李建奎 傅連松 王濤 楊青青

（1.山東恒業(yè)石油新技術(shù)應(yīng)用有限公司 山東東營 257000)

(2.山東大洋招標有限公司 山東東營 257000）

[關(guān)鍵字] 煙道氣 ；余熱回收裝置；高溫氮氣；智能；加熱；清蠟

引言

油井經(jīng)過多輪次的開采，原油粘度已較大，原油瀝青質(zhì)與蠟質(zhì)含量高。本身老油井的含水量較高，若注入蒸汽進行解堵和清蠟作業(yè)，則進一步增加了原油的含水量；若注入常溫高壓氮氣，所含熱量少，只能起到增加稠油油藏地層壓力能的效果，達不到清垢、清蠟、解堵等作業(yè)效果。目前使用的高溫氮氣清蠟設(shè)備，撬體模塊多，占用場地空間大；整體移動運輸性差，且現(xiàn)場施工前準備工作量大，運營成本高；生產(chǎn)制作成本高，能耗高，不環(huán)保。見圖1

圖1 整套高溫氮氣設(shè)備現(xiàn)場布置圖

為解決此問題提出一種余熱回收式高溫氮氣綜合作業(yè)車設(shè)計理念，優(yōu)化創(chuàng)新，實現(xiàn)一種多功能、多用途的氮氣綜合作業(yè)車。滿足單車作業(yè)，移動性好，方便快捷，效率高，節(jié)能環(huán)保等特點。

1 總體方案概述

以單車型MZD-900/350C制氮車為基礎(chǔ)，空氣壓縮機、活塞式壓縮機的動力均由同一臺發(fā)動機提供，將制氮、增壓裝置集成一車，占用體積小。利用C18發(fā)動機產(chǎn)生的煙道氣對高壓氮氣進行加熱。需求高溫高壓氮氣時，低壓氮氣經(jīng)活塞式壓縮機四次分級壓縮后提升壓力至35MPa，第四級壓縮后，不經(jīng)冷卻，直接進入余熱回收裝置進行加熱，將高壓氮氣加熱至300℃，獲得高溫氮氣，控制柜可智能控制加熱溫控過程。需求常溫高壓氮氣時，低壓氮氣經(jīng)四次分級壓縮后提升壓力至35MPa，通過級間空冷器冷卻后，排出常溫高壓氮氣。

設(shè)備需要達到的主要性能指標見表1，總體布置方案圖見2。

圖2 高溫氮氣綜合作業(yè)車方案圖

表1 設(shè)計主要性能參數(shù)指標

2 余熱回收裝置設(shè)計計算

2.1 熱量負荷換熱計算

（1）氮氣熱負荷計算：按照設(shè)備需要達到的主要性能參數(shù)，將900N m3/h氮氣從100℃加熱到300℃，所需熱量計算如下：

通用公式：Q=GC（T1-T2）

氮氣工作壓力：35MPa

氮氣流量：900N m3/h（按20℃計算）

氮氣進口溫度：100℃, 氮氣出口溫度：300℃

氮氣平均溫度=（100+300）/2=200℃

氮氣200℃，壓力35MPa物性參數(shù)：

定壓比熱容【2】：1.246KJ/(KG·K)

氮氣吸熱量=（900X1.16/3600）X1.246X(300-100)=72.2KJ/S=72.2kW

（2） 煙道氣實際熱負荷計算：CAT-C18發(fā)動機煙道氣所能提供的熱量，查CAT發(fā)動機相關(guān)資料【3】，得出以下已知數(shù)據(jù)，發(fā)動機排出煙氣量為500℃，消音后的溫度為380℃，計算過程如下:

煙氣量：2000 Nm3/h

煙氣進口溫度：500℃,煙氣出口溫度：380℃通用公式：Q=GC（T1-T2）

煙氣平均溫度：440℃

煙氣工作壓力：0.18MPa

煙氣在445℃物性參數(shù)

定壓比熱：1.157 KJ/(KG·K)

煙氣側(cè)放熱量=（2 0 0 0 X 1.2 2/3 6 0 0）X1.157X(500-380)=94KJ/S=94kW

通過計算可以得出結(jié)論：煙氣在從500℃降至380℃時放出的熱量能滿足氮氣所需熱量要求。

2.2 換熱面積及余熱回收裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

換熱面積及余量計算

通用公式：Q=KA△Tm

已知：Q=94kW△Tm=225℃ K=60W/m2·℃

求得：A=92000/(60*225)=6.8 m2

實際換熱面積為：A1=0.016*3.14*4.6*38=8.7 m2

換熱面積余量：8.7/6.8=1.28,得到28%的換熱余量。

余熱回收裝置內(nèi)置消音器，消音效果滿足環(huán)保要求；換熱裝置采用U型管結(jié)構(gòu)，通過增加管程數(shù)來提高換熱效果同時減少換熱管數(shù)量，U型管結(jié)構(gòu)具有一定的膨脹性，能降低整個換熱裝置的殘余應(yīng)力，同時提高設(shè)備的使用壽命和安全系數(shù)。

熱的煙道氣通過N1口進入余熱回收裝置，高壓氮氣從N3口進入?yún)R管及盤管，通過箱體內(nèi)的煙道氣加熱盤管內(nèi)的高壓氮氣，實現(xiàn)換熱過程。余熱回收裝置見圖3

圖3 余熱回收裝置

3 控制過程設(shè)計

3.1 高溫高壓氮氣模式

需求高溫高壓氮氣時，制氮機組6產(chǎn)生的低壓氮氣進入增壓機組7，經(jīng)四次分級壓縮后提升壓力至35MPa，前三級壓縮每次壓縮后都經(jīng)過級間空冷器10進行冷卻，第四級壓縮后，不經(jīng)空冷器10冷卻（高壓手動球閥9.11.12處于“關(guān)閉”狀態(tài)，高壓手動球閥8處于“打開”狀態(tài)），直接進入余熱回收裝置5加熱，經(jīng)出口獲得高溫高壓氮氣?？刂乒窨梢灾悄芷溜@最終出口溫度傳感器14監(jiān)測的氮氣溫度值，通過溫度反饋調(diào)節(jié)電動三通比例調(diào)節(jié)閥15實現(xiàn)0-100%比例分配，調(diào)節(jié)進入及未進入余熱回收裝置的氮氣流量，實現(xiàn)氮氣排氣溫度從50℃～ 300℃溫度調(diào)節(jié)控制，當三通比例調(diào)節(jié)閥15 a出口處于100%打開狀態(tài)時，氮氣全部進入余熱回收裝置5進行加熱，最高排氣溫度可達到300℃。

此過程，高溫蝶閥2處于“關(guān)閉”狀態(tài)，高溫蝶閥4處于“打開”狀態(tài)，發(fā)動機1產(chǎn)生的煙道氣在余熱回收裝置5中對高壓氮氣進行加熱，為此換熱過程中提供足夠的熱源。 流程見圖4

圖4 簡化PID流程圖

設(shè)備產(chǎn)生的高溫氮氣可以廣泛應(yīng)用于油井解堵、清蠟、稠油井降粘等工藝。

3.2 常溫高壓氮氣模式

制氮機組6產(chǎn)生的低壓氮氣進入增壓機組7，經(jīng)四次分級壓縮后提升壓力至35MPa，壓縮后經(jīng)過級間空冷器10進行冷卻（高壓手動球閥9.11處于“打開”狀態(tài)，高壓手動球閥8.12處于“關(guān)閉”狀態(tài)），經(jīng)最終出口即可獲得常溫高壓氮氣。

此過程，高溫蝶閥2處于“打開”狀態(tài)，高溫蝶閥4處于“關(guān)閉”狀態(tài)，余熱回收裝置不工作，發(fā)動機煙道氣降溫及消噪通過發(fā)動機消音器3完成。流程見圖4

設(shè)備產(chǎn)生的常溫氮氣主要用于欠平衡鉆井、氣舉采油、配合連續(xù)油管洗井、修井作業(yè)、氮氣泡沫、氮氣驅(qū)油等工藝。

4 困難點及解決方案

4.1 高溫氮氣排出溫度控制存在難點

由于氮氣出口溫度是根據(jù)氮氣施工作業(yè)要求變化的，在溫度調(diào)節(jié)時，需通過三通比例調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)流經(jīng)余熱回收裝置的氮氣流量來控制最終氮氣排出溫度，要想獲得較精確的氮氣出口溫度，需要大量數(shù)據(jù)測試模擬出氮氣出口溫度與進入余熱回收裝置的氮氣流量之間的關(guān)系，再通過PID自動調(diào)節(jié)控制氮氣出口溫度，因此需要大量的數(shù)據(jù)測試和現(xiàn)場試驗才能獲得較為精確的氮氣排出溫度。

4.2 余熱回收裝置及消音器共存問題

在非高溫氮氣作業(yè)時，因為沒有氮氣流經(jīng)余熱回收裝置，為了避免煙道氣對余熱回收裝置的盤管干燒，降低盤管的使用壽命，因此需要在煙道氣出口同時并聯(lián)安裝消音器和余熱回收裝置。在啟機和常規(guī)氮氣作業(yè)時，煙道氣經(jīng)消音器排出；在高溫氮氣作業(yè)時，才允許切換煙道氣流經(jīng)余熱回收裝置，這需要人工手動切換控制閥門，操作稍微不便。安裝方案見圖5

圖5 加熱系統(tǒng)、消音器安裝方案

4.3 余熱回收裝置積碳問題

由于煙道氣中含有大量煙塵和焦油，煙氣在換熱盤管上附著堆積后產(chǎn)生積碳和污垢，不容易清洗，因此需要定期采取除垢措施，包括機械清理、水洗、化學(xué)藥劑清理等方式。

5 結(jié)論

5.1 結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間小，移動性好，方便快捷，效率高，節(jié)約運營成本；

5.2 利用撬內(nèi)成套設(shè)備機組的發(fā)動機煙道氣提供的熱能，通過余熱回收裝置來加熱高壓氮氣，實現(xiàn)高壓氮氣的高溫要求，降低煙道氣的出口溫度，能耗低，污染環(huán)境程度低，環(huán)保；

5.3 一種多功能、多用途的氮氣綜合作業(yè)車，除滿足常規(guī)注氮工藝外，還可以用于油井解堵、熱氮驅(qū)油、清垢、清蠟、降低稠油粘度等工藝，提高油田采收率。

圖6 高溫氮氣綜合作業(yè)車整車外觀