注汽系統管線熱效率

方坤

遼河油田是以稠油開發為主的油田，注蒸汽開采起著非常重要的作用。注汽管線保溫材料主要為巖棉、氈等軟質材料和微孔硅酸鈣、復合硅酸鹽等硬質材料，各種材料均存在一定缺陷。巖棉、氈等軟質材料憎水性差，保溫的輸汽管道易出現滑移和下沉，雨水侵蝕或長時間使用后易老化破碎，影響保溫效果；微孔硅酸鈣和復合硅酸巖接縫處處理困難，保溫后接縫處易出現開裂，造成熱損失變大。

為了加強對設備的管理，原來的注汽管線保溫時采取管線外側直接包裹硅酸巖棉、氈等軟質保溫材料，而這些材料的黑度系數較大，普遍在0.7-0.8之間，受射體保溫材料和發射體注汽管線之間未有黑度系數低、反射性能優良的薄層隔熱板，造成受射體保溫材料吸收熱量多。

1.熱損失現狀

1.1保溫結構

一是選用保溫材料單一，難以保持結構穩定；二是保溫層厚度薄厚不一，經濟保溫厚度沒有統一標準；三是軟、硬保溫材料搭配不合理，保溫結構抗震、抗擠壓能力弱。

1.2熱損失情況

經熱損失檢測，遼河油田地面固定注汽管網熱流密度為391W/m2、千米管線熱損失率4.15%，活動管線熱流密度734.3w/m2、千米管線熱損失率6.28%，千米干度降17.3%，系統熱效率77.3%，損失能量22.7%。年注汽量按1200萬噸、平均注汽壓力14MPa、鍋爐出口平均干度71%計算，則地面損失能量48202.2×106kj，浪費天然氣3428.572萬方，折算成本6788.57萬元（天然氣價格1.98元/方）。

2注汽系統熱損失研究與分析

注汽系統熱損失占22.7%，主要由注汽鍋爐熱損失和注汽管線熱損失兩部分構成，其中注汽鍋爐熱損失表現為排煙損失、化學不完全燃燒損失、機械不完全燃燒、散熱損失和灰渣物理熱損失；注汽管線熱損失表現在熱輻射損失、熱對流損失和熱傳導損失。

2.1注汽管道傳熱研究與分析

凡是有溫差的地方就一定有能量的傳遞，熱量總是自發地由高溫物體向低溫物體傳遞，這種現象稱為熱傳遞。為了分析研究的方便，根據傳熱過程的物理本質不同，可把其區分為三種基本方式，即熱輻射、熱對流和熱傳導。同樣，注汽管線存在三種方式的熱傳遞，為更好的分析注汽管線熱損失情況，我們建立其熱損失模型，分別分析三種熱傳遞對管線熱損失的影響。

2.1.1輻射傳熱原理

熱輻射傳播可不借助任何介質，靠電磁波傳遞熱量，其過程遵循斯蒂芬—玻爾茨曼定律。為了從數量上表示物體輻射能力，引入一個物理量輻射能，用E表示。它是單位時間內單位輻射表面積，向空間各個方向所輻射出的各種不同波長能量的總和。

輻射傳熱符合下面方程：

為描述實際物質的熱輻射情況，引入一物理量黑度 ：實際物體的輻射力與黑體輻射力之比，實際物體的輻射力表示如下：

由上式可知實際物體的輻射能力同輻射源溫度的四次方和黑度系數成正比，為增強輻射熱交換，需提高輻射物體的溫度或增加黑度，相反，為減少輻射換熱，就必須降低輻射物體的溫度或減小黑度。

2.1.2兩固體間輻射傳熱研究

輻射傳熱隨輻射源的溫度增加而增強，注汽管線保溫后，輻射傳熱主要體現在高溫蒸汽管線同內保溫層之間，為提高注汽管線保溫效果，應削弱兩者之間的輻射換熱。為此，我們分單獨兩固體和兩固體間裝設一薄片遮熱板兩種情況，研究輻射傳熱變化規律。

為此假設注汽管線無限長，將管線本體和保溫層看成兩個無限長的平行平面，在它們之間裝設一薄片遮熱板，該二平面和遮熱板的溫度分別為T1、T2和Tc，且T1>T2，遮熱板和兩平面的黑度假定相同ε1=ε2=εc。遮熱板插入后，明顯的降低了物體間的輻射傳熱，且物體間輻射傳熱量隨物質黑度系數的增加而增大。因此實際工程中，為有效的削弱輻射換熱，常采用黑度低、反射性能強的薄板做為遮熱板。

2.1.3輻射傳熱對熱損失影響

目前，注汽管線保溫采取管線外側直接包裹硅酸巖棉、氈等軟質保溫材料，而這些材料的黑度系數較大，普遍在0.7-0.8之間，受射體保溫材料和發射體注汽管線之間未有黑度系數低、反射性能優良的薄層隔熱板，造成受射體保溫材料吸收熱量多。

注汽管道保溫層破損嚴重，部分管線裸露在空氣中，正常注汽時，管線外表面溫度高達300℃以上，依據斯蒂芬—玻爾茨曼定律可知，注汽輻射強度同溫度的四次方成正比，加上氣體對輻射熱僅有吸收和穿透能力，不具備反射作用，進一步加劇輻射傳熱損失。

2.1.4小結

通過以上分析可知，以往遼河油田注汽管線保溫時采用的是導熱系數為0.065w/m.k的保溫材料，其黑度系數較大、反射性能弱，注汽管道和內保溫層組成的系統發射率大，系統穩定后向外發射能量增大，給保溫效果帶來影響。

因此需從降低注汽管道和內保溫層的系統發射率出發，使用反射性能強、吸收能力小的保溫材料。

2.2注汽管道對流傳熱研究與分析

2.2.1對流傳熱原理

依靠流體流動來傳播熱量的方式叫做對流。對流傳熱只能發生在可以產生流動的氣體和液體里，固體不能產生對流傳熱。

在單位時間里，熱流體對壁面的對流放熱量的大小與傳熱壁面表面積F以及熱流體與壁面的溫差（tf1-tw1）成正比，此外還和流體物性、流體流動的特性等因素有關。對流換熱強度同換熱面積、溫差及對流換熱系數成正比，為削弱對流換熱，需減少換熱面積、降低換熱溫差及降低對流換熱系數。

2.2.2對流傳熱對熱損失影響

保溫完好或結構穩定的注汽管線，熱對流主要存在保溫層外表面和空氣之間。由于注汽管線保溫后外表面和環境溫差小，對流換熱量小。但由于遼河油田注汽管線保溫時間長，結構單一不穩定，內部保溫層破損嚴重，甚至管線外露在空氣中，外表面溫度增加，造成對流換熱增加，表現如下：

一是使用巖棉、硅酸鋁、鎂、纖維氈等軟質材料保溫時，保溫層易出現滑移、下沉或塌陷的現象，注汽管線和空氣之間未能形成一個密閉的保溫層，造成管線本體和空氣形成對流換熱，高溫蒸汽溫度 高達幾百攝氏度，對流換熱溫差 增大，換熱增強。

二是使用硬質材料保溫，多塊單個保溫材料組合成整體時，連接方式為平口對接，密封性差，特別是管線投運后，蒸汽流動引起管線竄動，進而破壞保溫材料的保溫性能。現場實際發現，管線投運后，硬質材料對接處，伴有高溫蒸汽散出的現象，造成對流換熱明顯增強。

三是對流換熱量同換熱面積成正比，目前遼河油田保溫使用材料導熱系數高達0.065w/m.k，為確保達到國家標準209w/m2，保溫材料厚度設計為97mm，造成管線同空氣對流換熱面積增大，對流換熱熱損失增多。

2.2.3小結

通過分析可知，遼河油田注汽管線軟、硬保溫材料搭配不合理，結構抗震、抗壓性差，軟質材料易出現塌陷，保溫材料和注汽管線間形成空隙；硬質材料采用平口對接，連接處密封性差，特別是長時間運行時，結構穩定性受到破壞。這樣就給高溫蒸汽和空氣對流形成通道，提供條件。同時，由于保溫材料的導熱系數高，普遍在0.065w/m.k，在達到同樣保溫效果的前提下，需增大保溫層厚度，引起對流換熱面增大，對流換熱增強。因此，保溫時應選擇低導熱系數保溫材料，達到同樣保溫效果的前提下，降低保溫層厚度，同時對保溫結構進行復合優化，提高抗震性、抗壓性，增強牢固性，減少對流換熱。

（作者單位：中油遼河油田高升采油廠熱注作業區）