介质套管输送方式的应用领域及研究现状

2020-02-11崔光甫刘晓燕赵海谦刘立君

节能技术 2020年1期

马川，崔光甫，刘晓燕，赵海谦，刘立君

(东北石油大学土木建筑工程学院，黑龙江大庆 163318)

0 引言

我国能源年生产总量为35.9亿t标准煤，能源资源储量丰富，品种多样[1]。但分布不均衡，西部和东北广大地区能源资源储量较多，东部发达地区能源储量较少。自改革开放以来，东部地区人口众多且城市密集，能源消费需求高。我国能源生产及消耗地理分布的不均衡决定了能源输送的必要性。安全经济的能源输送方式对能源资源稳定供给意义重大。其中管道输运载能介质是能源输送的五大形式之一。

管道输送需克服恶劣的气候及地质条件以确保安全运输。以往的管道输送方式主要采用单管输运。当多种介质或不同参数介质同时输送时，则需多根单管并行敷设[2]，导致管材消耗量大及占用空间等问题。载能介质输运过程中的能量损失不可避免，由于管道受外界环境影响产生破损及腐蚀，导致管道普遍存在热工缺陷区[3]。就单管而言，输送载能介质的管道与外界环境直接接触，二者间存在较大温差，热损较大，热稳定性差。然而，对于套管，环隙空间的存在增加了内管载能介质能量向外界环境传递的阻力。基于介质输送的特殊性，在特定领域存在可以替代单管输运的方式即套管输运。套管具有换热效果好、热稳定性好、节约成本、可减少输送过程的压损和热损等优势，因其结构的特殊性，套管充分利用了换热面积，节省了占地空间。

本文将总结套管研究现状，阐述套管的使用场合、特点、影响因素、优势及存在的问题，为套管输运在不同领域的应用提供参考。

1 国内外研究现状

目前，套管换热面积大且内外管介质可实现同步换热，热效率高，国内外学者对套管输运形式的研究以套管式换热器居多。

套管换热器的换热效率优于热管换热器。Han研制新型同心管热管换热器，可避免热管干涸现象的负面影响，与热管相比，新型同心管换热器换热性能更好，低温热源下热效率更高[4]。在便携式电源研究中，为解决超微型燃气轮机燃烧室的低热效率问题，Valerio开发三同心管燃烧室模型，证明了新型燃烧室模型有益于燃烧和热交换[5]。有学者预测三重同心管换热器热性能，Moya开发人工神经网络模型预测三重同心管换热器传热速率及压降，相对于实验数据，二者误差小于1.91%和3.82%，吻合较好[6]。

套管式换热器是一种体积小、换热面积大的换热器，为了研究其强化换热，张维蔚改进了计算传热模型，预测湍流情况下套管换热器的传热特性[7]。有的学者在内管添加多孔介质，以空气和水分别为内、外管介质。付全荣研究了空气流经铝泡沫填充方形套管换热器内管的流动和传热，结果表明，在内管填充铝泡沫金属可强化换热[8]；有的学者对传热工质进行优选，以过热蒸汽和熔融盐分别为内、外管介质，扶麟分析了不同工况下熔盐-蒸汽套管式换热器的耦合传热特性[9]；周玲研究双套管双管板换热器传热及流动特性，在内管充水，在隔绝腔连同内外套管的环形间隙内分别充入空气、水、甲苯气体及氩气四种介质进行模拟[10]；有的学者采用复合强化传热的方法，以蒸汽和空气分别为内、外管介质，张丽实验研究了螺旋片和扰流柱复合强化的套管换热器壳侧传热特性[11]；这种复合强化换热的方式非常值得进行后续研究以扩大其在工程上适用范围。有学者通过在加热表面增加粗糙度强化换热，以水为内、外管介质，颜迪民实验研究了粗糙套管内水的放热及摩阻。结果得出：放热系数可增加一倍多[12]。

在换热器制冷方面，套管内管介质为制冷剂，外管为水。1994年由挪威工业大学Lorentzen提出了将CO2作为制冷剂并首次应用于车载空调系统[13]。CO2作为一种新兴的无毒、无污染的制冷剂有很大的发展前景。基于跨临界CO2理论，陈华探讨了入口压力、质量流量、冷却水流量等参数变化对超临界CO2在套管内的换热特性和压降的影响，为优化气体冷却器的设计奠定基础[14]。综上，不同的学者为优化换热性能所选择的强化换热方法不尽相同，若能将不同方法通过一定形式结合起来组成复合强化换热系统，将会大大地改善换热效率。

国内外学者基于套管输运形式在改善套管式换热器的换热效率做了大量工作。然而，将套管输运形式引入其他领域的研究并不多见，导致了套管输运形式的局限性。

2 套管输运优点

本文从减少热损、强化传热传质及节约输运成本等方面，针对不同领域总结了套管输运形式的应用。

2.1 减少热损

载能介质输运过程中因与外界传热而存在能量损失。对于高温介质尤为明显。采用合理套管形式，将高温介质置于内管输运，环空层的存在增加了内管高温介质散热的阻力，对减少介质输运能量损失效果明显。

2.1.1 油气开采领域

在稠油开采蒸汽驱技术中，高温高压蒸汽为稠油的驱动源，而套管环空介质为低压空气或氮气，不同的环空介质减少热损的效果各不相同，为此，学者们开展了套管热损研究。张宗源讨论了不同环空介质对井筒热损的影响[15]。姜艳艳证明了环空和隔热油管热阻占总热阻的比例达94 %，对热损影响较大[16]。孙永涛得到了注汽参数和热损失率在整个注入过程的沿程变化[17]。王丰建立了考虑注惰性气体和抽真空状态的新型隔热管结构井筒传热综合计算模型，将温度视为井深的函数[18]。Pacheco考虑蒸汽温度和压降变化以及辐射、对流和传导引起的热损，将水泥环、地层纳入到注蒸汽系统中[19]。Nian建立了一种考虑井筒热容的注蒸汽井热损失模型[20]。王弥康提出将环空抽真空和防止向环空泄漏等措施，可以削弱井筒的热损[21]。然而以往的研究没有考虑井筒热容量对瞬态热传导时间函数影响，不能准确的预测井筒的热损，因此Cheng开发了考虑井筒热容量的新的地层传热模型，提出了分析瞬态热传导时间函数[22]。Gu针对辽河油田兴67井认为只有保温材料导热系数小于0.7 W/(m·K)才可有效降低井筒热损[23]。Bahonar建立了一种井筒蒸汽的物性参数分布瞬态数值非等温两相井筒模型[24]。在蒸汽吞吐技术中，Karra比较了SAGD井裸管同心和偏心结构的热损失[25]。客观地说，套管在石油开采领域应用更为广泛。环空的介质、井口蒸汽的物性参数以及隔热管的导热系数对注蒸汽井的热损影响更明显。因此，注入蒸汽参数的优选、合适的隔热材料和环空的真空状态对减少井筒热损具有指导意义。

在天然气开采领域，天然气自下向上流动，套管的内、外管介质均为天然气。石晓兵针对高温高压气井建立了考虑纵向传热和油气动态粘度变化的气体温度-压力耦合模型[26]。张智建立了井筒各组件导热系数与温度耦合变化的井筒温度场计算模型，对比分析了landmarkwellcat模型、耦合模型、非耦合模型与实测值的误差[27]。

钻井技术分为液体钻井和气体钻井。在气体钻井技术中，文科建立了空气、氮气和空气雾化钻井井筒流动与温度和湿度场耦合模型[28]；在液体钻井技术中，液相的工质主要是水泥浆。Yang研究了环空与钻柱内部以及周围地层之间的各种温差在不同工况下钻柱组合与套管方案对复杂传热机理的影响[29]。套管可减少钻具尺寸、节约钻井成本、简化钻井过程。

2.1.2 太阳能发电领域

太阳能集热管由金属吸热管和玻璃管组成，金属管内工质为导热油或熔融盐，玻璃管和金属管环隙为真空状态。从原则上讲，太阳能集热管就是套管式换热器。熊亚选博士建立了导热油槽式太阳能集热管传热损失性能计算的二维稳态经验模型，确定了热损的影响因素：选择性涂层的性能和环形空间气体压力[30]；然而与导热油相比，熔融盐的热容较大，传热效果更好，赖艳华建立了以熔融盐为传热工质的玻璃真空套管-金属管太阳能集热器的稳态传热模型[31]。金属-玻璃套管的应用减少了集热器传导和对流热损失，也存在热封接问题。近年来，直接蒸汽发生技术在国际上迅猛发展，与传统需要热媒产生蒸汽的技术相比即节约成本又减少热媒交换过程热损。王武军设计了同轴套管式U型集热管并进行传热建模，与传统的U型集热管相比，这种集热管减少了流动阻力进而降低能量耗散；与金属-玻璃集热管相比，其避免了热封接问题且成本仅为金属-玻璃集热管的十五分之一[32]。

2.2 强化传热传质

套管内外介质输运过程可同步换热，从而提高热效率，强化传热传质及改善热经济性。在热泵领域内广泛应用。在微尺度领域可提高输运介质的通量，从而改善传热传质。

2.2.1 热泵领域

传统的污水源热泵极易堵塞且换热效果差，有学者充分利用了套管的特殊结构，将套管应用于污水源热泵领域，套管以污水和中介水分别为内、外管介质。李桂涛提出了污水热能采集套管输运换热法并对其进行优化和经济性分析，证明了采用套管式换热系统更经济[33]。

在地源热泵领域，传统的地埋管换热器为U型管，最近十几年，有学者提出了套管式地埋管换热器，引起了研究者对地埋管换热器研究的新思潮。与前者相比，新兴的套管式地埋管换热器具有热阻小、单位长度换热能力大等优点[34]。

套管式地埋管换热器内外管介质均为水。赵军将以往的U型管埋地换热器问题简化为套管式换热器，建立了套管式地下换热器的传热模型，给出了强化传热的方案[35-36]。胡映宁对亚热带地区土壤温度、套管式换热器换热性能进行实验研究[37]。巩玉发针对二维同心圆环套管自然对流换热，研究了在4 ℃附近的水密度反转特性对流动和传热的影响[38]。王德敬建立了中深层套管式地埋管换热器传热分析的数学模型[39]。姜思航针对套管式地埋管换热器，建立了适用于严寒地区的半经验解析、模拟、计算模型[40]。

地埋管换热器也是地热电厂重要组成部分，套管式换热器的应用，使热流体形成了闭循环，解决了热流体重新注入的能量损失问题。Alimonti建立了井筒热交换器的数值模型，模拟了两种传热流体：水和透热油，证明了水是最好的传热流体[41]。废弃油气井可作为地热电厂的套管换热器，有效地利用闲置资源并节约初投资成本。Bu验证了从废弃油气井获取地热能的可行性[42]。套管高效换热能力与地源热泵绿色节能特性的结合符合国家节能减排思想。

2.2.2 微尺度领域

套管不仅在宏观领域换热性能出色，而且在微尺度领域更能体现换热效果好、体积小及反应通量大等优势。在相变蓄能领域，微通道换热器因高效的换热性能、紧凑的结构及成本优势作为蓄热器可以极大地提高传热速率和效率。陈悟建立了微通道蓄热单元和同心套管蓄热体数学模型并用Fluent模拟，选用石蜡作为相变材料，结果表明在同蓄热量的条件下同心套管的质量和体积小于微通道蓄热单元[43]。

在化工反应器应用中，微通道反应器传热系数极大，体积小。但由于自身结构特性，气液传质时通量过小无法满足工业需求。为此高毅设计了新型高通量金属套管式微反应器，通过增加微孔区域和利用套管环形微通道来提高传质通量[44]。套管微反应器因小体积和大通量，在微尺度气液传质领域有很大的应用潜力。套管输运节省空间与强化传质的优势加速了其向微尺度的发展。

2.3 节约介质输运成本

地下能源开采钻孔成本和利用成本高，在有限数量井筒或空间内实现不同介质输送对控制开采成本具有现实意义。

2.3.1 热泵领域

热泵分为地源热泵和空气源热泵。在地源热泵领域，竖直地埋管换热器有两种形式：套管和U形管。相对于U形管，套管换热器埋管占地面积更小，套管式地埋管换热器有更好的换热性能[36]；能有效的利用换热面积并具有组合方便、压力适用范围广等优点[40]。在空气源热泵领域，三重套管在多源热泵系统中既能制热(冷)又能蓄热，其介质从内到外依次为制冷剂、相变材料和水。翟建超搭建了三套管蓄能热泵系统实验台，组成了多源热泵空调系统[45]。热泵系统仅消耗少量电能将低品质能量转为高品质能量，极大地节约了高品质能量的利用成本。

2.3.2 油气钻采及输运领域

钻柱-井筒套管组合内外管的介质均为水泥浆。在钻进过程中油田钻井开发的成本过高，如何减少钻井成本是学者广泛关注的问题。王建东认为套管钻井经济性的研究势在必行，评价了长圆螺纹套管的适用性[46]。Tubbs认为在套管的设计中引入固体膨胀管技术可以节约整体钻井成本的15%～20%[47]。套管钻井技术节省了钻井费用，加快钻进时间，简化钻机结构，减小了钻具尺寸[48]。陈维荣介绍了用套管代替钻井杆，技术上应用常规钻井的方法，墨西哥PEmex公司尝试用套管代替钻井杆，间接地节约了与钻杆相关的投资成本[49-50]。李春吉展望了未来的套管钻井技术。基于此技术可以采用空气钻井以减少套管的损耗，加快钻进速度[51]，低成本及小空间的套管钻井技术将引领钻井领域走向现代化。

在气井开采过程中，套管外管为注入管，内管为采气管，李宽提出了蒸汽法开采，与单一的开采方法相比，蒸汽法具有开采经济、有效、增大开采范围及保证开采连续性和稳定性等特点[52]。

在蒸汽驱技术中，控制钻井与注蒸汽成本一直是稠油热采的难题，钻井成本过高、注入蒸汽耗量大及生产蒸汽耗能高决定了优化蒸汽驱技术的必要性。同心套管分层注汽技术可实现一口井2～3层段分层注汽且各层段配汽量可调节，大大节约了钻井成本[53]。同心分层汽驱管柱的研制较复杂，需要配备专用的注汽井口以调节配汽量。偏心分层注汽技术亦实现多层同时注汽[54]。上述分层汽驱技术问题决定了优化多层注汽技术必要性，因此优化多层注汽技术对节约蒸汽输运成本意义重大。

在油气储运领域，管流试验环道用来模拟原油流动，管流试验环道可分为水箱式、套管式结构。与水箱式管道相比，套管式试验环道有体积小与操作维护更便捷等优势[55]。

经以上分析可知，在油气钻采、太阳能集热、热泵系统、换热器及微通道反应器等特定领域套管输运形式的深入研究具有现实指导意义。