井場(chǎng)原油在線重力熱管電磁加熱裝置的研究及應(yīng)用

高寶元

(1. 中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司 鉆采工程技術(shù)研究院,陜西 西安710018;2. 低滲透油氣田勘探開發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安710018)

隨著地層溫度變化和原油生產(chǎn)過(guò)程中系統(tǒng)壓力降低,石油中的石蠟會(huì)從油井及地面輸油管路的原油中按相對(duì)分子質(zhì)量的大小順序析出,繼而沉積粘結(jié)在油管內(nèi)壁上,減小了油管內(nèi)徑,降低了產(chǎn)油及輸油量,嚴(yán)重時(shí)還會(huì)堵塞油管,造成停井檢修,增加生產(chǎn)成本。目前,通過(guò)井場(chǎng)燃燒伴生氣加熱爐、燃煤加熱爐、伴熱帶和各種電熱管給井口輸出的原油加熱,加熱到一定溫度后再輸送。然而,現(xiàn)在大部分井場(chǎng)已經(jīng)沒(méi)有伴生氣,燃?xì)饧訜釥t已經(jīng)停用;采用燃煤加熱爐不但污染環(huán)境,加熱成本較高,而且加熱效果差,地方環(huán)保部門已要求停止使用;采用伴熱帶和各種電熱管加熱,伴熱帶熱效率低、埋地部分損壞后維修困難,經(jīng)常需要開挖大量土方[1]。

因此,亟需開展井場(chǎng)原油在線重力熱管電磁加熱裝置研究,代替?zhèn)鹘y(tǒng)的燃?xì)饧訜釥t、燃煤加熱爐、伴熱帶和各種電熱管給井口原油加熱的方式,用于解決或緩解上述問(wèn)題[2]。

1 裝置構(gòu)成

井場(chǎng)原油在線重力熱管電磁加熱裝置包括: 儲(chǔ)油桶、重力熱管、電磁加熱器和在線監(jiān)控柜[3],該加熱裝置組成如圖1所示。

圖1 井場(chǎng)原油在線重力熱管電磁加熱裝置組成示意

1.1 儲(chǔ)油罐

儲(chǔ)油桶的桶壁內(nèi)為中空結(jié)構(gòu),內(nèi)部填充隔熱材料制成的隔熱層,可減少桶壁向外散熱,減少原油溫度的流失[4]。

1.2 重力熱管

重力熱管包括管殼和毛細(xì)管筒,管殼內(nèi)裝有換熱介質(zhì),毛細(xì)管筒的中部具有蒸發(fā)通道,其余部位呈毛細(xì)管結(jié)構(gòu),毛細(xì)管筒設(shè)置于管殼中部的內(nèi)側(cè)壁上。重力熱管的管殼由2層鋼管構(gòu)成,2層鋼管之間被抽成真空,在該狀態(tài)下充入適量換熱介質(zhì),重力熱管分為蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段三部分,在重力熱管內(nèi)部的下端加熱,換熱介質(zhì)吸收熱量氣化,在微小的壓差下,通過(guò)蒸發(fā)通道上升到重力熱管內(nèi)部的上端,并向外界放出熱量,凝結(jié)為液體。冷凝液在重力以及毛細(xì)管的作用下,沿重力熱管內(nèi)壁和毛細(xì)管孔返回到蒸發(fā)段,并再次受熱氣化通過(guò)蒸發(fā)通道上升到重力熱管內(nèi)部的上端,如此循環(huán)往復(fù),連續(xù)不斷的將熱量由一端傳向另一端,由于是相變傳熱,因此重力熱管內(nèi)熱阻很小[5]。

1.3 電磁加熱器

電磁加熱器包括電磁軟磁鐵和電磁線圈,電磁線圈纏繞在電磁軟磁鐵的下部,與在線監(jiān)控柜電連接。在線監(jiān)控柜可通過(guò)變頻電路為電磁加熱器供電,電磁線圈發(fā)射電磁波,電磁波與重力熱管的管壁不斷產(chǎn)生感應(yīng)電流,使重力熱管的管壁發(fā)熱,為儲(chǔ)油桶內(nèi)的原油加熱。通過(guò)進(jìn)口和出口溫度傳感器檢測(cè)儲(chǔ)油桶的輸入管和輸出管中的原油溫度,當(dāng)輸出管中的原油溫度過(guò)低時(shí),提高電磁加熱裝置的加熱功率,當(dāng)輸出管中的原油溫度過(guò)高時(shí),可降低電磁加熱器的加熱功率,甚至關(guān)停電磁加熱器工作。

1.4 在線監(jiān)控柜

在線監(jiān)控柜主要由功率驅(qū)動(dòng)單元、中心控制單元和供電控制單元組成[6]。

1)功率驅(qū)動(dòng)單元。該單元與加熱線圈是設(shè)備能量轉(zhuǎn)換關(guān)鍵部分,不同功率的電磁加熱器的電磁線圈與功率驅(qū)動(dòng)單元有所不同。

2)中心控制單元。帶有雙路溫度采集和控制、雙路報(bào)警輸出與通信接口輸出,該控制單元能夠檢測(cè)加熱管道的出入口溫度,控制加熱管道內(nèi)溫度運(yùn)行在設(shè)定范圍內(nèi),當(dāng)溫度高于上限報(bào)警溫度時(shí),設(shè)備自動(dòng)上報(bào)和控制輸出。

3)供電控制單元。通過(guò)變頻器,利用弱電控制強(qiáng)電,采用軟啟動(dòng)和軟關(guān)斷,保證運(yùn)行平穩(wěn)。

在線監(jiān)控柜功率可變,根據(jù)季節(jié)采用不同檔位控制。夏天將功率調(diào)到最小檔位,達(dá)到設(shè)備節(jié)能目的;冬天將功率調(diào)到最大檔位,使原油溫度加熱到輸送要求。該監(jiān)控柜輸出4～20 mA信號(hào),通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字化遠(yuǎn)程控制終端(RTU)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能[7]。

2 裝置的使用方法

該加熱裝置電壓為380 V,頻率為50 Hz,功率為25～40 kW,連接方式采用法蘭連接,連接管道直徑范圍為DN50～DN125,最大承載壓力為10 MPa,可采用自動(dòng)控溫方式,加熱頻率為0.05～20 kHz。

該加熱裝置的使用步驟如下:

1)安裝。先將儲(chǔ)油桶的輸入管與油井的井口連接,將儲(chǔ)油桶的輸出管與輸油管路相連接;然后將在線監(jiān)控柜的輸入端與進(jìn)口溫度傳感器電連接,輸出端與電磁加熱裝置電連接,啟動(dòng)抽油機(jī)油井,油井原油從儲(chǔ)油桶的輸入管流入,從輸出管流出。

2)加熱。通過(guò)在線監(jiān)控柜控制電磁加熱裝置對(duì)儲(chǔ)油桶內(nèi)的重力熱管加熱,并在在線監(jiān)控柜中設(shè)置上限溫度和下限溫度[8]。

3)運(yùn)行。在線監(jiān)控柜通過(guò)獲取到的出口溫度信號(hào)控制電磁加熱裝置,當(dāng)出口溫度升高至設(shè)計(jì)上限溫度時(shí),在線監(jiān)控柜切斷電磁加熱裝置的供電;當(dāng)出口溫度降低至下限溫度時(shí),電磁加熱裝置開始加熱。在線監(jiān)控柜內(nèi)可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)4～20 mA溫度信號(hào)輸出,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)RTU實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能,并配備現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)低溫、高溫報(bào)警功能[9]。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2022年8月,該加熱裝置在某采油廠6個(gè)作業(yè)區(qū)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,代替了現(xiàn)有的燃?xì)饧訜釥t、燃煤加熱爐、伴熱帶和各種電熱管的加熱方式,采用無(wú)熱源內(nèi)加熱的方式。應(yīng)用表明,該加熱裝置具有熱效率高、安全、環(huán)保、節(jié)能等優(yōu)勢(shì),解決了傳統(tǒng)電加熱熱效率低、易損壞、維修困難的缺點(diǎn)[10]。開機(jī)1 min后原油溫度就可達(dá)到設(shè)定溫度90 ℃,在同等條件下,比伴熱帶加熱和各種電熱管加熱方式節(jié)能30%以上,預(yù)熱時(shí)間縮短約50%。安裝前輸油管線壓力為3～4 MPa,安裝后壓力降低為1～2 MPa,可將抽油機(jī)最大載荷降低5%左右,油井免修期可延長(zhǎng)50 d以上,起到了較好的清防蠟效果;同時(shí)沒(méi)有發(fā)生蠟卡、桿斷現(xiàn)象,檢泵周期也相對(duì)延長(zhǎng)[11]。

4 結(jié)束語(yǔ)

該加熱裝置通過(guò)電磁加熱重力熱管內(nèi)的換熱介質(zhì),使換熱介質(zhì)在重力熱管內(nèi)發(fā)生循環(huán)相變,將熱量釋放到儲(chǔ)油桶內(nèi),換熱介質(zhì)導(dǎo)熱率高,導(dǎo)熱系數(shù)大,原油加熱效率高。由于是電磁加熱,不存在漏電等安全隱患和溫度過(guò)高的可能性,該加熱裝置給井場(chǎng)原油加熱的運(yùn)行成本在一定條件下低于燃?xì)饧訜釥t、燃煤加熱爐、伴熱帶和各種電熱管的加熱方式[12]。

該加熱裝置還具有以下特點(diǎn):

1)高效節(jié)能。應(yīng)用電磁感應(yīng)原理將電能轉(zhuǎn)換為熱能,提高了電能熱效率,該加熱裝置開機(jī)1 min可使金屬管筒內(nèi)的原油溫度達(dá)到90 ℃。

2)降低費(fèi)用。該加熱裝置采用重力熱管內(nèi)加熱,本身不會(huì)產(chǎn)生熱量,使用壽命長(zhǎng)。

3)改善環(huán)境。由于該加熱裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,安裝方便,對(duì)地層無(wú)污染,屬于綠色、清潔型加熱技術(shù),達(dá)到很好的環(huán)保效果,所以經(jīng)濟(jì)效益顯著,具有推廣應(yīng)用價(jià)值[13]。

4)操作方便。該加熱裝置安裝后接通電源即可,當(dāng)溫度升高到設(shè)計(jì)上限溫度時(shí)加熱器自動(dòng)停機(jī);當(dāng)溫度降低到設(shè)計(jì)下限溫度時(shí)加熱器自動(dòng)開機(jī)。

5)安全可靠。在輸入管的端口處設(shè)置進(jìn)口溫度傳感器,在輸出管的端口處設(shè)置出口溫度傳感器,具有自動(dòng)控溫功能安全可靠。