孫運(yùn)生，吳偉棟，賀吉濤，黃煜，韓登州.新疆油田公司開發(fā)公司，新疆克拉瑪依834000.新疆石油勘察設(shè)計(jì)研究院（有限公司），新疆克拉瑪依834000

旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器在大容量燃煤鍋爐配套注汽管道上的應(yīng)用

孫運(yùn)生1，吳偉棟2，賀吉濤2，黃煜2，韓登州2
1.新疆油田公司開發(fā)公司，新疆克拉瑪依834000
2.新疆石油勘察設(shè)計(jì)研究院（有限公司），新疆克拉瑪依834000

國(guó)內(nèi)油田注汽管道熱補(bǔ)償通常采用Π形補(bǔ)償器，但其會(huì)大大增加管道長(zhǎng)度，且轉(zhuǎn)彎數(shù)量多、局部阻力損失大，為滿足生產(chǎn)需求，選用新型旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器進(jìn)行了應(yīng)用研究。介紹了旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的原理以及兩種典型的布置形式。通過(guò)大容量燃煤鍋爐配套注汽管道上的應(yīng)用實(shí)例，對(duì)其熱補(bǔ)償距離、補(bǔ)償器尺寸、曲折角度、管托的設(shè)置進(jìn)行了計(jì)算和說(shuō)明。應(yīng)用結(jié)果表明旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器在注汽管道上應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯，與Π形補(bǔ)償器相比，降低了壓力損失和熱損失，有利于系統(tǒng)安全，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。最后對(duì)工程設(shè)計(jì)及施工提出了建議。

稠油熱采；注汽管道；旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器；應(yīng)用

注蒸汽熱采是稠油開發(fā)的主要技術(shù)手段，主要原理是將注汽鍋爐產(chǎn)生的10 MPa左右高壓蒸汽（80％干度的濕蒸汽）通過(guò)注汽管道注入到地下油層，以降低稠油黏度，達(dá)到便于開采的目的。隨著稠油熱采技術(shù)的發(fā)展，注汽管道管徑由單一的DN100發(fā)展到DN100～DN400，在敷設(shè)過(guò)程中難度加大，常規(guī)熱補(bǔ)償方式（Π形補(bǔ)償器）已不能滿足設(shè)計(jì)需要。為了滿足生產(chǎn)需求，對(duì)新型旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)，結(jié)果表明旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器在注汽管道上應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯。

1 常規(guī)熱補(bǔ)償方式

注汽管道常規(guī)熱補(bǔ)償方式為應(yīng)用Π形補(bǔ)償器，其工作原理為利用彎頭和管段的彈性變形來(lái)吸收注汽管道的熱脹冷縮，50 m長(zhǎng)度內(nèi)需要利用4只彎頭向外伸出5.2 m形成自然補(bǔ)償，如圖1、圖2所示。

圖1　DN100注汽管道采用Π形補(bǔ)償器敷設(shè)示意/m

圖2　Π型補(bǔ)償器示意/m

Π形補(bǔ)償器制造安裝較方便，但存在以下問(wèn)題：

（1）運(yùn)行阻力增大。采用Π形補(bǔ)償器使注汽管道的實(shí)際長(zhǎng)度增大了20％，同時(shí)由于彎頭數(shù)量多，增大了局部阻力，采用Π形補(bǔ)償器的注汽管道壓降約為1.5～2.0 MPa/km，注汽系統(tǒng)運(yùn)行壓力較井口壓力提高了1～3 MPa，增加了投資和運(yùn)行費(fèi)用。同時(shí)彎頭的增多使?jié)裾羝飨蚨嘧?，造成注汽管道易產(chǎn)生振動(dòng)或水擊。

（2）熱損失增大。采用Π形補(bǔ)償器使注汽管道的實(shí)際長(zhǎng)度增大，熱損失相應(yīng)增大。另外管道彎頭處變形較大，無(wú)法利用保溫效果較好的硅酸鹽硬質(zhì)復(fù)合保溫瓦進(jìn)行施工，只能利用復(fù)合硅酸鹽氈現(xiàn)場(chǎng)纏繞處理，很難保證具有良好的保溫效果。

2 旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器

2.1旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器原理

旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器是一種新型的熱力管道補(bǔ)償器，最高耐溫可達(dá)600℃，常溫耐壓可達(dá)40 MPa，密封性能優(yōu)越，長(zhǎng)期運(yùn)行可免維護(hù)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。一般在熱力管道上組對(duì)安裝，形成相對(duì)旋轉(zhuǎn)來(lái)吸收管道熱伸長(zhǎng)量，從而減少管道應(yīng)力［1］。該補(bǔ)償器適用性較廣，平行路徑、轉(zhuǎn)角路徑和直線路徑等均可應(yīng)用。

圖3　旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的結(jié)構(gòu)示意

2.2旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器布置形式

旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的布置可根據(jù)自然地形及管道長(zhǎng)度來(lái)確定。

（1）當(dāng)補(bǔ)償器布置在兩固定支架中心時(shí)，平行路徑和直線路徑一般都選用此種布置方式，如圖4所示，注汽管道運(yùn)行時(shí)補(bǔ)償器的兩端有相同的膨脹量和膨脹推力，力偶繞著中心O旋轉(zhuǎn)了θ角，以吸收兩端方向相對(duì)、大小相等的膨脹量△［2］。

圖4　補(bǔ)償器布置于兩固定支架中心工作原理示意

（2）當(dāng)補(bǔ)償器未布置在兩固定支架中心，而偏向注汽管道的一端時(shí)，轉(zhuǎn)角路徑一般使用此布置方式，如圖5所示。

圖5　補(bǔ)償器布置于兩固定支架一端工作原理示意

膨脹時(shí)力偶臂L繞離固定端較近的旋轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)來(lái)吸收兩端方向相對(duì)、大小不等的膨脹量；吸收熱膨脹量情況下，在力偶臂旋轉(zhuǎn)到θ/2時(shí)，管道出現(xiàn)Y方向擺動(dòng)的最大值。

一般情況下，根據(jù)自然地形，在補(bǔ)償量的大小和安裝條件許可的情況下L盡量選大一點(diǎn)。

雖然熱膨脹量隨著轉(zhuǎn)角θ或力偶臂L的加大而增加，但為了防止擺動(dòng)值過(guò)大，θ值取18°為宜，L取2～6 m為宜。

3 工程應(yīng)用實(shí)例

在風(fēng)城130 t/h燃煤注汽鍋爐集中供汽試驗(yàn)項(xiàng)目中，新疆油田首次應(yīng)用旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器。從注汽站引出一條D 325 mm×24 mm（無(wú)縫鋼管，20G鋼）配汽干線到油區(qū)計(jì)量橇。分成4路D 159 mm×12 mm（無(wú)縫鋼管，20G鋼）支線送至各供汽點(diǎn)。注汽系統(tǒng)流程如圖6所示。

圖6　注汽系統(tǒng)流程

注汽管網(wǎng)工作壓力按9.81 MPa設(shè)計(jì)。注汽管道干線長(zhǎng)度約1.4 km，支線長(zhǎng)度約2 km，全部采用以旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器為主，自然補(bǔ)償為輔的熱補(bǔ)償方式。旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)見圖7。

圖7　旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)

3.1布置方式

注汽管道每敷設(shè)200～250 m布置1組旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器，如圖8所示。

圖8　旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器安裝俯視示意

DN 300、DN 150注汽管道旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器中心與第一個(gè)導(dǎo)向支架的最小距離X分別為26、19 m，管道直線部分導(dǎo)向支架間距分別為45、35 m。仍采用低支架架空敷設(shè)，管底標(biāo)高0.45 m。

3.2補(bǔ)償量計(jì)算（以間距200 m為例）

補(bǔ)償量可根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：Δ為補(bǔ)償量，mm；T1為介質(zhì)溫度，℃；t0為安裝環(huán)境溫度，℃；α為管材熱脹系數(shù)，mm/（m·℃）；S為兩固定支架的距離，m。

經(jīng)計(jì)算，Δ=（296-20）×0.013×200/2= 358.8（mm）。

3.3旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器尺寸

（1）根據(jù)補(bǔ)償器立面圖（見圖9（a）），旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器高度計(jì)算式為：

式中：H為旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器高度，mm；h為旋轉(zhuǎn)筒長(zhǎng)，mm；D為管道外徑，mm。所選彎頭曲率半徑R為1.5 D。

計(jì)算得DN 300旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器高度為1 260 mm，DN150旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器高度為758 mm。

（2）根據(jù)補(bǔ)償器俯視圖（見圖9（b）），可得計(jì)算式：

圖9　旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器尺度要素

式中：θ為轉(zhuǎn)角，（°）；L為旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器橫臂長(zhǎng)度，取3 m。

sin（θ/2）=358.8/3 000=0.12

對(duì)應(yīng)角度θ=13.8°。

（3）擺動(dòng)值Y=［1-cos（θ/2）］×L/2= 10.9（mm）。擺動(dòng)值不大，不影響管道正常工作。

3.4管托設(shè)置

注汽管道每6 m設(shè)1個(gè)管托，滑動(dòng)管托的軸向長(zhǎng)度根據(jù)與補(bǔ)償器的距離不同而不同，靠近補(bǔ)償器處，滑動(dòng)管托軸向長(zhǎng)度達(dá)600 mm。

4 節(jié)能效益分析

針對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況及計(jì)算分析，旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器補(bǔ)償能力與管徑關(guān)聯(lián)不大，與Π形補(bǔ)償器相比在大管徑注汽管道上應(yīng)用優(yōu)勢(shì)更加明顯。表1為不同管徑下兩種熱補(bǔ)償方式綜合對(duì)比情況。

從表1可以看出，與Π形補(bǔ)償器相比，旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器具有以下優(yōu)勢(shì)：

表1　采用Π形補(bǔ)償器與旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器方案對(duì)比

（1）經(jīng)濟(jì)效益。以DN100注汽管道為例，采用旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器后注汽管道每年減少熱損失17.1 kW/km，年節(jié)約天然氣為1.64萬(wàn)m3/km，折合燃?xì)赓M(fèi)約為2.45萬(wàn)元/km；管道壓力損失減少17.9％，每年節(jié)約用電2.45萬(wàn)kW·h，折合電費(fèi)1.47萬(wàn)元/km，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

（2）系統(tǒng)安全。濕蒸汽管道采用Π形補(bǔ)償器易產(chǎn)生振動(dòng)及水擊現(xiàn)象，不利于系統(tǒng)安全運(yùn)行。使用旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器后，注汽管道壓力損失降低，可降低鍋爐出口壓力，同時(shí)減少了彎頭數(shù)量，有利于注汽系統(tǒng)安全運(yùn)行。

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)上述論述，得出以下結(jié)論：與Π形補(bǔ)償器相比，采用旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器能降低注汽系統(tǒng)運(yùn)行壓力和熱損失，提高系統(tǒng)安全性，在大管徑注汽管道上應(yīng)用時(shí)優(yōu)勢(shì)更加明顯。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程應(yīng)用，提出以下建議：

（1）采用旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器時(shí)，注汽管道管托需沿管道熱膨脹相反的方向進(jìn)行預(yù)偏裝，一般預(yù)偏裝尺寸為管道熱位移的一半。

（2）采用旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器時(shí)，為避免活動(dòng)管托滑動(dòng)出現(xiàn)卡阻現(xiàn)象，活動(dòng)管托可采用滾動(dòng)管托，或采取墊聚四氟乙烯板等減少摩阻的措施，并每隔一段距離設(shè)置導(dǎo)向管托。

（3）與傳統(tǒng)的Π形補(bǔ)償器相比，旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器對(duì)施工要求較高，施工人員必須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)文件要求的補(bǔ)償器偏裝角度、滑動(dòng)管托偏裝尺寸等進(jìn)行施工。

（4）考慮到油區(qū)地面平整度及現(xiàn)場(chǎng)施工安裝精度等問(wèn)題，建議旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器固定支架間距取200～250 m，旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器折曲角可選用18°，使管道橫向擺動(dòng)Y值減小。

（5）當(dāng)注汽管道直管段敷設(shè)長(zhǎng)度大于150 m時(shí)，熱補(bǔ)償方式可考慮采用旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器；當(dāng)敷設(shè)長(zhǎng)度較小時(shí)，則應(yīng)采用Π形補(bǔ)償器。總體來(lái)講，注汽管道熱補(bǔ)償宜采用旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償器與Π形補(bǔ)償器相結(jié)合的方式。

［1］施振球，趙廷元，葉全樂(lè)，等.動(dòng)力管道設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006：470-645.

［2］石勝華，李冬梅.旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器在熱力管道上的應(yīng)用［J］.能源與節(jié)能，2014，19（9）：130-132.

Application of Rotary Compensator in Steam Injection Pipeline of L arge Capacity Coal-fired Boiler

SUN Yunsheng1，WU Weidong2，HE Jitao2，HUANG Yu2，HAN Dengzhou2
1.PetroChina Xinjiang Oilfield Development Company，Karamay 834000，China
2.Xinjiang Petroleum Survey and Design Company，Karamay 834000，China

Thermal compensation of steam injection pipelines in domestic oilfields usually adopt Π-shaped compensator，but it greatly increases the pipeline length，the number of turns and local resistance loss.In order to meet the needs of production，the application of new type of rotary compensator is studied.In this paper，the principle of the rotary compensator is introduced，and its two typical arrangement forms are described.The thermal compensation distance，the size of the compensator，the winding angle and the pipe supports are calculated and illustrated by the application example of the large capacity coal-fired boiler.The practical results show that application of the rotary compensator in steam injection pipeline has obvious advantages；the pressure loss and the heat loss are reduced compared with a Π-shaped compensator，which is conducive to system safety；the rotary compensator is of popularization and application value.At last，suggestions are put forward for engineering design and construction.

thermalrecovery of heavy oil；steam injection pipeline；rotary compensator；application

10.3969/j.issn.1001-2206.2016.04.010

孫運(yùn)生（1982-），男，山東日照人，工程師，2007年畢業(yè)于武漢理工大學(xué)輪機(jī)工程專業(yè)，從事油氣田開發(fā)稠油熱采注汽技術(shù)研究及項(xiàng)目管理工作。Email：sunysh-xj@petrochina.com.cn

2016-02-06