劉忠能 （西南石油大學研究生部，四川 成都610500）

鐘海全，李穎川 （“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點實驗室·西南石油大學，四川 成都610500）

朱 國 （西南石油大學研究生部，四川 成都610500）

隨著常規(guī)油氣資源的日益枯竭，稠油開采量日趨增大，加強稠油實驗工作已經(jīng)迫在眉睫[1，2]。開展稠油管流實驗，對于改進舉升工藝，指導稠油開采，提高經(jīng)濟效益具有重要的意義。現(xiàn)有的實驗架一般只能開展氣、水兩相管流實驗，缺少加熱保溫功能。為了進行稠油實驗，需對其進行改進。石油工業(yè)中，對油氣管路進行加熱或保溫時，電加熱方案得到廣泛的應用[3～5]。筆者依據(jù)現(xiàn)有的研究條件，為稠油實驗架設計了電纜加熱和電熱蒸汽兩套電加熱方案。通過工程造價、操作費用及優(yōu)缺點的比較，推薦了最佳的加熱保溫方案。

1 研究條件

實驗架高度為25m，采用內(nèi)徑50mm，外徑60mm無縫耐壓不銹鋼管進行垂直多相管流實驗。流動回路采用閉式循環(huán)，要求稠油的最高溫度達到80℃。油罐為外徑1.6m，長3m，壁厚6mm的不銹鋼碳鋼 （C≈0.5%）油罐。鋼材相關(guān)熱力參數(shù)：比熱容cG＝465J/（kg·℃）；密度ρG＝7840kg/m3；導熱系數(shù)λ＝50W/（m·℃）。稠油實驗架系統(tǒng)要求對實驗架和儲油罐加熱保溫。

2 電纜加熱方案

2.1 方案選材

該方案中的加熱保溫材料的主要性能參數(shù)見表1、2。

表1 MI礦物絕緣加熱電纜參數(shù)

2.2 方案設計

油罐及實驗架上使用電纜的功率分別為40W/m和100W/m，纏繞密度均為25圈/m。將MI電纜纏繞在油罐和鋼管壁面，用膠帶固定。然后用KHJN－600型導熱膠泥填充電纜之間的空隙，油罐壁、鋼管壁與保溫層之間均形成厚度為0.6cm環(huán)形空間。根據(jù)保溫層經(jīng)濟厚度的計算方法[6～8]，得出油罐及實驗架上聚氨酯泡沫塑料保溫材料的經(jīng)濟厚度分別為11.0cm和1.4cm。

表2 保溫材料與導熱膠泥主要技術(shù)參數(shù)

由油罐和實驗架的幾何尺寸及MI電纜的纏繞方式，可得出油罐和實驗架加熱保溫耗材及電纜長度與加熱功率，結(jié)果如表3所示。

表3 電纜加熱方案器材用量及加熱功率

2.3 加熱時間預測模型

稠油的加熱分兩步：①靜態(tài)加熱稠油至一定溫度（設定該值為TZ），使其具備足夠的流動性；②循環(huán)加熱至最終要求溫度。保溫層的傳熱視為穩(wěn)定過程。由于兩個加熱過程的加熱功率恒定不變且稠油的比熱容隨溫度變化較小，保溫層內(nèi)邊界溫度可視為線性上升。

靜態(tài)加熱：罐內(nèi)稠油吸熱量、儲油罐鋼材吸熱及保溫層散熱量之和與油罐電加熱產(chǎn)生的熱量平衡，故所需加熱時間t1：

循環(huán)加熱：罐內(nèi)稠油吸熱量、儲油罐及實驗架鋼材吸熱及保溫層散熱量之和與油罐及實驗架電加熱產(chǎn)生的熱量平衡，所需時間t2：

式中，Vo、VG1、VG2分別為油罐中加熱稠油體積、油罐鋼材體積、實驗架鋼材體積，m3；co、cG分別為原油的比熱容、油罐鋼材的比熱容，J/（kg·℃）；ρo、ρG分別為原油的密度、油罐鋼材的密度，kg/m3；TZ為靜態(tài)加熱稠油所至的設定溫度值，℃；T0、T1、T2分別為環(huán)境溫度、稠油初始溫度、稠油最終溫度，℃；P1、P2分別為油罐部分電纜加熱功率、實驗架部分電纜加熱功率，W；λ為聚氨酯保溫材料導熱系數(shù)，W/（m·℃）；L、L1分別為油罐高度、實驗架環(huán)路總長度，m；D1、D2分別為電纜加熱方案油罐保溫層的內(nèi)徑、外徑，m；A為油罐底面積，m2；δ1為罐底保溫層厚度，m；d1、d2分別為實驗架保溫層的內(nèi)徑、外徑，m。

該方案的加熱時間為靜態(tài)加熱時間t1與循環(huán)加熱時間t2之和。

3 電熱蒸汽加熱方案

3.1 方案選材

該方案選用電熱蒸汽鍋爐，以蒸汽為介質(zhì)，用U形管式換熱器加熱稠油。主要設備為電熱蒸汽鍋爐、換熱器、保溫材料。換熱器的規(guī)格與鍋爐功率及油罐尺寸協(xié)調(diào)。保溫材料與電纜加熱方案相同。選用LDR0.5－0.7型號的電熱蒸汽鍋爐，其額定蒸發(fā)量為300kg/h，蒸汽溫度為170℃，熱效率為98%，加熱功率為108kW。

3.2 方案設計

該方案直接將稠油由初始溫度T1加熱到最終溫度T2，電熱蒸汽鍋爐產(chǎn)生的蒸汽通過換熱器將熱量傳遞給稠油。根據(jù)保溫層經(jīng)濟厚度的計算方法[6～8]，得出油罐及實驗架保溫層厚度分別為10.5cm和1.2cm。相關(guān)器材的用量如表4所示。

表4 電熱蒸汽方案器材用量

3.3 加熱時間預測模型

稠油加熱過程中，儲油罐內(nèi)稠油吸熱量、鋼材吸熱量及保溫層的散熱量之和與電熱蒸汽鍋爐蒸汽的散熱量平衡[9]。保溫層的傳熱視為穩(wěn)定過程。由于電熱鍋爐功率恒定且稠油的比熱容隨溫度變化較小，保溫層內(nèi)邊界溫度可視為線性上升。油罐內(nèi)氣體的質(zhì)量很小，其吸熱量可忽略。

由能量守恒定律，得：式中，PE為電熱鍋爐額定功率，W；η1、η2分別為蒸汽的傳熱效率、鍋爐的額定熱效率，%；D3、D4分別為電熱蒸汽加熱方案油罐保溫層的內(nèi)徑、外徑，m；δ2為罐底保溫層厚度，m。

4 方案對比

4.1 造價對比

功率為40W/m和100W/m的MI礦物絕緣加熱電纜價格分別為30和50元/m。所選用的聚氨酯保溫材料價格為800元/m3，選用導熱膠泥價格為15元/kg。兩方案的工程造價如表5所示。從表5可知，電熱蒸汽的工程造價比電纜加熱方案高。

表5 兩方案的工程造價

4.2 操作費用比較

假如實驗架每年操作10次，每次實驗需將滿罐稠油 （即5.91m3）由20℃ （T1）升溫至80℃（T2）。取ρo＝960kg/m3，T0＝20℃，TZ＝40℃，η1＝70%計算。由公式 （1）～ （3），并按電價0.6元/（kW·h）可得兩方案的加熱時間和操作費用如表6所示。

表6 兩方案加熱時間及操作費用

由表6可知，無論是工程造價還是操作費用，電纜加熱方案均優(yōu)于電熱蒸汽加熱方案。

4.3 優(yōu)缺點比較

電纜加熱方案的加熱過程平穩(wěn)，能夠?qū)崿F(xiàn)流體溫度的自動控制、熱效率高且節(jié)能環(huán)保。稠油的物性復雜，換熱器的磨損腐蝕和氧化腐蝕極其嚴重，使得運行的危險程度增大，這是電熱蒸汽加熱方案的主要缺陷。同時，電熱蒸汽加熱方案無法實現(xiàn)溫度的精確控制，造成能源浪費。

5 結(jié) 論

1）為稠油實驗架系統(tǒng)設計了2套加熱保溫方案，2套加熱保溫方案都適合于稠油實驗架系統(tǒng)。

2）電纜加熱方案熱效率高而且節(jié)能環(huán)保，但是加熱過程較慢；電熱蒸汽加熱方案加熱速度快，但是能量浪費大，費用高。

3）從經(jīng)濟和安全角度考慮，電纜加熱方案優(yōu)于電熱蒸汽加熱方案，推薦使用電纜加熱方案。

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