稠油開發注蒸汽鍋爐燃油加熱器結構優化研究

黃琪 曾順鵬 吳志遠 劉柯彤 許文赟

摘要：針對遼河油田所使用的爐前燃油加熱器隨使用年限增加，傳熱效率降低的問題，在不增加加熱器體積的前提下，通過在爐體內部焊接折流板的方法增加燃油受熱時間，結合Comsol?Multiphysics仿真軟件確定折流板最優安裝位置及長度，以達到增加傳熱效率、節約成本的目的。按照數值模擬結果實裝折流板后將加熱器投入運行并記實時溫升，再與優化前結果進行對比。結果表明，優化后燃油加熱器溫升效率提高約25%，單臺加熱器年均節省資金約為16464元。

關鍵詞：稠油油藏;燃油加熱器;數值仿真;溫升效率;結構優化

蒸汽吞吐熱采技術做為目前最成熟、最普遍的開采重油方法，被廣泛應用于各大稠油油田。由于稠油具有很高的溫度敏感性，油田上通常采用燃燒原油的方法來加熱蒸汽。然而，從供油泵直接送出的原油粘度較高，無法滿足鍋爐對燃油流動性及霧化的要求。因此，須將燃油在加熱器中預加熱到一定溫度使其達到霧化效果。油田上使用的燃油加熱器普遍采用電加熱管對各類燃料介質進行直接加熱，即燃料從入口進入加熱腔，經過加熱后由出口流出。但是，這種單流程式的燃油加熱器加熱不均勻，且燃油加熱器所使用的加熱用電阻絲會因自身壽命、人為操作、環境等因素，在加熱電阻絲表面結焦積碳、氧化腐蝕（圖1、2），使其傳熱效率降低，無法滿足出口油溫達標的要求，造成無法及時啟動鍋爐的后果。

圖1?因氧化腐蝕斷裂的加熱電阻絲??????????圖2?在表面結焦、積碳的加熱電阻絲

因此，在不增加燃油加熱器體積和出口油溫滿足生產要求的前提下，對加熱器進行優化設計，通過在加熱器內加裝折流板的方式使介質以迷宮式路線運動（圖3），增加介質在加熱器內流動時間來提高傳熱效率，對保障生產流程暢通、節約投入成本都具有重要意義。

圖3?迷宮式構造燃油加熱器結構

1確定折流板規格

由于折流板的安裝位置和長度會影響加熱器的加熱效率。因此，需要利用軟件模擬的方法確定折流板最優安裝位置和長度使加熱器在特定環境下傳熱效率達到最高。軟件在穩態流動的狀況下，Comsol?Multiphysics軟件無法通過控制相同的出口溫度來模擬最優變量（折流板的位置與長度），但可以模擬相同時長內，不同變量（折流板的位置與長度）下得到的溫升值來確定最優參數值。以BZYJR-7型燃油加熱器的規格參數進行模擬，分別設置折流板安裝位置與長度（表1、2）。

通過參數化掃描計算得到折流板處于不同位置和長度時域探針（域探針位置設置在加熱介質出口處）處的溫度表及對應曲線示意圖（圖4、5）。由結果圖可以看出，應用于BZYJR-7型燃油加熱器的折流板最佳安裝位置（直徑）應為0.34m，長度應為1.86m。

圖4?不同折流板位置下探針溫曲線度圖

圖5?不同折流板長度下探針溫曲線度圖

2現場實裝及測試

考慮到工業電壓為380V，為了使電壓均勻分配，我們設計使用3組每組4根加熱電阻絲的規格進行實裝（圖6），加裝全部熱阻后，按照模擬結果的尺寸制作折流板并焊接（圖7），與內部熱阻共同形成加熱室，最后再安裝外部殼體并完成接線。

圖6?加裝熱阻???????????????????????????圖7?焊接折流板

將組裝完畢的新型電加熱器通過打壓試驗合格后，投入運行試用。對新型電加熱器出、入口介質溫度和加熱器電流測試。測試方法如下，將傳統電加熱器與新型電加熱器并聯在供油流程中，使被測試的兩種電加熱器處于同等測試條件下（圖8），通過測試新舊兩種電加熱運行中的電流及出、入口溫升得出對比結果如下所示（表3）（圖9）。

圖8?新、舊兩型加熱器測試接線圖

3結論

原有電加熱器工作電流為38A，而新改進的電加熱器在相同工作環境中的工作電流僅28A。考慮到爐前油溫達到101℃時即滿足要求，因此，記錄溫度達到101℃的時間為21分鐘，而同樣時間下，舊型燃油加熱器的油溫僅為96℃，且隨時間增加熱效率持續降低，繼續加熱使其達到101℃所需時間達到26分鐘。計算可得，溫升效率提高約25%，按照大功率用電價格計算，單臺加熱器每年節約成本超1.5萬元。因此，結果表明結構優化后的燃油加熱器完全符合初始所設定的各項目標值。

作者簡介：黃琪（1992—），男，碩士研究生，石油與天然氣工程領域，油氣田開發方向.