導(dǎo)熱油與電熱風(fēng)在石油儀器地層溫壓模擬試驗裝置上的應(yīng)用比較

張蔚紅，宮娜娜，李 琨

(1.陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712000；2.中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司長慶井下技術(shù)作業(yè)公司，陜西 西安 710021；3.西安電爐研究所有限公司，陜西 西安 710061)

在石油儀器和井下作業(yè)工具研發(fā)制造過程中，能否適應(yīng)不同地層深度的耐溫耐壓指標(biāo)，是評價井下儀器技術(shù)水平、工作情況、儀器價格因素的重要依據(jù)。常見的聲波、變密度、電極系、超聲成像、多極陣列聲波、磁定位等測井儀器，馬龍頭、旋轉(zhuǎn)與柔性短節(jié)、偏心器、導(dǎo)向膠錐等井下作業(yè)工具，這類儀器工具的耐溫耐壓性能必須進(jìn)行技術(shù)和質(zhì)量檢測試驗，這也是石油勘探儀器研發(fā)制造的基本環(huán)境測試要求之一。

通過高溫高壓測試試驗，可進(jìn)行材料強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)設(shè)計論證，儀器工作性能的可靠性與穩(wěn)定性測試，對研發(fā)產(chǎn)品的高精度、高可靠、高效率特性驗證，為產(chǎn)品批量生產(chǎn)質(zhì)量的穩(wěn)定性做產(chǎn)品過程控制監(jiān)控。測井儀器的高溫高壓模擬試驗裝置加熱與換熱系統(tǒng)，目前行業(yè)內(nèi)大多采用導(dǎo)熱油和電熱風(fēng)方式，包括國外技術(shù)領(lǐng)先的哈里伯頓、貝克休斯、斯倫貝謝三大石油技術(shù)服務(wù)公司在內(nèi)的，國內(nèi)外同類裝置大多數(shù)以采用導(dǎo)熱油換熱方式為主。2013年，中石油某測井公司在廣泛調(diào)研和充分論證基礎(chǔ)上，針對導(dǎo)熱油換熱方式存在換熱效率低、安全隱患多、環(huán)保性能差的缺點，采用電熱風(fēng)對傳統(tǒng)導(dǎo)熱油換熱方式實施技術(shù)革新，經(jīng)過反復(fù)實驗和設(shè)計優(yōu)化改進(jìn)，研發(fā)試驗成功并正式投入使用，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果良好[1-3]。

本文在介紹高溫高壓模擬試驗裝置的功能與組成的基礎(chǔ)上，分別對導(dǎo)熱油與電熱風(fēng)兩種加熱方式，從加熱原理、設(shè)備組成、建設(shè)投資、運(yùn)維管理、應(yīng)用效果等方面進(jìn)行對比分析。電熱風(fēng)相比導(dǎo)熱油換熱方式在安全、環(huán)保、節(jié)能方面技術(shù)優(yōu)勢明顯，主要體現(xiàn)在：換熱效率高，試驗周期短，節(jié)能效果明顯；維護(hù)簡單方便，運(yùn)行管理成本低；設(shè)備組成簡單，一次投資小，安全隱患少；無污染，無泄漏，環(huán)保性能好；空氣常壓換熱，運(yùn)行穩(wěn)定安全；使用操作簡單，勞動強(qiáng)度小；占地面積減小，空間利用率高；控制精度高，試驗數(shù)據(jù)可信度高。電熱風(fēng)替代導(dǎo)熱油換熱技術(shù)，由于去除導(dǎo)熱油循環(huán)加熱介質(zhì)，避免試驗過程中環(huán)境污染和易燃易爆的安全隱患，降低試驗現(xiàn)場防爆等級要求[4]。電熱風(fēng)替代導(dǎo)熱油換熱技術(shù)，具有節(jié)能高效、安全環(huán)保、運(yùn)行可靠的優(yōu)點。

1 高溫高壓模擬實驗裝置原理組成

1.1 高溫高壓試驗裝置功能要求

試驗用高溫高壓模擬實驗裝置，用來模擬類似地層環(huán)境的溫度、壓力等參數(shù)，對工作于類似地層環(huán)境的井下工具、儀器性能進(jìn)行耐溫耐壓性能檢測試驗，主要由超高壓容器、升降溫系統(tǒng)、加壓卸壓系統(tǒng)、電氣儀表測控系統(tǒng)組成，除此之外還包括視頻監(jiān)控系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、空氣壓縮系統(tǒng)等。

模擬試驗裝置一般具有全自動和手動兩種模式，能獨立工作或聯(lián)合工作實現(xiàn)以下試驗任務(wù)：①單升溫；②單升壓；③聯(lián)合升溫升壓；④聯(lián)合降濕降壓；⑤單降溫；⑥單降壓；⑦目標(biāo)值與實際值的誤差比較。試驗控制系統(tǒng)應(yīng)準(zhǔn)確顯示關(guān)鍵部位的參數(shù)并具有超載或異常報警功能和防止誤操作功能，達(dá)到危險壓力時自動泄壓。壓力、溫度傳感器工作異常，自動停止加溫加壓，能夠在緊急情況下能進(jìn)行人工干預(yù)。

主要設(shè)計與運(yùn)行指標(biāo)：

(1)額定工作壓力/MPa：200；

(2)額定工作溫度/℃：250；

(3)恒溫恒壓過程中溫度上下波動/℃：≤5；

(4)恒溫恒壓過程中壓力波動/MPa：≤2；

(5)釜體內(nèi)徑/mm：210左右；

(6)釜體有效長度/m：10左右；

(7)升溫速率/℃·min-1：≥1.0。

1.2 超高壓容器(高壓釜體)

超高壓容器是高溫高壓試驗裝置的核心部件，采用鍛件制造的厚壁釜體，懸掛式支承，上端部位于地面，筒體置于深基坑，以確保工作時的安全。上端部設(shè)計快開結(jié)構(gòu)，橡膠O形圈密封，旋轉(zhuǎn)壓緊螺母就能打開封閉超高壓容器。超高壓筒體的常溫試驗條件為：最大工作壓力為200 MPa，由超壓控制系統(tǒng)實現(xiàn)升壓、保壓和泄壓。高溫高壓試驗條件為：最高工作溫度280 ℃，最高壓力250 MPa。采用電熱風(fēng)加熱方式時，空氣傳熱響應(yīng)速度快，需要對換熱過程溫度變化引起超高壓筒體內(nèi)外溫差應(yīng)力，以及與內(nèi)壓施加釜壁承受的主應(yīng)力疊加后的當(dāng)量應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行校核，杜絕出現(xiàn)組合應(yīng)力超過筒壁材料的當(dāng)量應(yīng)力的危險工況。圖1分別為電熱風(fēng)和導(dǎo)熱油配套的超高壓容器示意圖。

圖1 超高壓容器示意圖

1.3 超高壓與空氣壓縮系統(tǒng)

超高壓系統(tǒng)用來實現(xiàn)加壓和卸壓功能。試驗裝置加壓，通過超高壓泵向超高壓容器注入液體來實現(xiàn)，卸壓則通過開啟卸壓閥門將液體排出而達(dá)到卸壓的目的。超高壓系統(tǒng)包含可遠(yuǎn)程控制的氣動閥門和手動操控的閥門，在緊急狀況下能夠?qū)崿F(xiàn)自動或手動操作，并關(guān)閉閥門。超高壓系統(tǒng)中設(shè)置爆破膜裝置，以確保整個裝置的安全。

空氣壓縮系統(tǒng)可給超高壓系統(tǒng)中的超高壓氣動閥提供工作氣源，并實現(xiàn)在控制室中對其實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的功能。超高壓氣動閥的開關(guān)的控制是通過電磁閥來實現(xiàn)。卸壓大小有控制臺自動卸壓控制開關(guān)來實現(xiàn)。當(dāng)該閥遠(yuǎn)操出現(xiàn)故障時，可通過手動高壓閥來卸壓。

1.4 加熱循環(huán)系統(tǒng)

1.4.1 導(dǎo)熱油加熱循環(huán)系統(tǒng)

導(dǎo)熱油閉式循環(huán)系統(tǒng)是指與大氣隔絕的導(dǎo)熱油供熱系統(tǒng)。目前，有兩種導(dǎo)熱油閉式循環(huán)系統(tǒng)。一種是利用惰性氣體阻隔空氣的導(dǎo)熱油閉式循環(huán)系統(tǒng)，當(dāng)導(dǎo)熱油受熱膨脹或低沸物氣化后，自動排放調(diào)節(jié)閥會在膨脹槽內(nèi)的壓力增至設(shè)定的最高壓力時自動向外排氣，排氣至合適壓力后關(guān)閉，確保系統(tǒng)安全。另一種是利用冷油液封裝置阻隔大氣的導(dǎo)熱油閉式循環(huán)系統(tǒng)，通過對膨脹槽及儲油槽進(jìn)行簡單的改裝，將膨脹槽的排空口加裝管道活節(jié)延長后，插入有一定液位的冷油罐中，同時將連接膨脹槽和儲油槽的溢流管插入有一定液位的儲油槽中，避免空氣與高溫有機(jī)熱載體接觸。

導(dǎo)熱油加熱循環(huán)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)升溫和降溫功能，包括加熱回路和冷卻回路二個部分，回路的轉(zhuǎn)換是通過電動三通閥的切換來實現(xiàn)。導(dǎo)熱油在系統(tǒng)中的流動是依靠循環(huán)油泵來實現(xiàn)的。電加熱器分成4組加熱導(dǎo)熱油，當(dāng)超高壓容器內(nèi)的溫度達(dá)到設(shè)定值時，關(guān)閉3組電加熱器，保留1組作為超高壓容器的保溫?zé)嵩础．?dāng)需要給超高壓容器降溫時，關(guān)閉4組電加熱器，通過電動三通將導(dǎo)熱油切換至導(dǎo)熱油冷卻器再進(jìn)入超高壓容器和預(yù)熱筒體夾套。圖2為導(dǎo)熱油加熱原理及組成系統(tǒng)圖。

圖2 導(dǎo)熱油加熱原理及組成系統(tǒng)圖

1.4.2 電熱風(fēng)加熱循環(huán)系統(tǒng)

電熱風(fēng)加熱系統(tǒng)實現(xiàn)升溫和降溫，通過在釜外設(shè)導(dǎo)流筒，筒外設(shè)環(huán)狀加熱帶和保溫筒，也包括加熱回路和冷卻回路兩部分，回路的轉(zhuǎn)換是通過電動閥的切換來實現(xiàn)的。電熱風(fēng)在系統(tǒng)中的流動是依靠45 kW變頻風(fēng)機(jī)使熱量通過導(dǎo)流筒對釜體進(jìn)行循環(huán)，實現(xiàn)加熱和降溫的。電加熱帶總功率約180 kW，可分成2～3組來控制加熱導(dǎo)流筒內(nèi)空氣大流量循環(huán)，通過釜內(nèi)釜外溫度串級控制方式實現(xiàn)超高壓容器試驗介質(zhì)溫度的恒定。空氣循環(huán)時的風(fēng)壓約1 200 Pa、風(fēng)量約14 000 m3/h。

熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)由離心變頻風(fēng)機(jī)、熱風(fēng)單向閥、冷風(fēng)單向閥、變頻裝置、頻率控制裝置、風(fēng)量傳感器、管道等組成，加熱和降溫過程中適時提供循環(huán)風(fēng)，通過控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)風(fēng)量和風(fēng)速的大小，實現(xiàn)按程序曲線加熱和降溫的試驗要求。圖3為電熱風(fēng)加熱原理及組成示意圖。

圖3 電熱風(fēng)加熱原理及組成示意圖

1.5 循環(huán)冷卻系統(tǒng)

導(dǎo)熱油方式：冷卻水系統(tǒng)可將導(dǎo)熱油從試驗容器夾套內(nèi)帶出的熱量，通過導(dǎo)熱油冷卻器和冷卻塔傳遞到大氣中，整個系統(tǒng)采用閉式循環(huán)，以達(dá)到節(jié)約水的目的。

電熱風(fēng)方式：冷風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)通過與外界空氣置換，將試驗容器內(nèi)的熱量快速帶出。當(dāng)需要給超高壓容器降溫時，切換、調(diào)節(jié)電動閥門，將冷空氣與熱空氣置換循環(huán)，逐漸實現(xiàn)降溫。風(fēng)機(jī)出風(fēng)口與外風(fēng)道聯(lián)通，冷風(fēng)進(jìn)風(fēng)口和熱風(fēng)抽風(fēng)口均設(shè)置在室外，便于換熱。

1.6 電氣控制與監(jiān)測系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)主要由配電柜、控制臺、儀表柜、操作臺、電視監(jiān)視器、流程顯示屏、溫度壓力傳感器、現(xiàn)場設(shè)備控制箱以及監(jiān)控軟件等部分組成，實現(xiàn)試驗裝置運(yùn)行安全保護(hù)、回路參數(shù)的監(jiān)測、試驗參數(shù)的設(shè)定和控制等功能。數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)采用微機(jī)化集散型控制方式，裝置各部分的控制由相應(yīng)的控制單元獨立完成，各工作站間通過通訊網(wǎng)絡(luò)傳遞各種信息協(xié)調(diào)工作，以完成控制系統(tǒng)的總體功能，包括壓力、溫度、超限報警及安全保護(hù)，優(yōu)化處理和實時歷史數(shù)據(jù)記錄等功能。

2 電熱風(fēng)與導(dǎo)熱油技術(shù)經(jīng)濟(jì)對比分析

2.1 換熱效率與試驗周期

在同等試驗條件下，進(jìn)行對比分析：溫度：50 ℃→250 ℃→90 ℃；壓力：0 MPa→200 MPa→0 MPa。導(dǎo)熱油方式：升溫9 h，降溫4 h，共13 h，一次試驗需要1個工作日并加班才能完成；電熱風(fēng)方式：升溫4.5 h，降溫3.5 h，共8 h，一次試驗優(yōu)化后可在1個工作日完成。通過優(yōu)化試驗操作流程，電熱風(fēng)高溫模擬裝置可配合高壓系統(tǒng)可在8 h內(nèi)完成高溫高壓聯(lián)合模擬試驗，與傳統(tǒng)的導(dǎo)熱油加熱過程相比，175 ℃、140 MPa的常規(guī)試驗周期縮短近1/3，傳熱換熱效率高、試驗周期短技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢明顯。

2.2 設(shè)備組成與投運(yùn)成本

導(dǎo)熱油升降溫系統(tǒng)：升溫、降溫功能獨立實現(xiàn)，降溫需要獨立冷卻水系統(tǒng)。升降溫系統(tǒng)設(shè)備包含電加熱油罐、不銹鋼高溫油泵、儲油罐、不銹鋼油氣平衡罐、不銹鋼釜體加熱罐、不銹鋼導(dǎo)熱夾套、管超高壓換熱器、不銹鋼旋板換熱器、不銹鋼水箱、高溫電動閥門、高溫手動閥門、不銹鋼輸油管及法蘭等12類。

電熱風(fēng)升降溫系統(tǒng)：升溫、降溫功能通過冷熱電動閥門切換實現(xiàn)，升溫降溫均由循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)實現(xiàn)。升降溫系統(tǒng)主要設(shè)備僅有風(fēng)加熱電爐、高溫風(fēng)機(jī)、高溫電動閥門、各類保溫材料等5類。

電熱風(fēng)相比導(dǎo)熱油，系統(tǒng)組成簡單具有安全隱患少，初次投資小，占地面積小，操作簡單可靠，維護(hù)檢修少，運(yùn)營管理成本小的技術(shù)優(yōu)勢。

2.3 運(yùn)行維護(hù)與檢修更新

導(dǎo)熱油方式：油、水、電管路線路連接接口多，拆裝麻煩，釜體檢修需吊車，將釜體及預(yù)熱筒體一起提出進(jìn)行檢修；檢修保養(yǎng)周期一般要15天左右。U型全浸式電加熱器長期浸泡在導(dǎo)熱油中，隨冷熱交替變換已損壞，不能隨時更換，必須進(jìn)行大修更換。

電熱風(fēng)方式：釜體檢修時，拆開各引電極連接電纜和各加熱段連接螺栓，只需用3T行吊將電加熱筒分段提出，在井下即可對釜體進(jìn)行檢修，一般要3～5天，維修簡便。發(fā)熱體采用分區(qū)分組方式設(shè)計，電阻發(fā)熱體采用鎳鉻電阻帶，表面負(fù)荷高，可靠耐用，若斷裂可進(jìn)行幫條焊接。

2.4 節(jié)能效果與試驗效率

導(dǎo)熱油方式：導(dǎo)熱油采用4組電加熱器，設(shè)計功率196 kW，冷卻系統(tǒng)30 kW，保溫層140 mm，導(dǎo)熱油蓄熱量大，對流效果差，降溫慢，一次試驗周期13 h。

電熱風(fēng)方式：電熱風(fēng)加熱分2區(qū)6組，設(shè)計功率180 kW，循環(huán)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)45 kW，均勻圍繞超高壓釜體布置，通過高速大風(fēng)量強(qiáng)對流換熱，保溫層采用90 mm纖維毯，熱對流效果好，爐內(nèi)蓄熱量小，降溫速度快，一次試驗周期8 h。整體節(jié)能相比達(dá)到30%以上，節(jié)能效果明顯，生產(chǎn)效率高。

2.5 安全環(huán)保與先進(jìn)可靠

導(dǎo)熱油方式：導(dǎo)熱油采用4組電加熱器，采用開關(guān)控制方式，控制策略簡單，導(dǎo)熱油溫度系統(tǒng)滯后性大，溫度容易過沖，超調(diào)量大，保溫階段溫度偏差大于2 ℃。

電熱風(fēng)方式：電熱風(fēng)加熱分別測量釜內(nèi)、釜壁、爐膛溫度，采用串級跟蹤保護(hù)控制策略，充分考慮壓力溫度耦合因素，強(qiáng)對流換熱溫度反應(yīng)快，保溫階段使試驗介質(zhì)控溫偏差小于1 ℃，溫度控制精度0.5 ℃，升降溫能耗降低30%以上。

通過對比分析，顯而易見，電熱風(fēng)方式控制精度高，試驗可信度高，空氣常壓換熱，運(yùn)行穩(wěn)定安全。整體操作簡單方便，無污染無泄漏，安全環(huán)保性能好，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

3 電熱風(fēng)實施的技術(shù)難點

3.1 高溫高壓釜體的安全

電熱風(fēng)高壓試驗裝置以空氣為換熱介質(zhì)，采用外熱式電阻空氣熱風(fēng)爐，給超高壓釜體加熱，通過釜壁換熱和厚壁釜傳導(dǎo)傳熱的方式，加熱釜內(nèi)的試驗介質(zhì)。這種方式換熱效率高，但在升降溫開始或切換階段，容易出現(xiàn)釜體內(nèi)外溫差峰值區(qū)域，產(chǎn)生的溫差應(yīng)力對高壓筒體造成不利，這種驟熱驟冷的溫差峰值區(qū)域必須在操作工藝得到控制和改進(jìn)。

高壓釜體內(nèi)外短時溫差不超過150 ℃，加熱過程中釜體內(nèi)外溫度控制，既要保證釜體安全，又要快速穩(wěn)定地保證釜內(nèi)達(dá)到試驗?zāi)繕?biāo)溫度，成為高溫超高壓試驗裝置的溫度壓力控制難題。若通過人為干預(yù)控制模式，經(jīng)常會因時機(jī)不恰當(dāng)、力度不合適等因素，造成控制誤差大、加熱時間長、操作失誤多等問題，影響高溫高壓聯(lián)合試驗順利進(jìn)行。經(jīng)過多次摸索實踐總結(jié)，采用溫度跟蹤保護(hù)控制的方法，可在保證釜體安全的前提下，根據(jù)釜內(nèi)試驗?zāi)繕?biāo)溫度自動調(diào)節(jié)加熱電源功率調(diào)整裝置的輸出功率，以最快速度按照試驗要求對釜內(nèi)試驗介質(zhì)溫度進(jìn)行精確控制，完成高溫高壓試驗[5]。

3.2 高溫高壓試驗規(guī)程的動態(tài)調(diào)整

空氣傳熱響應(yīng)速度快，需要對換熱過程溫度變化引起超高壓筒體內(nèi)外溫差應(yīng)力，以及與內(nèi)壓施加釜壁承受的主應(yīng)力疊加后的當(dāng)量應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行校核。校核計算旨在判定當(dāng)在高溫高壓試驗過程中，筒體內(nèi)壁存在的各項應(yīng)力值是否使筒壁處在危險應(yīng)力狀態(tài)，并使當(dāng)量應(yīng)力值限制在最大應(yīng)變能理論允許應(yīng)力值的合理性范圍內(nèi)，對筒體外壁打孔、試驗升降溫速度控制、釜體內(nèi)外溫差合理控制和工作制度設(shè)計提出理論依據(jù)。

當(dāng)因高溫高壓試驗需要超過允許數(shù)值時，須對試驗要求條件對筒體進(jìn)行綜合應(yīng)力強(qiáng)度校核[6]。在不超過允許當(dāng)量應(yīng)力的前提下，采取必要的安全措施。在具體操作實踐中，可以根據(jù)具體試驗條件，包括季節(jié)、室溫、試驗儀器、容積量等，設(shè)計升降溫速度、溫差控制、保溫保壓時間等高溫高壓試驗工藝。主要試驗工藝技術(shù)要求如下：

1)試驗工藝周期設(shè)計

在加熱加壓系統(tǒng)達(dá)到運(yùn)行穩(wěn)定后，完成一次升溫降溫試驗周期不大于8 h，一次試驗周期為：高壓釜內(nèi)水介質(zhì)由20 ℃升溫至試驗溫度，最高不超過250 ℃，保溫保壓30 min后，然后再從試驗溫度降至90 ℃左右的安全溫度。

2)應(yīng)力對溫度控制要求

從計算分析和實際操作看出，溫差引起的熱應(yīng)力對超高壓筒體強(qiáng)度不利的安全影響必須重視。在試驗加溫初始階段，按照工藝曲線緩慢提高升溫速度，避免驟熱溫差峰值出現(xiàn)。試驗降溫開始階段，逐步提高降溫循環(huán)風(fēng)量，避免出現(xiàn)驟冷溫差峰值。

高壓釜體外表面最高溫度不大于300 ℃；高壓釜外表面上下溫差不大于20 ℃；高壓釜內(nèi)部的壓力超過100 MPa時，超高壓容器內(nèi)外壁溫差不大于60 ℃。

4 結(jié) 論

本文在介紹高溫高壓模擬試驗裝置的功能與組成的基礎(chǔ)上，分別對導(dǎo)熱油與電熱風(fēng)兩種加熱方式從加熱原理、設(shè)備組成、建設(shè)投資、運(yùn)維管理、應(yīng)用效果等方面進(jìn)行對比分析。整體而言，電熱風(fēng)替代導(dǎo)熱油換熱方式具有安全、環(huán)保、節(jié)能、高效、先進(jìn)的技術(shù)優(yōu)勢，符合產(chǎn)業(yè)發(fā)展的要求和發(fā)展趨勢。熱風(fēng)替代熱油技術(shù)，為石油儀器開發(fā)和井下工具質(zhì)量檢驗和科技研發(fā)提供了新手段，在石油、煤炭、航天、兵器等高溫高壓模擬測試領(lǐng)域，具有廣泛的推廣應(yīng)用價值。