注汽管道傳導(dǎo)傳熱研究與分析

方坤

引言：注汽管線存在三種方式的熱傳遞，為更好地分析注汽管線熱損失情況，我們建立熱損失模型，分別分析三種熱傳遞對(duì)管線熱損失的影響。

前言

高升是以稠油開(kāi)發(fā)為主的油田，注蒸汽開(kāi)采起著非常重要的作用。為了加強(qiáng)對(duì)設(shè)備的管理，原來(lái)的注汽管線保溫時(shí)采取管線外側(cè)直接包裹硅酸巖棉、氈等軟質(zhì)保溫材料，而這些材料的黑度系數(shù)較大，在0.7-0.8之間，受射體保溫材料和發(fā)射體注汽管線之間未有黑度系數(shù)低、反射性能優(yōu)良的薄層隔熱板，造成受射體保溫材料吸收熱量多，進(jìn)一步加劇了傳熱損失。

一、傳導(dǎo)傳熱原理

熱傳導(dǎo)是三種熱傳遞方式中最基本的一種。當(dāng)固體壁兩側(cè)的溫度t1和t2不相等時(shí)，熱量就會(huì)從高溫t1側(cè)傳向低溫t2側(cè)。同樣，當(dāng)一個(gè)高溫物體與一個(gè)低溫物體緊密接觸時(shí)，熱量就會(huì)從高溫物體傳向低溫物體，這種傳熱過(guò)程就是導(dǎo)熱過(guò)程，是物質(zhì)直接接觸的一種傳熱過(guò)程。

物體內(nèi)部分子和原子微觀運(yùn)動(dòng)所引起的熱量傳遞過(guò)程稱為熱傳導(dǎo)，又稱導(dǎo)熱。在單位時(shí)間內(nèi)從tw1的高溫壁面?zhèn)鬟f到tw2的低溫壁面的熱流量Ф（w）的大小，與壁的面積F(m2)和兩壁溫差（tw1-tw2）（℃）成正比，與壁的厚度δ（m）成反比。此外，還與壁的材料性質(zhì)等因素有關(guān)。

為了比較導(dǎo)熱量的大小，在單位時(shí)間內(nèi)，通過(guò)每平方米表面積所傳導(dǎo)的熱流量稱為熱流密度q。又因根據(jù)導(dǎo)熱學(xué)分析，當(dāng)1/d大于10時(shí)，沿軸向的導(dǎo)熱可以忽略不計(jì)，在工程計(jì)算中注汽管線可視為無(wú)限長(zhǎng)的圓筒壁，熱量只沿徑向傳播。

為更好的分析圓筒壁導(dǎo)熱情況，建立單層圓筒壁和復(fù)合圓筒壁導(dǎo)熱模型。

一是單層圓筒壁導(dǎo)熱模型

設(shè)一內(nèi)半徑r1、r2，長(zhǎng)度為L(zhǎng)的單層圓壁，內(nèi)外壁溫度各為t1、t2,且t1> t2。又因當(dāng)圓筒壁長(zhǎng)度比直徑大得多時(shí)，（L/ r2>10），沿軸向?qū)峥珊雎圆挥?jì)，則壁內(nèi)溫度沿半徑方向發(fā)生變化，故為一維溫度場(chǎng)的導(dǎo)熱問(wèn)題。

由于圓柱體的側(cè)面隨著半徑r的增大而增大，所以在穩(wěn)定導(dǎo)熱時(shí)，通過(guò)圓筒壁的熱流量沿途不變，熱流q則隨著r的增大而減小。假定在壁內(nèi)畫(huà)一個(gè)半徑為r，經(jīng)過(guò)計(jì)算，有溫差 存在才有熱傳導(dǎo)。溫差 愈大，傳導(dǎo)熱量也愈大。表示阻礙熱傳導(dǎo)能力的大小，稱為圓筒壁的導(dǎo)熱熱阻，單位是m.k/W。

二是復(fù)合圓筒壁導(dǎo)熱模型

設(shè)一內(nèi)徑r1、外壁溫度t1的注汽管道，保溫結(jié)構(gòu)由三種保溫材料組成，由內(nèi)向外半徑分別為r2、r3、r4，溫度分別為t2、t3、t4，每層的導(dǎo)熱系數(shù)為λ1、λ2、λ3，圓筒壁內(nèi)外表面的溫度為t1與t4，且t1>t4且，假設(shè)每層之間接觸良好，則單位長(zhǎng)度三層圓筒壁的熱流密度q為

從上式可以看出，圓筒壁散失能量隨著各保護(hù)層導(dǎo)熱系數(shù)的增加而增加，因此在需減少熱量損失的保溫工程，需采取選用導(dǎo)熱系數(shù)低的保溫材料。

（一）傳導(dǎo)傳熱對(duì)熱損失影響

我廠注汽管線保溫材料主要為巖棉、氈等軟質(zhì)材料和微孔硅酸鈣、復(fù)合硅酸鹽等硬質(zhì)材料，300℃時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)在0.065w/m.k左右。為達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)面熱流密度低于209w/m2，達(dá)到同樣保溫效果的前提下，相比低導(dǎo)熱系數(shù)的保溫材料，則需增加保溫材料用量，增加保溫層厚度，增強(qiáng)對(duì)流換熱面積。

（二）小結(jié)

通過(guò)以上分析可知，保溫材料的熱傳導(dǎo)能力同保溫層厚度和導(dǎo)熱系數(shù)有直接的關(guān)系，正比于保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)、反比于保溫層厚度。因此，要求保溫的場(chǎng)合，為削弱熱傳導(dǎo)傳熱，應(yīng)選用導(dǎo)熱系數(shù)小的保溫材料

二、注汽鍋爐參數(shù)對(duì)熱效率影響研究與分析

（一）注汽鍋爐熱效率影響與分析

鍋爐燃燒遵循能量守恒，即燃料輸入能量（Qr）=鍋爐有效利用熱量（Q1）+鍋爐熱損失熱量，其中鍋爐熱損失分為排煙熱損失Q2、化學(xué)不完全燃燒熱損失Q3、機(jī)械不完全燃燒熱損失Q4、散熱損失Q5和灰渣物理熱損失Q6五種。

對(duì)于一臺(tái)油田注汽鍋爐Q4和Q6為0，鍋爐正常運(yùn)行時(shí)，燃燒可視為完全燃燒，化學(xué)不完全燃燒熱損失可忽略不計(jì)。且對(duì)于同臺(tái)鍋爐Q5值基本維持不變，大約在1.4%。因此注汽鍋爐熱損失主要為排煙損失，排煙熱損失受排煙溫度和排煙體積決定。經(jīng)計(jì)算，排煙溫度每上升10℃，鍋爐熱效率下降0.46％。

蒸汽干度做為鍋爐運(yùn)行的重要參數(shù)，其值的大小影響著注汽質(zhì)量和鍋爐安全情況，蒸汽干度超過(guò)80%時(shí)，濕飽和蒸汽中的部分離子會(huì)析出形成水垢，降低爐管換熱效果，造成爐管內(nèi)水和爐管溫度溫差增大，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行引起鍋爐爆管。蒸汽干度偏低時(shí)，蒸汽攜帶能量降低，影響油井開(kāi)發(fā)效果。

（二）小結(jié)

目前注汽鍋爐含氧量及蒸汽干度等參數(shù)未實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)控，靠人工測(cè)量的方法掌握鍋爐燃燒狀況，延長(zhǎng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的時(shí)間，造成鍋爐熱損失嚴(yán)重，降低鍋爐熱效率。同時(shí)鍋爐的非平穩(wěn)運(yùn)行會(huì)降低鍋爐安全運(yùn)行系數(shù)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成鍋爐爆管。注汽壓力按14MPa、干度75%、年注汽量49萬(wàn)噸計(jì)算，年耗油量39.6萬(wàn)噸（燃油單耗60kg/t）鍋爐熱效率每提高1%，燃料單耗下降0.78kg/t、節(jié)約燃料382.2t燃料油。因此，需完善注汽鍋爐配套系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)注汽參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)調(diào)控，減少熱量損失，保證鍋爐安全平穩(wěn)運(yùn)行。

三、技術(shù)思路

通過(guò)以上分析，注汽管線和煙氣熱損失成為制約提高注汽系統(tǒng)熱效率的主要瓶頸，管線熱損失體現(xiàn)在管線投運(yùn)時(shí)間較長(zhǎng)，一直未進(jìn)行系統(tǒng)性維修，破損嚴(yán)重，保溫材料反射性能差、導(dǎo)熱系數(shù)高、結(jié)構(gòu)單一不穩(wěn)定，進(jìn)一步加劇了管線熱量損失；鍋爐熱損失體現(xiàn)在煙氣溫度、煙氣含氧量和蒸汽干度未能實(shí)現(xiàn)及時(shí)在線監(jiān)測(cè)，參數(shù)波動(dòng)異常時(shí)調(diào)控不及時(shí)，可采取以下技術(shù)思路提高注汽系統(tǒng)熱效率：

（1）保溫材料優(yōu)選

一是優(yōu)選強(qiáng)反射性保溫材料，用于內(nèi)層保溫，削弱注汽管線輻射傳熱能力。

二是優(yōu)選低導(dǎo)熱系數(shù)保溫材料，用做主保溫材料，提高傳導(dǎo)傳熱阻力，降低傳導(dǎo)傳熱。

三是優(yōu)選抗腐蝕性、抗擠壓、抗?jié)B透性外保護(hù)層材料，提高保護(hù)性能。

（2）保溫結(jié)構(gòu)優(yōu)化

一是研制硬質(zhì)保溫材料新型對(duì)接方式，增強(qiáng)保溫結(jié)構(gòu)牢固性，減少對(duì)流傳熱、輻射傳熱和傳導(dǎo)傳熱。

二是研究不同組合保溫結(jié)構(gòu)的抗熱震性、抗外力沖擊和防水性，結(jié)合投入產(chǎn)出和現(xiàn)場(chǎng)施工情況，確立最佳保溫材料搭配結(jié)構(gòu)。

三是通過(guò)控制保溫層外表面最大溫度法，對(duì)保溫材料進(jìn)行優(yōu)化組合，計(jì)算各保溫層厚度，并考慮經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)，確立最終實(shí)施方案。