注汽系统管线热效率

方坤

辽河油田是以稠油开发为主的油田，注蒸汽开采起着非常重要的作用。注汽管线保温材料主要为岩棉、毡等软质材料和微孔硅酸钙、复合硅酸盐等硬质材料，各种材料均存在一定缺陷。岩棉、毡等软质材料憎水性差，保温的输汽管道易出现滑移和下沉，雨水侵蚀或长时间使用后易老化破碎，影响保温效果；微孔硅酸钙和复合硅酸岩接缝处处理困难，保温后接缝处易出现开裂，造成热损失变大。

为了加强对设备的管理，原来的注汽管线保温时采取管线外侧直接包裹硅酸岩棉、毡等软质保温材料，而这些材料的黑度系数较大，普遍在0.7-0.8之间，受射体保温材料和发射体注汽管线之间未有黑度系数低、反射性能优良的薄层隔热板，造成受射体保温材料吸收热量多。

1.热损失现状

1.1保温结构

一是选用保温材料单一，难以保持结构稳定；二是保温层厚度薄厚不一，经济保温厚度没有统一标准；三是软、硬保温材料搭配不合理，保温结构抗震、抗挤压能力弱。

1.2热损失情况

经热损失检测，辽河油田地面固定注汽管网热流密度为391W/m2、千米管线热损失率4.15%，活动管线热流密度734.3w/m2、千米管线热损失率6.28%，千米干度降17.3%，系统热效率77.3%，损失能量22.7%。年注汽量按1200万吨、平均注汽压力14MPa、锅炉出口平均干度71%计算，则地面损失能量48202.2×106kj，浪费天然气3428.572万方，折算成本6788.57万元（天然气价格1.98元/方）。

2注汽系统热损失研究与分析

注汽系统热损失占22.7%，主要由注汽锅炉热损失和注汽管线热损失两部分构成，其中注汽锅炉热损失表现为排烟损失、化学不完全燃烧损失、机械不完全燃烧、散热损失和灰渣物理热损失；注汽管线热损失表现在热辐射损失、热对流损失和热传导损失。

2.1注汽管道传热研究与分析

凡是有温差的地方就一定有能量的传递，热量总是自发地由高温物体向低温物体传递，这种现象称为热传递。为了分析研究的方便，根据传热过程的物理本质不同，可把其区分为三种基本方式，即热辐射、热对流和热传导。同样，注汽管线存在三种方式的热传递，为更好的分析注汽管线热损失情况，我们建立其热损失模型，分别分析三种热传递对管线热损失的影响。

2.1.1辐射传热原理

热辐射传播可不借助任何介质，靠电磁波传递热量，其过程遵循斯蒂芬—玻尔茨曼定律。为了从数量上表示物体辐射能力，引入一个物理量辐射能，用E表示。它是单位时间内单位辐射表面积，向空间各个方向所辐射出的各种不同波长能量的总和。

辐射传热符合下面方程：

为描述实际物质的热辐射情况，引入一物理量黑度 ：实际物体的辐射力与黑体辐射力之比，实际物体的辐射力表示如下：

由上式可知实际物体的辐射能力同辐射源温度的四次方和黑度系数成正比，为增强辐射热交换，需提高辐射物体的温度或增加黑度，相反，为减少辐射换热，就必须降低辐射物体的温度或减小黑度。

2.1.2两固体间辐射传热研究

辐射传热随辐射源的温度增加而增强，注汽管线保温后，辐射传热主要体现在高温蒸汽管线同内保温层之间，为提高注汽管线保温效果，应削弱两者之间的辐射换热。为此，我们分单独两固体和两固体间装设一薄片遮热板两种情况，研究辐射传热变化规律。

为此假设注汽管线无限长，将管线本体和保温层看成两个无限长的平行平面，在它们之间装设一薄片遮热板，该二平面和遮热板的温度分别为T1、T2和Tc，且T1>T2，遮热板和两平面的黑度假定相同ε1=ε2=εc。遮热板插入后，明显的降低了物体间的辐射传热，且物体间辐射传热量随物质黑度系数的增加而增大。因此实际工程中，为有效的削弱辐射换热，常采用黑度低、反射性能强的薄板做为遮热板。

2.1.3辐射传热对热损失影响

目前，注汽管线保温采取管线外侧直接包裹硅酸岩棉、毡等软质保温材料，而这些材料的黑度系数较大，普遍在0.7-0.8之间，受射体保温材料和发射体注汽管线之间未有黑度系数低、反射性能优良的薄层隔热板，造成受射体保温材料吸收热量多。

注汽管道保温层破损严重，部分管线裸露在空气中，正常注汽时，管线外表面温度高达300℃以上，依据斯蒂芬—玻尔茨曼定律可知，注汽辐射强度同温度的四次方成正比，加上气体对辐射热仅有吸收和穿透能力，不具备反射作用，进一步加剧辐射传热损失。

2.1.4小结

通过以上分析可知，以往辽河油田注汽管线保温时采用的是导热系数为0.065w/m.k的保温材料，其黑度系数较大、反射性能弱，注汽管道和内保温层组成的系统发射率大，系统稳定后向外发射能量增大，给保温效果带来影响。

因此需从降低注汽管道和内保温层的系统发射率出发，使用反射性能强、吸收能力小的保温材料。

2.2注汽管道对流传热研究与分析

2.2.1对流传热原理

依靠流体流动来传播热量的方式叫做对流。对流传热只能发生在可以产生流动的气体和液体里，固体不能产生对流传热。

在单位时间里，热流体对壁面的对流放热量的大小与传热壁面表面积F以及热流体与壁面的温差（tf1-tw1）成正比，此外还和流体物性、流体流动的特性等因素有关。对流换热强度同换热面积、温差及对流换热系数成正比，为削弱对流换热，需减少换热面积、降低换热温差及降低对流换热系数。

2.2.2对流传热对热损失影响

保温完好或结构稳定的注汽管线，热对流主要存在保温层外表面和空气之间。由于注汽管线保温后外表面和环境温差小，对流换热量小。但由于辽河油田注汽管线保温时间长，结构单一不稳定，内部保温层破损严重，甚至管线外露在空气中，外表面温度增加，造成对流换热增加，表现如下：

一是使用岩棉、硅酸铝、镁、纤维毡等软质材料保温时，保温层易出现滑移、下沉或塌陷的现象，注汽管线和空气之间未能形成一个密闭的保温层，造成管线本体和空气形成对流换热，高温蒸汽温度 高达几百摄氏度，对流换热温差 增大，换热增强。

二是使用硬质材料保温，多块单个保温材料组合成整体时，连接方式为平口对接，密封性差，特别是管线投运后，蒸汽流动引起管线窜动，进而破坏保温材料的保温性能。现场实际发现，管线投运后，硬质材料对接处，伴有高温蒸汽散出的现象，造成对流换热明显增强。

三是对流换热量同换热面积成正比，目前辽河油田保温使用材料导热系数高达0.065w/m.k，为确保达到国家标准209w/m2，保温材料厚度设计为97mm，造成管线同空气对流换热面积增大，对流换热热损失增多。

2.2.3小结

通过分析可知，辽河油田注汽管线软、硬保温材料搭配不合理，结构抗震、抗压性差，软质材料易出现塌陷，保温材料和注汽管线间形成空隙；硬质材料采用平口对接，连接处密封性差，特别是长时间运行时，结构稳定性受到破坏。这样就给高温蒸汽和空气对流形成通道，提供条件。同时，由于保温材料的导热系数高，普遍在0.065w/m.k，在达到同样保温效果的前提下，需增大保温层厚度，引起对流换热面增大，对流换热增强。因此，保温时应选择低导热系数保温材料，达到同样保温效果的前提下，降低保温层厚度，同时对保温结构进行复合优化，提高抗震性、抗压性，增强牢固性，减少对流换热。

（作者单位：中油辽河油田高升采油厂热注作业区）