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防爆集束式井口加熱器設計

文檔作者：陳龍，王彥博，孫林，趙守剛2 楊雙春，潘一文檔來源： 1．遼寧石油化工大學石油天然氣工程學院 2．沈陽新光電氣制造有限公司，		點擊數：	更新時間： 2025年09月29日
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第43卷第2期
2014年2月
當 代 化 工
Contemporary Chemical Industry
Vo]．43．NO．2
February，201 4
防爆集束式井 口加熱器設計
陳 龍 ，王彥博 ，孫 林 ，趙守剛2 楊雙春 ，潘 一
(1．遼寧石油化工大學石油天然氣工程學院，遼寧撫順1]3~31； 2．沈陽新光電氣制造有限公司，遼寧沈陽11o044)
摘 要：為了解決井口加熱原油實驗儀器的貧乏，加熱不均勻及加熱效率低等問題，根據牛頓冷卻公式和
傅里葉定律，并考慮了原油溫度和壓力的影響，對加熱器加熱效率進行了研究。在此基礎上設計了一種油井井
口加熱原油的實驗裝置。該裝置在加熱管上安裝旋流片增大原油流動距離，在進口處安裝渦流裝置用以改變原
油流態，增大傳熱系數，并起到充分混合油水的作用。該實驗裝置能夠研究流體流態對加熱效率的影響，為井
口加熱原油工藝設計提供實驗依據，為高效的井口加熱器設計提供實驗基礎。
關鍵詞：井口；電加熱器；原油；稠油；實驗裝置
中圖分類號：TQ 050 文獻標識碼： A 文章編號： 1671—0460(2014)02—0255—03
Design of Cluster--type Explosion--proof W ellhead Heater
CHENLong ， WANG Yan—bo ，SUNLin ，ZHA0 Shou-gang2
， YANG Shuang—chun ，PAN ，7
(1．College of Petroleum and Natural Gas Engineering，Liaoning Shihua University,Liaoning Fushun 1 1 300 1，China
2．Shengyang Xinguang Electrical Manufacturing Co．，Ltd．，Liaoning Shengyang 1 10044，China)
Abstract：In order to solve the problem that wellhead heating oil experiment devices had poor performances including
uneven heating and lOW heating emciency,based on Newton cooling law and Fourier Law,the heater eficiency was
researched by considering the effect of temperature and pressure．An experimental device for heating oil at wellhead
was designed．Cyclone plates were a~anged on the heating pipe to increase the flow distance of crude oil，spoilers and
fan blades were installed on the oilinlet to change the state of flow and avoid oil—water separation。and increase the
heat transfer coeficient．This experimental device can be used to study the effect of fluid state on heating eficiency,
which can provide experimental basis for the design of eficient wellhead heater for crude oil．
Key words：0i 1 well；Electric heater；Crude oil；Experiential device
隨著世界經濟的高速發展，能源短缺問題日趨
嚴峻。稠油是世界經濟的重要資源，世界重油大會
公布的數據顯示” ，全球重油和天然氣瀝青剩余可
采儲量合計約為1．085x 1012 bbl，超越常規原油剩余
可采儲量；從世界的范圍來看，常規油供應的緊張
以及油價的高位震蕩，為稠油的開采提供了良好的
機遇，但在開采技術、開采成本以及環境保護方面
仍然存在一些難題 。
稠油是瀝青質和膠質含量較高、粘度較大的原
油日 。在開：果和運送的過程中需要降粘處理，井口
加熱器作為在油井口加熱原油的加熱設備，在原油
開采，特別是稠油的開采中扮演著重要角色。目前
井口加熱設備采用的加熱方式主要有兩種，蒸汽伴
熱和水浴加熱。加熱裝置主要有燃氣、燃油爐和電
熱水套爐 ，這些裝置在一定程度上能夠起到加熱
原油的目的，但存在許多弊端，如，熱慣性大，熱
滯后性大，加熱效率低等。相比于燃料加熱方式，
電力加熱 具有清潔衛生、污染小、熱效率高(可
達85％～95％)等優點，目前受到了廣泛的關注，
已經有很多的電加熱器應用于原油加熱中。但現有
的電加熱器仍存在加熱不均勻，升溫速度慢，加熱
不完全等問題 ]。
筆者針對這些問題，在加熱裝置中進行了一些
改進，設計了一種新型井口加熱器實驗裝置，解決
加熱不均、加熱效率低等問題。為井口加熱原油工
藝設計提供實驗依據，為高效井口加熱器設計提供
實驗基礎。
1 設計依據
根據傳熱學相關知識可知，流體在不同流動狀
態下，其傳熱系數也不同。筆者從這一角度出發，
對井口加熱器進行改進，并從兩個方面提高加熱效
率，即延長加熱時間和改變流體流動狀態。原油屬
于易燃易爆品，為了保證安全性，在該裝置中設置
基金項目：遼寧省大學生創新創業訓練計劃資助項目(國家級，編號20121 0148009)
收稿日期：2013—1 2—29
作者簡介：陳龍(1993-)，男，遼寧沈陽人，石油工程專業。
指導教師：潘一(1 976一)，男，遼寧撫順人，博士，副教授，從事油氣田開發教學研究工作。
當 代 化 工 2014年2月
了安全閥，防止加熱器內由于壓力過大而發生爆炸。
1．1 延長加熱時間
傳統井口加熱方式存在加熱時間短，原油加熱
不均等缺點，該加熱器設置了旋流片，一方面增加
了原油在加熱器內流動的路程，另一方面由于擋板
的阻隔，減慢了原油的流動速度，兩方面都延長了
原油在加熱器中的停留時間，有利于原油均勻受熱，
提高加熱效率0 。
此外，旋流片的存在有助于流體產生湍流擴散，
增加流體與壁面的沖擊，減少污垢的產生，從而減
小污垢熱阻。對于粘度較大的流體來說，污垢熱阻
會占傳熱總熱阻的一半以上，因此，降低污垢熱阻
可以有效的提高傳熱效率。
1．2 改變流體流動狀態
根據邊界層理論 可知，對流傳熱過程中的熱
阻主要集中在邊界層，邊界層為靠近壁面的一層非
常薄的層流底層，該層流體主要發生熱傳導而非對
流傳熱，傳熱熱阻大，因此，破壞或減薄邊界層是
增加傳熱效率的重要途徑。為此，裝置中設置了渦
流裝置可以將油水混合物的流動狀態由層流狀態轉
換成湍流狀態，以提高油水混合物的傳熱系數。當
流體呈湍流狀態時，流體質點混合充分，流體質點
間的溫度梯度相對較小，層流底層變薄，從而導致
傳熱熱阻變小，提高傳熱效率。?。
1．3 防爆裝置
該井口加熱器在柱體外部安裝一個安全閥，當
加熱器內壓力過高時，可以通過安全閥減小壓力，
避免爆炸的發生。此外，在傳統加熱方式中，很容
易出現油水分離的情況，由于密度差，會使油層運
動速度快，導致溢流管堵塞，從而引起爆炸，但在
該加熱器中，擾流裝置的存在會使油水混合物充分
混合，避免分層的出現，從而防止了爆炸的發生。
2 井口加熱器裝置設計
本加熱器實驗裝置是由柱體外殼，加熱系統，
擾流系統，安全防爆系統組成。其中外殼包括進液
管、柱體和溢流管，溢流管上設有溫度表和流速表；
加熱系統包括電加熱管和旋流片；擾流系統包括渦
流裝置；安全防爆系統包括安全閥，溫度表和壓力
表。裝置圖見圖l所示。
2．1 加熱系統的設計
加熱系統由一定尺寸的空心金屬柱體和電加熱
管構成，利用電熱阻放熱形成加熱場，電加熱管是
管狀電熱元件，它是由金屬管、螺旋狀電阻絲及結
晶氧化鎂粉等組成的。氧化鎂粉具有較高的導熱性
能，能夠將熱量迅速傳遞到加熱管表面，使電阻絲
與管壁溫度更接近。電加熱管是專門將電能轉化為
熱能的電器元件，加熱效率高，價格便宜，使用方
便，安裝方便，無污染，被廣泛應用于各種電加熱
場合。本設計采用的加熱管額定電壓為220 V，額
定功率為2 kW
圖1 加熱器實驗裝置結構示意圖
Fig．1 heater experiential device diagram
l一壓力表；2一安全閥；3一溫度表；4一流速表：5一溢流管；6一旋流片；
7一加熱管；8一柱體外殼；9一閥門；1o一進液管；l1一渦流裝置
旋流片安裝在電加熱管上，將加熱管改裝成螺
旋式加熱管，能夠延長流體在柱體內的加熱時間，
增加流體和柱體的沖擊力，減少污垢的產生，降低
傳熱熱阻，從而使流體加熱充分，提高加熱效率。
2．2 擾流系統的設計
在加熱器進口處安裝渦流裝置，流體流經該裝
置時，其流動狀態發生改變，由層流狀態轉變成湍
流狀態，從而增大傳熱系數，提高加熱效率。另外，
湍流狀態有助于油和水更充分的混合，避免油水分
離和爆炸的發生，巧妙的實現了設計要求。
2．3 安全防爆系統的設計
在含有易燃易爆氣體或在蒸汽的環境中使用的
電加熱器，除了要求結構簡單、使用方便、質量好、
壽命長之外，重要的是在使用期問，始終保持良好
的防爆性能，不會出現由于溫度異常而導致引燃周
圍可燃性氣體或蒸汽造成的爆炸事故。因此，該裝
置安裝了安全防爆系統。
本設計將該加熱器的承載壓力設定為5 MPa，
為了進一步確保加熱器的安全性，在加熱器上部增
設安全閥。當加熱器內部壓力高于3 MPa時，安全
閥會自動釋放壓力，避免加熱器內部由于壓力過大
而引起爆炸事故。
為了實現模擬加熱井口原油，本實驗裝置的加
熱系統包括以下單元：電加熱管，旋流片；為了改
變流體流動狀態，本實驗裝置的擾流系統包括：渦
第43卷第2期 陳 龍，等：防爆集束式井口加熱器設計 257
流裝置；本實驗裝置的安全防爆系統包括：壓力表， 易導致油水分離現象，使加熱效率變低甚至產生爆
溫度表，安全閥。旋流片安裝在加熱管上，放置在 炸。為此，本設計在加熱器進液口中安裝了渦流裝
柱體內，流體在一定壓力下由進液管流入柱體，通 置，用以研究流體湍流x,tD~熱效率的影響。
過加熱管的加熱，由溢流管流出，在此過程中，流
體流經渦流裝置，其流態會發生變化。該實驗裝置
是測定流體的不同流態對加熱效率的影響。由閥門
來控制流體的流速，并通過溫度表，流速表來測定
流體的物理參數，最后為了保證實驗的安全性，安
裝一個安全閥，并通過壓力表來觀察裝置內的壓力
變化情況。
3 結束語
根據井口原油加熱的實際工藝特點，設計制作
一種井口原油加熱的實驗裝置。它是由柱體，加熱
系統，擾流系統，安全防爆系統組成。該實用新型
利用加熱管加熱來模擬原油溫度，并利用加熱器進
口處的渦流裝置來改變原油流動狀態，通過觀測柱
體出口溫度表的變化來研究井口加熱器的加熱效
率。該實驗裝置設計已經成功申請國家專利，專利
號為201210499618”。。。結合實際實驗需要，本設計
可研究以下問題：
(1)在井口加熱原油的過程中，通過增設旋流
片，延長原油流動的路程，增加原油在加熱器中的
加熱時間。同時，旋流片增加原7~J't-旋力，增強原
油與柱壁的沖擊力，減少污垢的產生。
(2)井口加熱原油的過程中，溫度分布不均勻，
(上接第254頁)
6 技術特點及經濟效益分析
f1)正文本次改造在原CO焚燒余熱鍋爐基礎上
進行拆除和安裝，改造后操作更加簡單可靠，鍋爐
操作彈性更大；
f2)本次改造原CO焚燒余熱鍋爐框架不動，局
部進行加強；
(3)本次改造原給水預熱器和水熱煤空氣換熱
器均可利舊，充分利用原有設備；
f4)本次改造后，當省煤器進口煙氣溫度高達
500 oC，CO焚燒余熱鍋爐仍可安全正常工作 ；
(5)本次改造后，CO焚燒余熱鍋排煙溫度可由改
造前220 oC降至185 cI=，提高CO焚燒余熱鍋爐效
率2％左右，降低了余熱鍋爐和整個催化裝置能耗；
f6)本次改造后，CO焚燒余熱鍋多回收熱量
1 683 kW，折合多產中壓蒸汽2．1 t／h，以每噸蒸汽
價格180元，每年運行8 000 h計算，折合每年新增
經濟效益302．4萬元
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