防爆集束式井口加热器设计

陈 龙，王彦博，孙 林，赵守刚，杨双春，潘 一

（1. 辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001； 2. 沈阳新光电气制造有限公司，辽宁 沈阳 110044）

随着世界经济的高速发展，能源短缺问题日趋严峻。稠油是世界经济的重要资源，世界重油大会公布的数据显示[1]，全球重油和天然气沥青剩余可采储量合计约为1.085×1012 bbl，超越常规原油剩余可采储量；从世界的范围来看，常规油供应的紧张以及油价的高位震荡，为稠油的开采提供了良好的机遇，但在开采技术、开采成本以及环境保护方面仍然存在一些难题[2]。

稠油是沥青质和胶质含量较高、粘度较大的原油[3]。在开采和运送的过程中需要降粘处理，井口加热器作为在油井口加热原油的加热设备，在原油开采，特别是稠油的开采中扮演着重要角色。目前井口加热设备采用的加热方式主要有两种，蒸汽伴热和水浴加热。加热装置主要有燃气、燃油炉和电热水套炉[4]，这些装置在一定程度上能够起到加热原油的目的，但存在许多弊端，如，热惯性大，热滞后性大，加热效率低等。相比于燃料加热方式，电力加热[5]具有清洁卫生、污染小、热效率高（可达85%～95%）等优点，目前受到了广泛的关注，已经有很多的电加热器应用于原油加热中。但现有的电加热器仍存在加热不均匀，升温速度慢，加热不完全等问题[6]。

笔者针对这些问题，在加热装置中进行了一些改进，设计了一种新型井口加热器实验装置，解决加热不均、加热效率低等问题，为井口加热原油工艺设计提供实验依据，为高效井口加热器设计提供实验基础。

1 设计依据

根据传热学相关知识可知，流体在不同流动状态下，其传热系数也不同。笔者从这一角度出发，对井口加热器进行改进，并从两个方面提高加热效率，即延长加热时间和改变流体流动状态。原油属于易燃易爆品，为了保证安全性，在该装置中设置了安全阀，防止加热器内由于压力过大而发生爆炸。

1.1 延长加热时间

传统井口加热方式存在加热时间短，原油加热不均等缺点，该加热器设置了旋流片，一方面增加了原油在加热器内流动的路程，另一方面由于挡板的阻隔，减慢了原油的流动速度，两方面都延长了原油在加热器中的停留时间，有利于原油均匀受热，提高加热效率[7]。

此外，旋流片的存在有助于流体产生湍流扩散，增加流体与壁面的冲击，减少污垢的产生，从而减小污垢热阻。对于粘度较大的流体来说，污垢热阻会占传热总热阻的一半以上，因此，降低污垢热阻可以有效的提高传热效率。

1.2 改变流体流动状态

根据边界层理论[8]可知，对流传热过程中的热阻主要集中在边界层，边界层为靠近壁面的一层非常薄的层流底层，该层流体主要发生热传导而非对流传热，传热热阻大，因此，破坏或减薄边界层是增加传热效率的重要途径。为此，装置中设置了涡流装置可以将油水混合物的流动状态由层流状态转换成湍流状态，以提高油水混合物的传热系数。当流体呈湍流状态时，流体质点混合充分，流体质点间的温度梯度相对较小，层流底层变薄，从而导致传热热阻变小，提高传热效率[9]。

1.3 防爆装置

该井口加热器在柱体外部安装一个安全阀，当加热器内压力过高时，可以通过安全阀减小压力，避免爆炸的发生。此外，在传统加热方式中，很容易出现油水分离的情况，由于密度差，会使油层运动速度快，导致溢流管堵塞，从而引起爆炸，但在该加热器中，扰流装置的存在会使油水混合物充分混合，避免分层的出现，从而防止了爆炸的发生。

2 井口加热器装置设计

本加热器实验装置是由柱体外壳，加热系统，扰流系统，安全防爆系统组成。其中外壳包括进液管、柱体和溢流管，溢流管上设有温度表和流速表；加热系统包括电加热管和旋流片；扰流系统包括涡流装置；安全防爆系统包括安全阀，温度表和压力表。装置图见图1所示。

2.1 加热系统的设计

加热系统由一定尺寸的空心金属柱体和电加热管构成，利用电热阻放热形成加热场，电加热管是管状电热元件，它是由金属管、螺旋状电阻丝及结晶氧化镁粉等组成的。氧化镁粉具有较高的导热性能，能够将热量迅速传递到加热管表面，使电阻丝与管壁温度更接近。电加热管是专门将电能转化为热能的电器元件，加热效率高，价格便宜，使用方便，安装方便，无污染，被广泛应用于各种电加热场合。本设计采用的加热管额定电压为220 V，额定功率为2 kW。

图1 加热器实验装置结构示意图Fig.1 heater experiential device diagram

旋流片安装在电加热管上，将加热管改装成螺旋式加热管，能够延长流体在柱体内的加热时间，增加流体和柱体的冲击力，减少污垢的产生，降低传热热阻，从而使流体加热充分，提高加热效率。

2.2 扰流系统的设计

在加热器进口处安装涡流装置，流体流经该装置时，其流动状态发生改变，由层流状态转变成湍流状态，从而增大传热系数，提高加热效率。另外，湍流状态有助于油和水更充分的混合，避免油水分离和爆炸的发生，巧妙的实现了设计要求。

2.3 安全防爆系统的设计

在含有易燃易爆气体或在蒸汽的环境中使用的电加热器，除了要求结构简单、使用方便、质量好、寿命长之外，重要的是在使用期间，始终保持良好的防爆性能，不会出现由于温度异常而导致引燃周围可燃性气体或蒸汽造成的爆炸事故。因此，该装置安装了安全防爆系统。

本设计将该加热器的承载压力设定为5 MPa，为了进一步确保加热器的安全性，在加热器上部增设安全阀。当加热器内部压力高于3MPa时，安全阀会自动释放压力，避免加热器内部由于压力过大而引起爆炸事故。

为了实现模拟加热井口原油，本实验装置的加热系统包括以下单元：电加热管，旋流片；为了改变流体流动状态，本实验装置的扰流系统包括：涡流装置；本实验装置的安全防爆系统包括：压力表，温度表，安全阀。旋流片安装在加热管上，放置在柱体内，流体在一定压力下由进液管流入柱体，通过加热管的加热，由溢流管流出，在此过程中，流体流经涡流装置，其流态会发生变化。该实验装置是测定流体的不同流态对加热效率的影响。由阀门来控制流体的流速，并通过温度表，流速表来测定流体的物理参数，最后为了保证实验的安全性，安装一个安全阀，并通过压力表来观察装置内的压力变化情况。

3 结束语

根据井口原油加热的实际工艺特点，设计制作一种井口原油加热的实验装置。它是由柱体，加热系统，扰流系统，安全防爆系统组成。该实用新型利用加热管加热来模拟原油温度，并利用加热器进口处的涡流装置来改变原油流动状态，通过观测柱体出口温度表的变化来研究井口加热器的加热效率。该实验装置设计已经成功申请国家专利，专利号为201210499618[10]。结合实际实验需要，本设计可研究以下问题：

（1）在井口加热原油的过程中，通过增设旋流片，延长原油流动的路程，增加原油在加热器中的加热时间。同时，旋流片增加原油外旋力，增强原油与柱壁的冲击力，减少污垢的产生。

（2）井口加热原油的过程中，温度分布不均匀，易导致油水分离现象，使加热效率变低甚至产生爆炸。为此，本设计在加热器进液口中安装了涡流装置，用以研究流体湍流对加热效率的影响。

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［4］唐桂玲, 王贵宾, 刘淑梅, 等. 井口连水套炉自洗流程在板 70-18区块的改造与应用[J]. 中国石油和化工标准与质量,2013( 7): 147-148.

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［10］潘一, 孙林, 李君伟, 等. 井口加热器实验模型: 中国, 201210499 618[P]. 2013-05-01.