900型余熱回收式高溫氮?dú)饩C合作業(yè)車的研制

李建奎 傅連松 王濤 楊青青

（1.山東恒業(yè)石油新技術(shù)應(yīng)用有限公司 山東東營(yíng) 257000)

(2.山東大洋招標(biāo)有限公司 山東東營(yíng) 257000）

[關(guān)鍵字] 煙道氣 ；余熱回收裝置；高溫氮?dú)?；智能；加熱；清?/p>

引言

油井經(jīng)過多輪次的開采，原油粘度已較大，原油瀝青質(zhì)與蠟質(zhì)含量高。本身老油井的含水量較高，若注入蒸汽進(jìn)行解堵和清蠟作業(yè)，則進(jìn)一步增加了原油的含水量；若注入常溫高壓氮?dú)?，所含熱量少，只能起到增加稠油油藏地層壓力能的效果，達(dá)不到清垢、清蠟、解堵等作業(yè)效果。目前使用的高溫氮?dú)馇逑炘O(shè)備，撬體模塊多，占用場(chǎng)地空間大；整體移動(dòng)運(yùn)輸性差，且現(xiàn)場(chǎng)施工前準(zhǔn)備工作量大，運(yùn)營(yíng)成本高；生產(chǎn)制作成本高，能耗高，不環(huán)保。見圖1

圖1 整套高溫氮?dú)庠O(shè)備現(xiàn)場(chǎng)布置圖

為解決此問題提出一種余熱回收式高溫氮?dú)饩C合作業(yè)車設(shè)計(jì)理念，優(yōu)化創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)一種多功能、多用途的氮?dú)饩C合作業(yè)車。滿足單車作業(yè)，移動(dòng)性好，方便快捷，效率高，節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)。

1 總體方案概述

以單車型MZD-900/350C制氮車為基礎(chǔ)，空氣壓縮機(jī)、活塞式壓縮機(jī)的動(dòng)力均由同一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)提供，將制氮、增壓裝置集成一車，占用體積小。利用C18發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的煙道氣對(duì)高壓氮?dú)膺M(jìn)行加熱。需求高溫高壓氮?dú)鈺r(shí)，低壓氮?dú)饨?jīng)活塞式壓縮機(jī)四次分級(jí)壓縮后提升壓力至35MPa，第四級(jí)壓縮后，不經(jīng)冷卻，直接進(jìn)入余熱回收裝置進(jìn)行加熱，將高壓氮?dú)饧訜嶂?00℃，獲得高溫氮?dú)?，控制柜可智能控制加熱溫控過程。需求常溫高壓氮?dú)鈺r(shí)，低壓氮?dú)饨?jīng)四次分級(jí)壓縮后提升壓力至35MPa，通過級(jí)間空冷器冷卻后，排出常溫高壓氮?dú)狻?/p>

設(shè)備需要達(dá)到的主要性能指標(biāo)見表1，總體布置方案圖見2。

圖2 高溫氮?dú)饩C合作業(yè)車方案圖

表1 設(shè)計(jì)主要性能參數(shù)指標(biāo)

2 余熱回收裝置設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 熱量負(fù)荷換熱計(jì)算

（1）氮?dú)鉄嶝?fù)荷計(jì)算：按照設(shè)備需要達(dá)到的主要性能參數(shù)，將900N m3/h氮?dú)鈴?00℃加熱到300℃，所需熱量計(jì)算如下：

通用公式：Q=GC（T1-T2）

氮?dú)夤ぷ鲏毫Γ?5MPa

氮?dú)饬髁浚?00N m3/h（按20℃計(jì)算）

氮?dú)膺M(jìn)口溫度：100℃, 氮?dú)獬隹跍囟龋?00℃

氮?dú)馄骄鶞囟?（100+300）/2=200℃

氮?dú)?00℃，壓力35MPa物性參數(shù)：

定壓比熱容【2】：1.246KJ/(KG·K)

氮?dú)馕鼰崃?（900X1.16/3600）X1.246X(300-100)=72.2KJ/S=72.2kW

（2） 煙道氣實(shí)際熱負(fù)荷計(jì)算：CAT-C18發(fā)動(dòng)機(jī)煙道氣所能提供的熱量，查CAT發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)資料【3】，得出以下已知數(shù)據(jù)，發(fā)動(dòng)機(jī)排出煙氣量為500℃，消音后的溫度為380℃，計(jì)算過程如下:

煙氣量：2000 Nm3/h

煙氣進(jìn)口溫度：500℃,煙氣出口溫度：380℃通用公式：Q=GC（T1-T2）

煙氣平均溫度：440℃

煙氣工作壓力：0.18MPa

煙氣在445℃物性參數(shù)

定壓比熱：1.157 KJ/(KG·K)

煙氣側(cè)放熱量=（2 0 0 0 X 1.2 2/3 6 0 0）X1.157X(500-380)=94KJ/S=94kW

通過計(jì)算可以得出結(jié)論：煙氣在從500℃降至380℃時(shí)放出的熱量能滿足氮?dú)馑锜崃恳蟆?/p>

2.2 換熱面積及余熱回收裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

換熱面積及余量計(jì)算

通用公式：Q=KA△Tm

已知：Q=94kW△Tm=225℃ K=60W/m2·℃

求得：A=92000/(60*225)=6.8 m2

實(shí)際換熱面積為：A1=0.016*3.14*4.6*38=8.7 m2

換熱面積余量：8.7/6.8=1.28,得到28%的換熱余量。

余熱回收裝置內(nèi)置消音器，消音效果滿足環(huán)保要求；換熱裝置采用U型管結(jié)構(gòu)，通過增加管程數(shù)來(lái)提高換熱效果同時(shí)減少換熱管數(shù)量，U型管結(jié)構(gòu)具有一定的膨脹性，能降低整個(gè)換熱裝置的殘余應(yīng)力，同時(shí)提高設(shè)備的使用壽命和安全系數(shù)。

熱的煙道氣通過N1口進(jìn)入余熱回收裝置，高壓氮?dú)鈴腘3口進(jìn)入?yún)R管及盤管，通過箱體內(nèi)的煙道氣加熱盤管內(nèi)的高壓氮?dú)?，?shí)現(xiàn)換熱過程。余熱回收裝置見圖3

圖3 余熱回收裝置

3 控制過程設(shè)計(jì)

3.1 高溫高壓氮?dú)饽Ｊ?/h3>

需求高溫高壓氮?dú)鈺r(shí)，制氮機(jī)組6產(chǎn)生的低壓氮?dú)膺M(jìn)入增壓機(jī)組7，經(jīng)四次分級(jí)壓縮后提升壓力至35MPa，前三級(jí)壓縮每次壓縮后都經(jīng)過級(jí)間空冷器10進(jìn)行冷卻，第四級(jí)壓縮后，不經(jīng)空冷器10冷卻（高壓手動(dòng)球閥9.11.12處于“關(guān)閉”狀態(tài)，高壓手動(dòng)球閥8處于“打開”狀態(tài)），直接進(jìn)入余熱回收裝置5加熱，經(jīng)出口獲得高溫高壓氮?dú)狻？刂乒窨梢灾悄芷溜@最終出口溫度傳感器14監(jiān)測(cè)的氮?dú)鉁囟戎?，通過溫度反饋調(diào)節(jié)電動(dòng)三通比例調(diào)節(jié)閥15實(shí)現(xiàn)0-100%比例分配，調(diào)節(jié)進(jìn)入及未進(jìn)入余熱回收裝置的氮?dú)饬髁?，?shí)現(xiàn)氮?dú)馀艢鉁囟葟?0℃～ 300℃溫度調(diào)節(jié)控制，當(dāng)三通比例調(diào)節(jié)閥15 a出口處于100%打開狀態(tài)時(shí)，氮?dú)馊窟M(jìn)入余熱回收裝置5進(jìn)行加熱，最高排氣溫度可達(dá)到300℃。

此過程，高溫蝶閥2處于“關(guān)閉”狀態(tài)，高溫蝶閥4處于“打開”狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)1產(chǎn)生的煙道氣在余熱回收裝置5中對(duì)高壓氮?dú)膺M(jìn)行加熱，為此換熱過程中提供足夠的熱源。 流程見圖4

圖4 簡(jiǎn)化PID流程圖

設(shè)備產(chǎn)生的高溫氮?dú)饪梢詮V泛應(yīng)用于油井解堵、清蠟、稠油井降粘等工藝。

3.2 常溫高壓氮?dú)饽Ｊ?/h3>

制氮機(jī)組6產(chǎn)生的低壓氮?dú)膺M(jìn)入增壓機(jī)組7，經(jīng)四次分級(jí)壓縮后提升壓力至35MPa，壓縮后經(jīng)過級(jí)間空冷器10進(jìn)行冷卻（高壓手動(dòng)球閥9.11處于“打開”狀態(tài)，高壓手動(dòng)球閥8.12處于“關(guān)閉”狀態(tài)），經(jīng)最終出口即可獲得常溫高壓氮?dú)狻?/p>

此過程，高溫蝶閥2處于“打開”狀態(tài)，高溫蝶閥4處于“關(guān)閉”狀態(tài)，余熱回收裝置不工作，發(fā)動(dòng)機(jī)煙道氣降溫及消噪通過發(fā)動(dòng)機(jī)消音器3完成。流程見圖4

設(shè)備產(chǎn)生的常溫氮?dú)庵饕糜谇菲胶忏@井、氣舉采油、配合連續(xù)油管洗井、修井作業(yè)、氮?dú)馀菽?、氮?dú)怛?qū)油等工藝。

4 困難點(diǎn)及解決方案

4.1 高溫氮?dú)馀懦鰷囟瓤刂拼嬖陔y點(diǎn)

由于氮?dú)獬隹跍囟仁歉鶕?jù)氮?dú)馐┕ぷ鳂I(yè)要求變化的，在溫度調(diào)節(jié)時(shí)，需通過三通比例調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)流經(jīng)余熱回收裝置的氮?dú)饬髁縼?lái)控制最終氮?dú)馀懦鰷囟龋氆@得較精確的氮?dú)獬隹跍囟?，需要大量?shù)據(jù)測(cè)試模擬出氮?dú)獬隹跍囟扰c進(jìn)入余熱回收裝置的氮?dú)饬髁恐g的關(guān)系，再通過PID自動(dòng)調(diào)節(jié)控制氮?dú)獬隹跍囟?，因此需要大量的?shù)據(jù)測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)才能獲得較為精確的氮?dú)馀懦鰷囟取?/p>

4.2 余熱回收裝置及消音器共存問題

在非高溫氮?dú)庾鳂I(yè)時(shí)，因?yàn)闆]有氮?dú)饬鹘?jīng)余熱回收裝置，為了避免煙道氣對(duì)余熱回收裝置的盤管干燒，降低盤管的使用壽命，因此需要在煙道氣出口同時(shí)并聯(lián)安裝消音器和余熱回收裝置。在啟機(jī)和常規(guī)氮?dú)庾鳂I(yè)時(shí)，煙道氣經(jīng)消音器排出；在高溫氮?dú)庾鳂I(yè)時(shí)，才允許切換煙道氣流經(jīng)余熱回收裝置，這需要人工手動(dòng)切換控制閥門，操作稍微不便。安裝方案見圖5

圖5 加熱系統(tǒng)、消音器安裝方案

4.3 余熱回收裝置積碳問題

由于煙道氣中含有大量煙塵和焦油，煙氣在換熱盤管上附著堆積后產(chǎn)生積碳和污垢，不容易清洗，因此需要定期采取除垢措施，包括機(jī)械清理、水洗、化學(xué)藥劑清理等方式。

5 結(jié)論

5.1 結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間小，移動(dòng)性好，方便快捷，效率高，節(jié)約運(yùn)營(yíng)成本；

5.2 利用撬內(nèi)成套設(shè)備機(jī)組的發(fā)動(dòng)機(jī)煙道氣提供的熱能，通過余熱回收裝置來(lái)加熱高壓氮?dú)?，?shí)現(xiàn)高壓氮?dú)獾母邷匾?，降低煙道氣的出口溫度，能耗低，污染環(huán)境程度低，環(huán)保；

5.3 一種多功能、多用途的氮?dú)饩C合作業(yè)車，除滿足常規(guī)注氮工藝外，還可以用于油井解堵、熱氮驅(qū)油、清垢、清蠟、降低稠油粘度等工藝，提高油田采收率。

圖6 高溫氮?dú)饩C合作業(yè)車整車外觀