多井集成数字化相变加热炉研究与应用

1引言曙光油田1975年投入开发,累计产油7600多万吨,目前年产油已超过20年稳产在200万吨以上。曙光采油厂目前有采油站136座、联合站3座、总井数3500口,油品性质以稠油、超稠油为主,目前稠油产量比例超过80％,稠油开发主要靠注蒸汽吞吐及地面集输工艺二次加热为主,所以做好地面加热设备的研究及提高其效率对稠油开发具有重要意义。目前,油田范围内普遍使用的加热炉主要有:火筒炉、水套炉、加热分离缓冲三合一装置等[1-2]。上述类型的加热炉普遍存在着燃烧和传热强度小、效率低、适应性及安全性差等缺点。概括起来,油田加热炉的技术改进主要集中在燃烧和传热两个环节。通过采取强化燃烧和强化传热措施,油田加热炉的热工性能有了一定提高。然而,虽然采取了各种强化传热措施,作为油田加热炉重要类型之一的水套加热炉还是以传统的自然对流、辐射换热方式为基础,加热炉存在的传热强度低的缺陷并没有得到根本改变。为了满足“节能、减排、节约型社会”的需要,需要对传统形式的加热炉进行更新研究,2008年曙光采油厂开始了井口相变加热炉的配套研究及现场应用。2工作原理及结构特点2.1结构特点相变加热炉主要包括加热炉本体和相变换热器两部分。其特征在于所述的加热炉为分体结构,下部件为燃气加热炉本体,上部件为有压相变换热器,上、下两部分用蒸汽引出(入)管子及补偿器和凝结水排水管及补偿器联接,采用钢架支撑上部换热器。如图1所示。下部件燃气加热炉本体采用筒体、波形炉胆、烟气回转室、管板和螺纹烟管、烟筒组成。上部件为油汽换热器,其上焊有换热器浮头、回转箱、换热器筒体、蒸汽引入管和凝结水排水接管。本加热炉为卧式、内燃、湿背式单回程锅壳式加热炉,燃料在炉膛(波形炉胆)内燃烧,热量通过辐射和对流的传热方式传递给被化学介质冷却的炉胆壁。高温烟气经炉胆进入回燃室,而后转入螺纹烟管组成的对流管束,高温烟气把热量传递给被化学介质冷却的烟管管壁。被冷却的烟气进入后烟箱低温区,由烟囱排向大气。锅筒内分蒸汽空间和化学介质空间,在蒸汽空间内,蒸汽通过上部的集汽管把锅筒内蒸汽均匀送入油汽换热器设备,化学空间用来保证炉胆和高温烟管的冷却,以保证正常安全的运行。锅筒上部安装一支双联弹簧全启式安全阀,防止加热炉超过工作压力,保证设备安全。锅筒上设置液位计,观测锅筒内化学介质液位,保证气液相空间的合理分布,达到最佳的传热效果。2.2工作原理该装置利用复合化学介质作为加热介质,原油作为被加热介质。在一个封闭的循环系统中,利用复合化学介质的相变(从液体到蒸汽及从蒸气到液体)实现了热量的转移和对被加热介质棗原油的加热。系统工作原理如图2所示。该系统主要由下列三部份组成(1)蒸发器:复合化学介质由液相变为汽相,吸收汽化潜热,所需热量由燃烧天然气获得。因为蒸发器与燃烧过程结合在一起,因而实际上是一台燃烧天然气的蒸汽加热炉,故在本系统中称为“燃气加热炉”。(2)冷凝器:蒸发器产生的蒸汽在此凝结,由汽相变成液相,放出汽化潜热并实现对冷液体棗原油的加热。在本系统中冷凝器称为“相变换热器”。(3)蒸汽上升管和凝液回流管。这两个管路将上面的冷凝器和下面的蒸发器连接起来,形成一个封闭的循环系统,靠水蒸汽的连续相变,完成了热量的连续转移。3多井集成数字化相变加热炉配套技术研究3.1传热介质的研究相变加热炉采用高效新型的相变传热介质----复合化学介质,具有超导传热特性,并具有以下特点:1、化学性能稳定,对各种材质不腐蚀、不发生任何化学反应,在能量传导过程中代替水作为导热介质(有效期不少于10年);实际应用中,生产工艺不复杂,介质成本低,供应有保证。2、该介质与水相比具有沸点低(55℃),水为100℃。3、该介质具有汽化潜热大的优点,汽化潜热是水的1.5倍(该介质789卡/克,水539卡/克)。3.2燃烧系统研究相变加热炉采用全自动正压燃烧器。该燃烧器为燃气/比例调节燃烧器,可保证加热炉的燃烧系统根据相变换热器的热功率对燃料气、空气进行最佳燃烧工况进行微分调节,提高锅炉的燃烧效率和加热炉系统的热效率。该燃烧器对燃料气的要求条件不是十分苛刻。首先对杂质含量要求不高,其次对燃气压力要求也不高,可以在超低压状态下(0.01MPa以上)正常燃烧,适合于油田现有燃料气为井口自产气,气压非常低、产量小恶劣的工况条件。特别冬季燃料气的工矿更加恶劣时,该燃烧器也能正常工作。3.3控制系统研究1、声光报警并连锁停炉随着IC芯片产业和信息技术的迅猛发展,科学采用仪表监控系统,可提高设备热效率。合理设置燃烧器二段式温度调节,运行更稳定,节能效果更佳。燃烧器在运行出现异常及故障时,即相变炉出口介质温度高、汽包压力高时进行声光报警,并连锁停炉。对相变炉安全运行、出口介质温度、汽包压力的控制起到很好的作用。为了配合曙光采油厂实现数字化采油的要求,在设计该程序控制系统时,已经预留了远程控制数据接口,将数据线连接起来,就可以与采油站内的数据网进行连接,进而形成设备现场、采油站和采油厂调度室三位一体格局,现场设备的运行情况和运行参数,如压力、温度等现场数据都可以清晰的显示出来,并且可以用报表形式输出。控制系统原理框图如图3、图4所示。4.1现场应用检测结果2009年至2011年曙光采油厂在稠油区块新井产能建设及老区调改项目中,应用了16台该井口相变加热炉,配合称重计器及多井自动掺液装置现场应用,可以满足11口井以内的平台井加热及采油站外输集中加热的功能,经过近2年时间现场应用,该设备现场应用效果良好,生产运行平稳。辽河油田公司节能检测中心对曙光采油厂采油作业一区6#站、19#站、21#站和23#站四个采油站实施的相变加热炉进行热工测试,结果如下:通过测试数据的分析,315kW和800kW相变加热炉都比传统水套加热炉热效率高,综合节能率都在15%以上,达到了预期的节能效果。4.2经济效益分析截至2011年曙光采油厂现场应用16台,每台相变加热炉对比安装传统加热炉多投入12万元,累计节约天然气292万方,增加原油产量3200吨,按油田公司经济效益计算方法,节约占地及管线费用300万元,累计创效927.05万元。5结束语2009年10月24日该产品通过盘锦市经济委员会鉴定,鉴定结果认定该产品达到国内先进水平,经辽河油田公司节能检测中心热效率对比传统加热炉提高15％以上。经过现场实际应用,证明该产品具有“节能、高效、智能、环保”等优点,适合稠油单井及采油站外输加热,在稠油地面集输生产方面具有广泛推广应用价值。原文地址：