當(dāng)溫度降低到設(shè)計(jì)下限溫度加熱器自動(dòng)開機(jī)?？刂葡到y(tǒng)連續(xù)可調(diào)，定時(shí)加熱，過載保護(hù)，數(shù)字顯示觀察方便，并可準(zhǔn)確預(yù)置電流，具有過流、過熱、欠壓等多重保護(hù)功能、溫度檢測(cè)控制，操作簡(jiǎn)單、易掌握。軟啟動(dòng)，軟關(guān)斷，無啟動(dòng)沖擊電流，避免因電壓波動(dòng)造成損壞。預(yù)設(shè)工作溫度，自動(dòng)控溫。多個(gè)感應(yīng)探頭及高溫主機(jī)自動(dòng)停機(jī)。同時(shí)，可選配通信接口支持RS485通信方式和短信方式，用于遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集。同時(shí)，課題組選用的電加熱設(shè)備元器件的穩(wěn)定性可靠，其無故障工作時(shí)間都可達(dá)1.5萬小時(shí)，產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)無人值守、免維護(hù)。

5 結(jié)論

通過對(duì)輸油管道散熱、保溫計(jì)算的分析可以看出，輸油管道保溫質(zhì)量是井場(chǎng)節(jié)約能源、降低成本的首要因素。在此基礎(chǔ)上，原油被加熱至75℃，可被非常流暢地輸送至轉(zhuǎn)運(yùn)罐。而加熱原油的熱源裝置功率必須是可調(diào)節(jié)的，即根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)，降低能耗和成本。同時(shí)，可將加熱設(shè)備設(shè)置成2組等功率加熱設(shè)備，降低設(shè)備投入。針對(duì)不同加熱裝置進(jìn)行選擇時(shí)，應(yīng)以可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制及遠(yuǎn)程操作管理為基準(zhǔn)。

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