一種井下電加熱蒸汽發(fā)生器的研究設(shè)計(jì)

陳 寶

（西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，成都 610500）

0 引言

現(xiàn)代工業(yè)和交通運(yùn)輸業(yè)對(duì)石油的需求量越來(lái)越大，2013年全年石油進(jìn)口量創(chuàng)歷史新高，原油對(duì)外依賴度在以上，這樣的石油供應(yīng)格局亟待解決。我國(guó)有著豐富的稠油資源，但開采成本和難度較大。稠油由于瀝青膠質(zhì)含量高，蠟質(zhì)含量少，因而粘度高，流動(dòng)性差，開采難度大。雖然稠油的粘度很高，但其對(duì)溫度極為敏感，每增加10oC，其粘度下降約一半，流動(dòng)性增加[11]。利用稠油加熱能夠降低粘度，增加流動(dòng)性這一特性，提出了稠油熱采法，其中蒸汽驅(qū)是目前應(yīng)用最廣泛的、技術(shù)較成熟的方法之一。

蒸汽發(fā)生器作為蒸汽驅(qū)技術(shù)不可缺少的設(shè)備之一，最普遍的做法采用的是在地面產(chǎn)生高溫高壓的蒸汽，通過(guò)保溫管道注入到井下稠油油層中去，這種技術(shù)井上設(shè)備體積龐大，需要較高的配套設(shè)施的投入，廢氣帶走大量的熱能，污染周圍空氣[8]。蒸汽通過(guò)較長(zhǎng)管道后，能量損失大，到井底時(shí)高溫蒸汽成了“熱水”，蒸汽注釆效果和深度受到限制，不能滿足特殊井況和大深度稠油井的開采。本文提出一種井下電加熱蒸汽發(fā)生器，該裝置很好的克服了井上蒸汽發(fā)生器的不足，電加熱蒸汽發(fā)生器直接工作于井下，在稠油油層處產(chǎn)生蒸汽并直接注入油層，不受傳統(tǒng)注蒸發(fā)氣因井深蒸汽難注入的限制，熱效率高且不會(huì)產(chǎn)生空氣污染，能夠有效地提高稠油的開采率和經(jīng)濟(jì)效益。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)為:工作電壓380V，最大功率50kw，最大耐壓20MPa，最大蒸汽流量70kg/h，安裝有三個(gè)溫度傳感器和兩個(gè)壓力傳感器用于測(cè)量環(huán)空壓力和加熱腔內(nèi)壓力，壓力傳感器分辨率為±0.1MPa，溫度傳感器測(cè)量分辨率為±0.5K，要求裝置無(wú)故障工作時(shí)間不少于240小時(shí)，采用工業(yè)組態(tài)軟件，對(duì)裝置的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)控。

1.2 工作原理與結(jié)構(gòu)

通過(guò)對(duì)井上蒸汽發(fā)生器裝置的調(diào)研，根據(jù)不同的采油環(huán)境和復(fù)雜的井下情況，研究并提出一種井下電加熱蒸汽發(fā)生器的設(shè)計(jì)方案，其原理是通過(guò)電熱管是電能轉(zhuǎn)化為熱能，加熱水產(chǎn)生高溫的水蒸氣，該裝置具有產(chǎn)生蒸汽效率高、環(huán)保、可靠性好等特點(diǎn)。

蒸汽發(fā)生裝置工作在井下，加熱裝置簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)如圖1所示，加熱器主要有以下幾部分：鎧甲外殼、電纜、加熱元件、給水泵、預(yù)熱管、回流槽、氣液分離器、安全閥門和各種傳感裝置。

圖1 蒸汽發(fā)生器簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)圖

利用工業(yè)耐高溫電纜提供380V的加熱電源，加熱元件使用不銹鋼電加熱管，其電熱效率高，價(jià)格便宜，可根據(jù)加熱需求定制任意功率、形狀，電熱管與爐體使用法蘭連接，利于更換、維修和保養(yǎng)，加熱管耐壓可達(dá)20MPa，一般設(shè)計(jì)使用壽命有1萬(wàn)多小時(shí)，通過(guò)自動(dòng)控制裝置，控制給水泵將水從入水口壓入預(yù)熱管對(duì)水進(jìn)行預(yù)加熱，達(dá)到合適的溫度再注入到加熱內(nèi)膽，在大功率加熱管的加熱下，水達(dá)到沸騰，從導(dǎo)管進(jìn)入氣液分離器中，得到干度較高的水蒸氣?？刂平o水的流量，從而控制蒸發(fā)量與補(bǔ)給量達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，在發(fā)生器內(nèi)部布置有壓力、溫度、液位高度、流量計(jì)等傳感裝置，外布置有高強(qiáng)的安全閥、單向閥、排氣閥，實(shí)施三級(jí)保護(hù)，數(shù)據(jù)送到地面電腦，配合PLC、工業(yè)組態(tài)軟件，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)控。

2 控制系統(tǒng)構(gòu)成

設(shè)備的電源控制通過(guò)設(shè)置電源控制箱，包含多個(gè)低壓開關(guān)設(shè)備以及與之相關(guān)的控制測(cè)量、保護(hù)、調(diào)節(jié)的設(shè)備。由斷路器、接觸器、熱繼電器、中間繼電器、信號(hào)繼電器、轉(zhuǎn)換開關(guān)等構(gòu)成控制部分，方便對(duì)電源的控制和電路的保護(hù)。

蒸汽發(fā)生器控制系統(tǒng)主要控制要求：蒸汽壓力，鍋爐內(nèi)液位高度、給水量和溫度。

蒸汽發(fā)生器正常工作時(shí)，加熱腔內(nèi)壓力應(yīng)控制在0.1MPa≤P≤10MPa，當(dāng)氣壓大于10MPa時(shí)，應(yīng)當(dāng)立即關(guān)停加熱元件和給水泵的電源，并且報(bào)警提示。在水位控制時(shí)，當(dāng)腔內(nèi)液面高度達(dá)到最大值時(shí)，關(guān)閉給水泵，報(bào)警系統(tǒng)給與提示，當(dāng)水位值達(dá)到低位值時(shí)，應(yīng)控制水泵加大給水量，報(bào)警系統(tǒng)給與提示，如果水位達(dá)到最低警戒值，此時(shí)應(yīng)當(dāng)立即關(guān)掉加熱元件和給水泵，報(bào)警系統(tǒng)立即報(bào)警，加水重啟設(shè)備，如故障得不到排除，則需對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢修再重新工作。

圖2 蒸汽發(fā)生器控制系統(tǒng)

蒸汽發(fā)生器的控制系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。發(fā)生器內(nèi)部、外部分布著壓力傳感器，分別監(jiān)測(cè)加熱腔內(nèi)壓強(qiáng)和外部的環(huán)空壓力，給水泵、蒸汽出口設(shè)置有流量計(jì)，監(jiān)測(cè)給水量和蒸汽產(chǎn)生量，加熱腔內(nèi)有液位監(jiān)測(cè)器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)腔內(nèi)液位的高度，所有傳感器能夠?qū)⒁话愕奈锢砹哭D(zhuǎn)變成微弱模擬電信號(hào)，模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路放大、整流、濾波轉(zhuǎn)變成1V～5V的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，送給A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，信號(hào)通過(guò)RS485轉(zhuǎn)換接口接計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、顯示。各個(gè)開關(guān)量直接進(jìn)入PLC控制模塊，開關(guān)量信號(hào)首先由 PLC模塊完成控制，再經(jīng)串口的通訊接口將其傳送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)雙重控制。

設(shè)備通過(guò)串口的通訊接口接到計(jì)算機(jī)，使用工控軟件KingView（組態(tài)王），如圖3所示，軟件畫面簡(jiǎn)單直觀，開發(fā)難度小，功能強(qiáng)大，實(shí)時(shí)顯示流量、溫度、液位高度數(shù)據(jù)，能夠提供異常報(bào)警，系統(tǒng)關(guān)閉、重啟設(shè)備功能，可以方便地對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、報(bào)警、存儲(chǔ)和打印等功能，提高設(shè)備的運(yùn)行效率和安全性。

圖3 監(jiān)控畫面

3 控制程序流程圖

井下蒸汽發(fā)生器控制系統(tǒng)的主程序流圖如圖4所示，系統(tǒng)開始工作時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)控制電源控制箱進(jìn)行系統(tǒng)上電，然后讀取設(shè)置，進(jìn)行初始化設(shè)置，檢查各級(jí)設(shè)備是否出現(xiàn)故障，如出現(xiàn)異常，報(bào)警提示并自動(dòng)重復(fù)初始化操作直到系統(tǒng)排除故障，下一步判斷加熱腔內(nèi)的水位是否過(guò)低，如果低于正常水平，則自動(dòng)調(diào)用水泵給水程序，控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)耐高溫電磁閥打開，水泵工作，通過(guò)單向閥注入爐膽，直到達(dá)到正常工作水平，此時(shí)設(shè)備正常工作，設(shè)置傳感器循環(huán)采集數(shù)據(jù)，采集時(shí)間間隔為1秒，并送入計(jì)算機(jī)，配合組態(tài)軟件實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)將數(shù)據(jù)保存于計(jì)算機(jī)，方便查看設(shè)備工作情況，如采集到數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，比如溫度、壓力、流量等超過(guò)或低于安全限額，立即報(bào)警提示，并輸出相應(yīng)的控制變量到PLC模塊，控制加熱功率、水泵流量等，消除異常狀況，如持續(xù)出現(xiàn)異常并且未恢復(fù)，此時(shí)應(yīng)立即關(guān)停所有電源，提示需要人工對(duì)設(shè)備檢修。

圖4 控制系統(tǒng)程序流程圖

4 蒸氣產(chǎn)生量

裝置產(chǎn)生的蒸汽量一般用質(zhì)量M（kg）來(lái)計(jì)量，產(chǎn)生高溫蒸汽的熱量包含有兩部分：溫升熱與汽化熱。故設(shè)單位時(shí)間Δt內(nèi)給水量為m（kg），給水溫度為常溫25oC，爐膽內(nèi)壓強(qiáng)為P（MPa），工作功率為R（W），電熱率η。

1）溫升熱量Q1（J）：溫升熱與蒸發(fā)介質(zhì)的熱容和蒸發(fā)介質(zhì)的溫升成正比，即：

C為比熱容，J/Kg.oC；

m為質(zhì)量；

ΔT為溫差。

2）蒸發(fā)潛熱Q2（J）為：

ΔH為液體的蒸發(fā)焓（汽化熱）J/Kg

3）蒸汽總熱量：

由式(1)～式(3)可以得出下面等式：

利用MATLAB軟件將壓力、功率和蒸汽量數(shù)據(jù)繪圖得到在不同功率、壓強(qiáng)下單位時(shí)間產(chǎn)生蒸汽的量，如圖5所示。

蒸汽發(fā)生器工作在50kw、40kw、30kw、20kw、10kw的功率，0.1MPa～10MPa的壓強(qiáng)時(shí)，產(chǎn)生蒸汽（kg/s）曲線如圖，可以看出，壓強(qiáng)一定，功率與產(chǎn)生的蒸汽量成正比。功率一定，壓強(qiáng)與蒸汽產(chǎn)生量成反比。需要更大蒸汽流量時(shí)，可以設(shè)計(jì)功率更大的蒸汽發(fā)生器。

圖5 功率、壓強(qiáng)與蒸汽量曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

井下電加熱蒸汽發(fā)生器與傳統(tǒng)的蒸汽發(fā)生器相比具有許多優(yōu)點(diǎn)。沒(méi)有地面蒸汽分配系統(tǒng)，克服了其蒸汽干度的相分離問(wèn)題。同時(shí)，由于其是在井底產(chǎn)生高溫蒸汽，從而克服了地面和管道熱量流失問(wèn)題。由于這些優(yōu)點(diǎn)，使其不僅對(duì)海上作業(yè)很具吸引力，而且對(duì)于蒸汽驅(qū)試驗(yàn)區(qū)也是較為理想的選擇。

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