石油鉆井蒸汽鍋爐電動(dòng)化改造

吳雙柱

（大慶鉆探工程公司機(jī)械修理廠，黑龍江大慶 163413）

0 引言

隨著國家對(duì)環(huán)保要求越來越嚴(yán)格，對(duì)大氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，環(huán)保已經(jīng)是全球性問題，引起各級(jí)政府的重視，紛紛制訂了相應(yīng)的政策和法規(guī)以減少環(huán)境的污染。為了貫徹相關(guān)政策，改善環(huán)境質(zhì)量，節(jié)約能源，石油鉆井企業(yè)大力提倡和鼓勵(lì)應(yīng)用電能技術(shù)。蒸汽鍋爐在北方冬期鉆井施工中扮演著重要角色，鉆井用蒸汽鍋爐實(shí)際是一種小型（蒸發(fā)量在）的低壓工業(yè)濕蒸汽鍋爐，主要用來清洗、預(yù)熱和解凍。因?yàn)殂@井施工的特殊要求，這種蒸汽鍋爐有其自身的特點(diǎn)，設(shè)備需要經(jīng)常搬遷移動(dòng)，改用電鍋爐后機(jī)組采用模塊化設(shè)計(jì)，集成度更高，結(jié)構(gòu)更加緊湊，有利于減小設(shè)備的整體尺，而且自動(dòng)化程度高，不需要專職的司爐工操作。相對(duì)于其他大型電鍋爐改造，鉆井鍋爐改造投入成本較低，直接利用現(xiàn)有的油田供電專線即可，不存在前期電網(wǎng)及供電設(shè)施的改造費(fèi)用，所以電加熱蒸汽鍋爐在油田鉆井施工應(yīng)用較容易實(shí)現(xiàn)。

1 機(jī)組設(shè)計(jì)總體要求

（1）電熱蒸汽鍋爐及其部件的設(shè)計(jì)，必須滿足油田鉆井在各種工況下所需蒸汽量及規(guī)定的蒸汽參數(shù)。

（2）保證電熱蒸汽鍋爐具有較高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，在設(shè)計(jì)蒸汽鍋爐時(shí)要考升壓和保壓狀態(tài)下運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

（3）根據(jù)北方嚴(yán)寒的氣候特點(diǎn)，電熱蒸汽鍋爐機(jī)組要充分考慮保溫隔熱要求；蒸汽鍋爐單個(gè)零、部件的裝配必須保證在密封面上密封良好性；電鍋爐爐體本身及所有部件應(yīng)該絕對(duì)地安全可靠，并應(yīng)設(shè)有必要的安全保護(hù)措施，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求緊湊、移運(yùn)方便，同時(shí)易于發(fā)現(xiàn)故障而及時(shí)排除。

2 技術(shù)方案主要內(nèi)容

2.1 電熱蒸汽鍋爐選型

現(xiàn)階段電熱蒸汽鍋爐主要有電阻式、電磁感應(yīng)和電極式猿種，電阻式和電磁感應(yīng)式可以應(yīng)用于油田鉆井施工中。

2.1.1 電阻式蒸汽鍋爐

根據(jù)施工實(shí)際使用情況和現(xiàn)用燃油、燃煤鍋爐的參數(shù)等，經(jīng)過設(shè)計(jì)計(jì)算，確定電阻式蒸汽鍋爐的相關(guān)參數(shù)（表1）。

表1 電阻式蒸發(fā)器設(shè)計(jì)參數(shù)

電加熱管是電阻式蒸汽鍋爐的核心部件，其性能和質(zhì)量直接影響鍋爐的運(yùn)行可靠性和使用壽命，所以選用不銹鋼材料，各項(xiàng)參數(shù)要達(dá)到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)（表2）。

2.1.2 電磁感應(yīng)蒸汽鍋爐

由于加熱原理的差異，電磁感應(yīng)蒸發(fā)器與電阻式蒸汽鍋爐在加熱元件、熱效率、結(jié)構(gòu)形式、爐體本身體積等方面有一定差異（表3）。

表2 電熱管參數(shù)

表3 電磁感應(yīng)蒸發(fā)器設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 結(jié)構(gòu)及組成

考慮到裝置安裝及受熱情況，設(shè)計(jì)時(shí)電阻式蒸汽鍋爐采用臥式結(jié)構(gòu)，電磁感應(yīng)蒸汽鍋爐采用立式結(jié)構(gòu)。機(jī)組主要組成包括移動(dòng)式裝置房、爐體、軟化水箱、加熱元件、控制柜、水泵、安全閥、傳感器和管閥件等。因?yàn)橛吞镢@井需要經(jīng)常搬遷，整個(gè)系統(tǒng)集成安裝在帶有保溫的集裝箱房內(nèi)，可以滿足整體吊裝運(yùn)輸要求。

電磁感應(yīng)蒸汽鍋爐的結(jié)構(gòu)組成與電阻式蒸汽鍋爐結(jié)構(gòu)組成類似，只是鍋爐爐體采用立式結(jié)構(gòu)，并且采用2個(gè)、高1800 mm的爐體組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖1 電磁蒸汽鍋爐系統(tǒng)工作原理

2.3 供電及控制系統(tǒng)

鉆井施工現(xiàn)場(chǎng)一般采用6 kV高壓線路，所以要通過變壓器降壓后為電熱蒸汽鍋爐供電。供電變壓器選用容量400 kV·A的波紋全密封型三相油浸式電力變壓器S11-M-400，電壓組合為，在變壓器高壓側(cè)設(shè)置跌落式熔斷器對(duì)變壓器進(jìn)行保護(hù)和投切。變壓器低壓端與電熱蒸汽鍋爐控制柜前設(shè)置低壓開關(guān)柜，柜內(nèi)安裝智能斷路器，其脫扣器額定電流為800 A，控制柜可以通過按鈕控制斷路器通斷。開關(guān)柜具有過載和短路保護(hù)功能，同時(shí)能夠顯示供電電壓，為裝置提供安全可靠的低壓供電（圖2）。

考慮到電熱蒸汽鍋爐工作時(shí)環(huán)境情況，控制系統(tǒng)采用機(jī)電分體安裝設(shè)計(jì)，電控元件遠(yuǎn)離熱源，有利散熱，提高使用壽命。控制系統(tǒng)采用西門子的PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器），通過人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)溫度設(shè)定及自動(dòng)控制，同時(shí)可顯示設(shè)備運(yùn)行參數(shù)及狀態(tài)。

（1）加熱控制方面。電阻式蒸汽鍋爐采用多組加熱元件運(yùn)行方式，當(dāng)蒸汽壓力低于設(shè)定值時(shí)，PLC控制器逐個(gè)啟動(dòng)加熱組；蒸汽壓力高于設(shè)定值時(shí)，控制器同時(shí)關(guān)閉全部加熱組。加熱組在報(bào)警狀態(tài)下不工作，已工作的加熱組將同時(shí)停止運(yùn)行。保壓工況下控制器可設(shè)定蒸汽鍋爐自動(dòng)運(yùn)行時(shí)間段，一天內(nèi)可設(shè)置多個(gè)不同的工作時(shí)段，使蒸汽鍋爐自動(dòng)分時(shí)啟動(dòng)各加熱組，加熱組循環(huán)換切，使各加熱組使用時(shí)間均衡，保證設(shè)備使用壽命。電磁感應(yīng)蒸汽鍋爐功率調(diào)節(jié)相對(duì)簡(jiǎn)單，工作時(shí)可以根據(jù)實(shí)際需要手動(dòng)確定加熱功率，功率可以在無級(jí)調(diào)節(jié)，按需要旋轉(zhuǎn)電位器調(diào)節(jié)旋鈕，加熱器會(huì)依據(jù)溫差負(fù)荷的改變相應(yīng)調(diào)整電負(fù)荷，保證動(dòng)力與負(fù)荷的平衡。

（2）水泵控制方面。在正常運(yùn)行狀態(tài)下，如果蒸汽鍋爐的水位低于中間水位線，控制器發(fā)出啟泵信號(hào)；當(dāng)水位高出高水位線，控制器發(fā)出停泵信號(hào)；當(dāng)水位低于低水位線，控制器報(bào)警并關(guān)閉加熱組，啟動(dòng)水泵，當(dāng)水位達(dá)到高水位線，水泵停止工作。

2.4 安全保護(hù)設(shè)計(jì)

為了提高電鍋爐的安全性，設(shè)置了多個(gè)安全控制點(diǎn)位，如爐內(nèi)溫度控制、爐內(nèi)壓力控制、爐內(nèi)動(dòng)液面上下液位控制、漏電保護(hù)控制、安全閥的超壓放空控制等。運(yùn)行過程中任何一個(gè)條件不滿足要求，鍋爐都會(huì)停止運(yùn)行并啟動(dòng)相應(yīng)的連鎖控制，待條件滿足要求后再運(yùn)行。可見，電鍋爐比燃油、燃煤鍋爐的安全性更高。

3 工作功率驗(yàn)證及選取

不同工況下鉆井施工現(xiàn)場(chǎng)的用汽量不同，存在著間歇用汽和集中用汽的情況。為了驗(yàn)證電熱蒸汽鍋爐在多大功率下運(yùn)行能保持蒸汽壓力，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了多種不同功率下工作狀態(tài)試驗(yàn)。對(duì)多口井的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集分析，發(fā)現(xiàn)開鉆時(shí)和完井時(shí)存在集中用蒸汽的情況，這時(shí)蒸汽使用量較大，使用持續(xù)時(shí)間約3 h。試驗(yàn)證明，在蒸汽使用量最大時(shí)，100 kW功率無法達(dá)到使用要求，150 kW功率可以勉強(qiáng)維持蒸汽壓力，200 kW功率能夠維持住蒸汽壓力，但是泄壓后升壓緩慢，300 kW功率能維持壓力，且可以快速升壓。雖然200 kW功率能夠滿足正常使用要求，但考慮不確定因素影響，需要增加相應(yīng)的裕度，將300 kW確定為最大蒸汽量供應(yīng)功率（圖3、圖4）。

圖2 動(dòng)力供電原理

其他時(shí)間段用汽量相對(duì)較小，裝置主要以保壓為主，這時(shí)候蒸汽鍋爐加熱系統(tǒng)不需要滿負(fù)荷工作，經(jīng)試驗(yàn)確定了正常施工時(shí)裝置功率為150 kW。確定最大蒸汽量功率和正常蒸汽量功率后，就可以在控制程序中設(shè)定不同工況下電鍋爐的運(yùn)行功率，這樣既可以減輕電網(wǎng)負(fù)荷，又起到節(jié)能效果。

圖3 最大蒸汽量功率曲線

4 結(jié)論

應(yīng)用結(jié)果表明，電熱蒸汽鍋爐比傳統(tǒng)的燃煤、燃油鍋爐更適合油田鉆井現(xiàn)場(chǎng)使用。電熱蒸汽鍋爐安全性明顯優(yōu)于燃煤、燃油鍋爐：①電熱蒸汽鍋爐運(yùn)行無明火產(chǎn)生，是一種本質(zhì)安全型設(shè)備：②裝置保護(hù)措施較多，安全性有保障。經(jīng)過核算后，電熱蒸汽鍋爐運(yùn)行成本低于燃煤、燃油鍋爐，單井綜合成本約為燃煤、燃油鍋爐成本的一半，節(jié)能效果明顯。

電熱蒸汽鍋爐運(yùn)行時(shí)無污染、零排放、噪聲小，有利于環(huán)境保護(hù)和職業(yè)健康，與燃油、燃煤鍋爐相比，有熱轉(zhuǎn)換效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)鍋爐的產(chǎn)蒸汽慢、能耗高、故障率高的缺陷。所以，作為一種節(jié)能環(huán)保型鍋爐，電熱蒸汽鍋爐在寒冷地區(qū)油田施工應(yīng)用具有廣闊前景。

圖4 正常蒸汽量功率曲線