鍋爐技術在油井用熱洗清蠟裝置的應用

摘 要：河南油田油建公司開發的新型油井清洗用常壓高效型熱洗清蠟裝置，2010年12月初在河南油田雙江地區順利投入使用，結合產品開發流程、設計思路和運行中問題，探討新型油井熱洗清蠟裝置的結構設計。

關鍵詞：熱洗清蠟裝置；產品開發；常壓；鍋爐技術；蓄熱器技術

1 引言

油井熱洗清蠟裝置是采用加熱方式進行油管清蠟降摩阻的石油行業專用設備，該技術21世紀來得到了飛速的發展，已由熱洗清蠟裝置替代早期的鍋爐車。該裝置利用抽油機為動力，將油井產出液加熱回注油套空間，清蠟解堵，與傳統鍋爐車清蠟相比，其裝置具有操作相對簡單，無污水外排，不改變地層油水狀態，對油井開采影響小、運行系統簡單成本較低等優點。

圖1 洗井清蠟流程示意圖

2 新型產品設計思路

（1）采用高位膨脹箱技術，降壓至常壓或微負壓，用以降低安全風險。（2）采納太陽能-蒸汽循環發電系統中蓄熱器的理念，采用液體顯熱蓄熱技術增強裝置的負荷調節能力。（3）采用專家系統組態控制，用邏輯控制器或PLC控制器實現自動控制。

3 裝置開發

3.1 裝置參數

進口水溫：15～65℃；出口水溫：65～115℃；進口壓力：<0.4MPa；出口壓力：0；流量；40～120m3/d；燃料種類：柴油；熱效率：？叟90%；重量：適于50型拖拉機牽引或小型客貨車裝載。

3.2 裝置選型

通過熱洗清蠟裝置運行參數的調研，根據熱洗清蠟流程，結合鍋爐和蓄熱器技術，開發設計新型油田采油用熱洗清蠟設備。裝置定型為：常壓（微負壓）、燃柴油、小型、無外排、蓄熱調節裝置。裝置適用范圍：適用于產液量<120m3/d油井口。

3.3 裝置設計

3.3.1 設計計算

熱力計算：建立爐膛輻射換熱、對流換熱面和蓄熱器換熱的準則方程。首先簡化蓄熱器的影響，導熱油采用T66型，控制溫度280℃，假定其工作溫度穩定在250℃，即其熱量會被洗井液帶走。簡化洗井液的影響，按水來考慮。其中爐膛：采用輻射換熱模型，模型按照鍋爐計算方法簡化變形后可求解，相關參數可按鍋爐計算標準選取。通過燃料特性計算焓溫表，假定爐膛出口溫度，校核換熱量，循環迭代可得正確的出口溫度。校核公式如公式1：

（1）

對流受熱面：采用煙氣縱向沖刷順列管束模型，熱有效系數？追、修正系數CS、Cn可先按鍋爐計算標準選取，修正系數n取1，實際發現排煙溫度較低，對模型再調整修正系數n，經數據倒推n≥1.8。

蓄熱器：采用間壁式換熱模型，相關參數可按換熱器計算選取。通過爐膛換熱量可計算導熱油溫度，（未知參數可：（1）假定迭代如水溫；（2）換熱系數近似假定）

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對流受熱面：采用煙氣縱向沖刷順列管束模型，熱有效系數？追、修正系數CS、Cn可先按鍋爐計算標準選取，修正系數n取1，實際發現排煙溫度較低，對模型再調整修正系數n，經數據倒推n≥1.8。

采用傳統鍋爐熱力計算的方法進行設計和校核計算。它是所有其他計算的基礎，熱力計算匯總表見表1。

水動力計算：設備采用以抽油機替代水泵、直流運行且出口溫度控制較低，介質處于過冷狀態，僅按質量流速進行計算參考。

強度計算：由于裝置運行于常壓或微負壓，因此強度計算的結果對裝置影響不大，裝置的強度主要以優化設計后進行校核計算。主要校核公式見公式（2）

（2）

煙風阻力計算

采用公式（2）進行煙氣流速計算，并校核煙氣流速時期處于經濟流速2間。

（3）

其中：Bj為計算燃料消耗，Vy為煙氣總容積，θ為煙氣溫度，wy為煙氣流速，F為煙道截面積。

注2：尾部換熱面順列布置時，燃油（氣）鍋爐煙氣經濟流速為11～15m/s。

3.3.2 設計優化

安全性：采用小直徑、內螺紋、螺旋盤管，可提高質量流速和管內工質擾動水平，進而提高油井低產時水動力可靠性和油水側換熱效果，減輕因油井產出液品質低和產量低時的積鹽和結垢，亦可有效保護金屬材料。爐膛采用蓄熱器間接加熱可降低內盤管的熱流密度，減少積鹽和結垢的可能，進而保護金屬材料。裝置內膽內壁工作條件最為惡劣，采取了多種方法進行優化，用以增強冷卻效果，保護金屬材料。在滿足機械強度的基礎上采用薄壁內膽，減小金屬內外側的溫差應力。確定略大的內膽直徑和長度，在充分利用輻射面的基礎上，防止火焰沖刷內膽金屬壁板，保護金屬材料。調整裝置進出口流程，介質先冷卻導熱油，間接冷卻內膽內壁，后冷卻尾部煙管。采用高位膨脹油箱，使裝置蓄熱器常壓，減少安全風險。采用套管保護技術防止管板焊縫處根部的熱疲勞裂紋。進口段采用截流孔板，中部采用呼吸集箱減少直流鍋爐在高溫狀態下水力脈動和水力失調對裝置的沖擊。強化傳熱類：爐膛采用內膽方式，內膽直徑和長度受制于燃燒器火焰的形狀，其排煙溫度很低約500℃，爐膛傳熱無需強化。較高的煙氣流速，橫向沖刷，提高煙氣側換熱系數。采用扁平波浪煙氣截面，不斷破壞邊界層，提高煙氣側換熱系數（見圖2）。采用內外雙筒技術，可有效降低散熱損失。采用蓄熱器調整，使燃燒器間斷工作，提高工作時火焰中心溫度，強化傳熱。制作、運行等其他因素：采用高度自動化控制，提高裝置的可操作性。采用蓄能器降低裝置的溫度梯度，減少溫差應力和燃燒器頻繁啟停，延長燃燒器的使用壽命和減少啟停過程不完全燃燒的熱損失。通過多回程的熱力計算比較發現：回程數量對熱力計算影響較小，采用二或三回程結構最有利于制作。通過外盤管多管圈的熱力計算比較發現，外盤管管圈可以大幅度減少。

3.3.3 裝置的自動控制

針對油水特性，裝置配套了相應的流量計（渦街式或超聲），防止孔板式的堵塞和電磁式的介質不導電。針對導熱油手動排氣易出現誤操作，裝置設計了機械式自動排氣系統。裝置根據控制點的數量不同采用不同的上位機和控制方式。純燃油方案：自控采用以順序控制器為主體進行組態控制，本次采用西門子LOGO！控制（見圖3）。燃氣混燒方案：自控采用以PLC控制器為主體進行組態控制，本次采用西門子S7-200控制（見圖4）。

4 裝置制造

本次裝置采用臥式內燃，內外爐膽、盤管和筒壁均采用小型滾板機和專用工裝制做，取消耐火材料，替代使用保溫材料，管材采用20#鋼，板材采用Q235，機加工和可焊性較強，制作工藝較簡單，本處不贅述。裝置制造簡圖見圖5，空氣壓縮機是提供吹掃動力，防止設備積水產生的腐蝕和冬季防凍。

5 裝置的調試、投用和評價

裝置分別于2011年6月、9月和11月分別進行了原型機試驗、中試測試和現場生產試驗。經改進調整后完全達到設計要求，同年12月初開始在河南油田雙江油區投入使用至今。裝置滿足生產和節能環保要求，不改變地層油水狀態，對油井開采影響小，無污水外排，設備外表面溫度<50℃，排煙溫度<80℃，自重<750kg，與同類在用裝置相比：節油率>25%，裝置體積減小約50%、重量減輕約60%，更適合野外井場的轉場，且所用鋼材由奧氏體不銹鋼降低為優質碳鋼，大量減少耐火材料，降低成本約30%。

6 結束語

新型熱洗清蠟裝置3投產后，完全替代原裝置，各項參數達到設計要求；該裝置為常壓設備，系統簡單，安全性和操作性高；增大了爐膛輻射的角系數和煙氣對流換熱系數，降低了散熱損失和排煙損失，熱效率大大提高，節約了燃油成本；提高了水動力特性，加強裝置的安全性，降低了材料耐溫要求，金屬耗量和材質等級都趨于合理；裝置體積小，運輸方便，無污水外排。

注3：該裝置已獲專利，專利號：201220058617.5

參考文獻

[1]蔡長英，翟俊民.油田多功能清蠟[J].設備中國，201010127003.320

10-03-18.

[2]房胤，婁和宇，李洪林，等.油井清蠟[J]裝置中國，201220058167.5201

1-02-22.

[3]《工業鍋爐設計計算標準方法》編委會.工業鍋爐設計計算標準方法[M].北京：中國標準出版社，2003.

[4]陳學俊，陳聽寬.鍋爐原理[M].北京：機械工業出版社，1991.

[5]車得福，莊正寧，李軍，等.鍋爐[M].西安：西安交通大學出版社，2008.

[6]楊小平，楊曉西，丁靜，等.太陽能高溫熱發電蓄熱技術研究進展[J].熱能動力工程，2011.

[7]燃油燃氣鍋爐房設計手冊編寫組.燃油燃氣鍋爐房設計手冊[M].北京：機械工業出版社，1998.