900型余热回收式高温氮气综合作业车的研制

李建奎 傅连松 王涛 杨青青

（1.山东恒业石油新技术应用有限公司 山东东营 257000)

(2.山东大洋招标有限公司 山东东营 257000）

[关键字] 烟道气 ；余热回收装置；高温氮气；智能；加热；清蜡

引言

油井经过多轮次的开采，原油粘度已较大，原油沥青质与蜡质含量高。本身老油井的含水量较高，若注入蒸汽进行解堵和清蜡作业，则进一步增加了原油的含水量；若注入常温高压氮气，所含热量少，只能起到增加稠油油藏地层压力能的效果，达不到清垢、清蜡、解堵等作业效果。目前使用的高温氮气清蜡设备，撬体模块多，占用场地空间大；整体移动运输性差，且现场施工前准备工作量大，运营成本高；生产制作成本高，能耗高，不环保。见图1

图1 整套高温氮气设备现场布置图

为解决此问题提出一种余热回收式高温氮气综合作业车设计理念，优化创新，实现一种多功能、多用途的氮气综合作业车。满足单车作业，移动性好，方便快捷，效率高，节能环保等特点。

1 总体方案概述

以单车型MZD-900/350C制氮车为基础，空气压缩机、活塞式压缩机的动力均由同一台发动机提供，将制氮、增压装置集成一车，占用体积小。利用C18发动机产生的烟道气对高压氮气进行加热。需求高温高压氮气时，低压氮气经活塞式压缩机四次分级压缩后提升压力至35MPa，第四级压缩后，不经冷却，直接进入余热回收装置进行加热，将高压氮气加热至300℃，获得高温氮气，控制柜可智能控制加热温控过程。需求常温高压氮气时，低压氮气经四次分级压缩后提升压力至35MPa，通过级间空冷器冷却后，排出常温高压氮气。

设备需要达到的主要性能指标见表1，总体布置方案图见2。

图2 高温氮气综合作业车方案图

表1 设计主要性能参数指标

2 余热回收装置设计计算

2.1 热量负荷换热计算

（1）氮气热负荷计算：按照设备需要达到的主要性能参数，将900N m³/h氮气从100℃加热到300℃，所需热量计算如下：

通用公式：Q=GC（T1-T2）

氮气工作压力：35MPa

氮气流量：900N m³/h（按20℃计算）

氮气进口温度：100℃, 氮气出口温度：300℃

氮气平均温度=（100+300）/2=200℃

氮气200℃，压力35MPa物性参数：

定压比热容【2】：1.246KJ/(KG·K)

氮气吸热量=（900X1.16/3600）X1.246X(300-100)=72.2KJ/S=72.2kW

（2） 烟道气实际热负荷计算：CAT-C18发动机烟道气所能提供的热量，查CAT发动机相关资料【3】，得出以下已知数据，发动机排出烟气量为500℃，消音后的温度为380℃，计算过程如下:

烟气量：2000 Nm³/h

烟气进口温度：500℃,烟气出口温度：380℃通用公式：Q=GC（T1-T2）

烟气平均温度：440℃

烟气工作压力：0.18MPa

烟气在445℃物性参数

定压比热：1.157 KJ/(KG·K)

烟气侧放热量=（2 0 0 0 X 1.2 2/3 6 0 0）X1.157X(500-380)=94KJ/S=94kW

通过计算可以得出结论：烟气在从500℃降至380℃时放出的热量能满足氮气所需热量要求。

2.2 换热面积及余热回收装置结构设计

换热面积及余量计算

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

实际换热面积为：A1=0.016*3.14*4.6*38=8.7 m2

换热面积余量：8.7/6.8=1.28,得到28%的换热余量。

余热回收装置内置消音器，消音效果满足环保要求；换热装置采用U型管结构，通过增加管程数来提高换热效果同时减少换热管数量，U型管结构具有一定的膨胀性，能降低整个换热装置的残余应力，同时提高设备的使用寿命和安全系数。

热的烟道气通过N1口进入余热回收装置，高压氮气从N3口进入汇管及盘管，通过箱体内的烟道气加热盘管内的高压氮气，实现换热过程。余热回收装置见图3

图3 余热回收装置

3 控制过程设计

3.1 高温高压氮气模式

需求高温高压氮气时，制氮机组6产生的低压氮气进入增压机组7，经四次分级压缩后提升压力至35MPa，前三级压缩每次压缩后都经过级间空冷器10进行冷却，第四级压缩后，不经空冷器10冷却（高压手动球阀9.11.12处于“关闭”状态，高压手动球阀8处于“打开”状态），直接进入余热回收装置5加热，经出口获得高温高压氮气。控制柜可以智能屏显最终出口温度传感器14监测的氮气温度值，通过温度反馈调节电动三通比例调节阀15实现0-100%比例分配，调节进入及未进入余热回收装置的氮气流量，实现氮气排气温度从50℃～ 300℃温度调节控制，当三通比例调节阀15 a出口处于100%打开状态时，氮气全部进入余热回收装置5进行加热，最高排气温度可达到300℃。

此过程，高温蝶阀2处于“关闭”状态，高温蝶阀4处于“打开”状态，发动机1产生的烟道气在余热回收装置5中对高压氮气进行加热，为此换热过程中提供足够的热源。 流程见图4

图4 简化PID流程图

设备产生的高温氮气可以广泛应用于油井解堵、清蜡、稠油井降粘等工艺。

3.2 常温高压氮气模式

制氮机组6产生的低压氮气进入增压机组7，经四次分级压缩后提升压力至35MPa，压缩后经过级间空冷器10进行冷却（高压手动球阀9.11处于“打开”状态，高压手动球阀8.12处于“关闭”状态），经最终出口即可获得常温高压氮气。

此过程，高温蝶阀2处于“打开”状态，高温蝶阀4处于“关闭”状态，余热回收装置不工作，发动机烟道气降温及消噪通过发动机消音器3完成。流程见图4

设备产生的常温氮气主要用于欠平衡钻井、气举采油、配合连续油管洗井、修井作业、氮气泡沫、氮气驱油等工艺。

4 困难点及解决方案

4.1 高温氮气排出温度控制存在难点

由于氮气出口温度是根据氮气施工作业要求变化的，在温度调节时，需通过三通比例调节阀调节流经余热回收装置的氮气流量来控制最终氮气排出温度，要想获得较精确的氮气出口温度，需要大量数据测试模拟出氮气出口温度与进入余热回收装置的氮气流量之间的关系，再通过PID自动调节控制氮气出口温度，因此需要大量的数据测试和现场试验才能获得较为精确的氮气排出温度。

4.2 余热回收装置及消音器共存问题

在非高温氮气作业时，因为没有氮气流经余热回收装置，为了避免烟道气对余热回收装置的盘管干烧，降低盘管的使用寿命，因此需要在烟道气出口同时并联安装消音器和余热回收装置。在启机和常规氮气作业时，烟道气经消音器排出；在高温氮气作业时，才允许切换烟道气流经余热回收装置，这需要人工手动切换控制阀门，操作稍微不便。安装方案见图5

图5 加热系统、消音器安装方案

4.3 余热回收装置积碳问题

由于烟道气中含有大量烟尘和焦油，烟气在换热盘管上附着堆积后产生积碳和污垢，不容易清洗，因此需要定期采取除垢措施，包括机械清理、水洗、化学药剂清理等方式。

5 结论

5.1 结构紧凑，占用空间小，移动性好，方便快捷，效率高，节约运营成本；

5.2 利用撬内成套设备机组的发动机烟道气提供的热能，通过余热回收装置来加热高压氮气，实现高压氮气的高温要求，降低烟道气的出口温度，能耗低，污染环境程度低，环保；

5.3 一种多功能、多用途的氮气综合作业车，除满足常规注氮工艺外，还可以用于油井解堵、热氮驱油、清垢、清蜡、降低稠油粘度等工艺，提高油田采收率。

图6 高温氮气综合作业车整车外观