陳 寶

（西南石油大學 機電工程學院，成都 610500）

0 引言

現(xiàn)代工業(yè)和交通運輸業(yè)對石油的需求量越來越大，2013年全年石油進口量創(chuàng)歷史新高，原油對外依賴度在以上，這樣的石油供應格局亟待解決。我國有著豐富的稠油資源，但開采成本和難度較大。稠油由于瀝青膠質(zhì)含量高，蠟質(zhì)含量少，因而粘度高，流動性差，開采難度大。雖然稠油的粘度很高，但其對溫度極為敏感，每增加10oC，其粘度下降約一半，流動性增加[11]。利用稠油加熱能夠降低粘度，增加流動性這一特性，提出了稠油熱采法，其中蒸汽驅(qū)是目前應用最廣泛的、技術(shù)較成熟的方法之一。

蒸汽發(fā)生器作為蒸汽驅(qū)技術(shù)不可缺少的設備之一，最普遍的做法采用的是在地面產(chǎn)生高溫高壓的蒸汽，通過保溫管道注入到井下稠油油層中去，這種技術(shù)井上設備體積龐大，需要較高的配套設施的投入，廢氣帶走大量的熱能，污染周圍空氣[8]。蒸汽通過較長管道后，能量損失大，到井底時高溫蒸汽成了“熱水”，蒸汽注釆效果和深度受到限制，不能滿足特殊井況和大深度稠油井的開采。本文提出一種井下電加熱蒸汽發(fā)生器，該裝置很好的克服了井上蒸汽發(fā)生器的不足，電加熱蒸汽發(fā)生器直接工作于井下，在稠油油層處產(chǎn)生蒸汽并直接注入油層，不受傳統(tǒng)注蒸發(fā)氣因井深蒸汽難注入的限制，熱效率高且不會產(chǎn)生空氣污染，能夠有效地提高稠油的開采率和經(jīng)濟效益。

1 系統(tǒng)設計

1.1 設計技術(shù)指標

系統(tǒng)設計技術(shù)指標為:工作電壓380V，最大功率50kw，最大耐壓20MPa，最大蒸汽流量70kg/h，安裝有三個溫度傳感器和兩個壓力傳感器用于測量環(huán)空壓力和加熱腔內(nèi)壓力，壓力傳感器分辨率為±0.1MPa，溫度傳感器測量分辨率為±0.5K，要求裝置無故障工作時間不少于240小時，采用工業(yè)組態(tài)軟件，對裝置的狀態(tài)進行實時在線監(jiān)控。

1.2 工作原理與結(jié)構(gòu)

通過對井上蒸汽發(fā)生器裝置的調(diào)研，根據(jù)不同的采油環(huán)境和復雜的井下情況，研究并提出一種井下電加熱蒸汽發(fā)生器的設計方案，其原理是通過電熱管是電能轉(zhuǎn)化為熱能，加熱水產(chǎn)生高溫的水蒸氣，該裝置具有產(chǎn)生蒸汽效率高、環(huán)保、可靠性好等特點。

蒸汽發(fā)生裝置工作在井下，加熱裝置簡單結(jié)構(gòu)如圖1所示，加熱器主要有以下幾部分：鎧甲外殼、電纜、加熱元件、給水泵、預熱管、回流槽、氣液分離器、安全閥門和各種傳感裝置。

圖1 蒸汽發(fā)生器簡要結(jié)構(gòu)圖

利用工業(yè)耐高溫電纜提供380V的加熱電源，加熱元件使用不銹鋼電加熱管，其電熱效率高，價格便宜，可根據(jù)加熱需求定制任意功率、形狀，電熱管與爐體使用法蘭連接，利于更換、維修和保養(yǎng)，加熱管耐壓可達20MPa，一般設計使用壽命有1萬多小時，通過自動控制裝置，控制給水泵將水從入水口壓入預熱管對水進行預加熱，達到合適的溫度再注入到加熱內(nèi)膽，在大功率加熱管的加熱下，水達到沸騰，從導管進入氣液分離器中，得到干度較高的水蒸氣?？刂平o水的流量，從而控制蒸發(fā)量與補給量達到一個動態(tài)平衡，在發(fā)生器內(nèi)部布置有壓力、溫度、液位高度、流量計等傳感裝置，外布置有高強的安全閥、單向閥、排氣閥，實施三級保護，數(shù)據(jù)送到地面電腦，配合PLC、工業(yè)組態(tài)軟件，實現(xiàn)實時在線監(jiān)控。

2 控制系統(tǒng)構(gòu)成

設備的電源控制通過設置電源控制箱，包含多個低壓開關(guān)設備以及與之相關(guān)的控制測量、保護、調(diào)節(jié)的設備。由斷路器、接觸器、熱繼電器、中間繼電器、信號繼電器、轉(zhuǎn)換開關(guān)等構(gòu)成控制部分，方便對電源的控制和電路的保護。

蒸汽發(fā)生器控制系統(tǒng)主要控制要求：蒸汽壓力，鍋爐內(nèi)液位高度、給水量和溫度。

蒸汽發(fā)生器正常工作時，加熱腔內(nèi)壓力應控制在0.1MPa≤P≤10MPa，當氣壓大于10MPa時，應當立即關(guān)停加熱元件和給水泵的電源，并且報警提示。在水位控制時，當腔內(nèi)液面高度達到最大值時，關(guān)閉給水泵，報警系統(tǒng)給與提示，當水位值達到低位值時，應控制水泵加大給水量，報警系統(tǒng)給與提示，如果水位達到最低警戒值，此時應當立即關(guān)掉加熱元件和給水泵，報警系統(tǒng)立即報警，加水重啟設備，如故障得不到排除，則需對設備進行檢修再重新工作。

圖2 蒸汽發(fā)生器控制系統(tǒng)

蒸汽發(fā)生器的控制系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。發(fā)生器內(nèi)部、外部分布著壓力傳感器，分別監(jiān)測加熱腔內(nèi)壓強和外部的環(huán)空壓力，給水泵、蒸汽出口設置有流量計，監(jiān)測給水量和蒸汽產(chǎn)生量，加熱腔內(nèi)有液位監(jiān)測器，實時監(jiān)測腔內(nèi)液位的高度，所有傳感器能夠?qū)⒁话愕奈锢砹哭D(zhuǎn)變成微弱模擬電信號，模擬信號經(jīng)過信號調(diào)理電路放大、整流、濾波轉(zhuǎn)變成1V～5V的標準信號，送給A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，信號通過RS485轉(zhuǎn)換接口接計算機進行數(shù)據(jù)處理、顯示。各個開關(guān)量直接進入PLC控制模塊，開關(guān)量信號首先由 PLC模塊完成控制，再經(jīng)串口的通訊接口將其傳送到計算機進行處理，從而實現(xiàn)雙重控制。

設備通過串口的通訊接口接到計算機，使用工控軟件KingView（組態(tài)王），如圖3所示，軟件畫面簡單直觀，開發(fā)難度小，功能強大，實時顯示流量、溫度、液位高度數(shù)據(jù)，能夠提供異常報警，系統(tǒng)關(guān)閉、重啟設備功能，可以方便地對運行數(shù)據(jù)進行實時顯示、報警、存儲和打印等功能，提高設備的運行效率和安全性。

圖3 監(jiān)控畫面

3 控制程序流程圖

井下蒸汽發(fā)生器控制系統(tǒng)的主程序流圖如圖4所示，系統(tǒng)開始工作時，系統(tǒng)通過控制電源控制箱進行系統(tǒng)上電，然后讀取設置，進行初始化設置，檢查各級設備是否出現(xiàn)故障，如出現(xiàn)異常，報警提示并自動重復初始化操作直到系統(tǒng)排除故障，下一步判斷加熱腔內(nèi)的水位是否過低，如果低于正常水平，則自動調(diào)用水泵給水程序，控制信號驅(qū)動耐高溫電磁閥打開，水泵工作，通過單向閥注入爐膽，直到達到正常工作水平，此時設備正常工作，設置傳感器循環(huán)采集數(shù)據(jù)，采集時間間隔為1秒，并送入計算機，配合組態(tài)軟件實時顯示，同時將數(shù)據(jù)保存于計算機，方便查看設備工作情況，如采集到數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，比如溫度、壓力、流量等超過或低于安全限額，立即報警提示，并輸出相應的控制變量到PLC模塊，控制加熱功率、水泵流量等，消除異常狀況，如持續(xù)出現(xiàn)異常并且未恢復，此時應立即關(guān)停所有電源，提示需要人工對設備檢修。

圖4 控制系統(tǒng)程序流程圖

4 蒸氣產(chǎn)生量

裝置產(chǎn)生的蒸汽量一般用質(zhì)量M（kg）來計量，產(chǎn)生高溫蒸汽的熱量包含有兩部分：溫升熱與汽化熱。故設單位時間Δt內(nèi)給水量為m（kg），給水溫度為常溫25oC，爐膽內(nèi)壓強為P（MPa），工作功率為R（W），電熱率η。

1）溫升熱量Q1（J）：溫升熱與蒸發(fā)介質(zhì)的熱容和蒸發(fā)介質(zhì)的溫升成正比，即：

C為比熱容，J/Kg.oC；

m為質(zhì)量；

ΔT為溫差。

2）蒸發(fā)潛熱Q2（J）為：

ΔH為液體的蒸發(fā)焓（汽化熱）J/Kg

3）蒸汽總熱量：

由式(1)～式(3)可以得出下面等式：

利用MATLAB軟件將壓力、功率和蒸汽量數(shù)據(jù)繪圖得到在不同功率、壓強下單位時間產(chǎn)生蒸汽的量，如圖5所示。

蒸汽發(fā)生器工作在50kw、40kw、30kw、20kw、10kw的功率，0.1MPa～10MPa的壓強時，產(chǎn)生蒸汽（kg/s）曲線如圖，可以看出，壓強一定，功率與產(chǎn)生的蒸汽量成正比。功率一定，壓強與蒸汽產(chǎn)生量成反比。需要更大蒸汽流量時，可以設計功率更大的蒸汽發(fā)生器。

圖5 功率、壓強與蒸汽量曲線

5 結(jié)束語

井下電加熱蒸汽發(fā)生器與傳統(tǒng)的蒸汽發(fā)生器相比具有許多優(yōu)點。沒有地面蒸汽分配系統(tǒng)，克服了其蒸汽干度的相分離問題。同時，由于其是在井底產(chǎn)生高溫蒸汽，從而克服了地面和管道熱量流失問題。由于這些優(yōu)點，使其不僅對海上作業(yè)很具吸引力，而且對于蒸汽驅(qū)試驗區(qū)也是較為理想的選擇。

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