井场原油在线重力热管电磁加热装置的研究及应用

高宝元

(1. 中国石油集团川庆钻探工程有限公司 钻采工程技术研究院,陕西 西安710018;2. 低渗透油气田勘探开发国家工程实验室,陕西 西安710018)

随着地层温度变化和原油生产过程中系统压力降低,石油中的石蜡会从油井及地面输油管路的原油中按相对分子质量的大小顺序析出,继而沉积粘结在油管内壁上,减小了油管内径,降低了产油及输油量,严重时还会堵塞油管,造成停井检修,增加生产成本。目前,通过井场燃烧伴生气加热炉、燃煤加热炉、伴热带和各种电热管给井口输出的原油加热,加热到一定温度后再输送。然而,现在大部分井场已经没有伴生气,燃气加热炉已经停用;采用燃煤加热炉不但污染环境,加热成本较高,而且加热效果差,地方环保部门已要求停止使用;采用伴热带和各种电热管加热,伴热带热效率低、埋地部分损坏后维修困难,经常需要开挖大量土方[1]。

因此,亟需开展井场原油在线重力热管电磁加热装置研究,代替传统的燃气加热炉、燃煤加热炉、伴热带和各种电热管给井口原油加热的方式,用于解决或缓解上述问题[2]。

1 装置构成

井场原油在线重力热管电磁加热装置包括: 储油桶、重力热管、电磁加热器和在线监控柜[3],该加热装置组成如图1所示。

图1 井场原油在线重力热管电磁加热装置组成示意

1.1 储油罐

储油桶的桶壁内为中空结构,内部填充隔热材料制成的隔热层,可减少桶壁向外散热,减少原油温度的流失[4]。

1.2 重力热管

重力热管包括管壳和毛细管筒,管壳内装有换热介质,毛细管筒的中部具有蒸发通道,其余部位呈毛细管结构,毛细管筒设置于管壳中部的内侧壁上。重力热管的管壳由2层钢管构成,2层钢管之间被抽成真空,在该状态下充入适量换热介质,重力热管分为蒸发段、绝热段和冷凝段三部分,在重力热管内部的下端加热,换热介质吸收热量气化,在微小的压差下,通过蒸发通道上升到重力热管内部的上端,并向外界放出热量,凝结为液体。冷凝液在重力以及毛细管的作用下,沿重力热管内壁和毛细管孔返回到蒸发段,并再次受热气化通过蒸发通道上升到重力热管内部的上端,如此循环往复,连续不断的将热量由一端传向另一端,由于是相变传热,因此重力热管内热阻很小[5]。

1.3 电磁加热器

电磁加热器包括电磁软磁铁和电磁线圈,电磁线圈缠绕在电磁软磁铁的下部,与在线监控柜电连接。在线监控柜可通过变频电路为电磁加热器供电,电磁线圈发射电磁波,电磁波与重力热管的管壁不断产生感应电流,使重力热管的管壁发热,为储油桶内的原油加热。通过进口和出口温度传感器检测储油桶的输入管和输出管中的原油温度,当输出管中的原油温度过低时,提高电磁加热装置的加热功率,当输出管中的原油温度过高时,可降低电磁加热器的加热功率,甚至关停电磁加热器工作。

1.4 在线监控柜

在线监控柜主要由功率驱动单元、中心控制单元和供电控制单元组成[6]。

1)功率驱动单元。该单元与加热线圈是设备能量转换关键部分,不同功率的电磁加热器的电磁线圈与功率驱动单元有所不同。

2)中心控制单元。带有双路温度采集和控制、双路报警输出与通信接口输出,该控制单元能够检测加热管道的出入口温度,控制加热管道内温度运行在设定范围内,当温度高于上限报警温度时,设备自动上报和控制输出。

3)供电控制单元。通过变频器,利用弱电控制强电,采用软启动和软关断,保证运行平稳。

在线监控柜功率可变,根据季节采用不同档位控制。夏天将功率调到最小档位,达到设备节能目的;冬天将功率调到最大档位,使原油温度加热到输送要求。该监控柜输出4～20 mA信号,通过现场数字化远程控制终端(RTU)实现远程监控功能[7]。

2 装置的使用方法

该加热装置电压为380 V,频率为50 Hz,功率为25～40 kW,连接方式采用法兰连接,连接管道直径范围为DN50～DN125,最大承载压力为10 MPa,可采用自动控温方式,加热频率为0.05～20 kHz。

该加热装置的使用步骤如下:

1)安装。先将储油桶的输入管与油井的井口连接,将储油桶的输出管与输油管路相连接;然后将在线监控柜的输入端与进口温度传感器电连接,输出端与电磁加热装置电连接,启动抽油机油井,油井原油从储油桶的输入管流入,从输出管流出。

2)加热。通过在线监控柜控制电磁加热装置对储油桶内的重力热管加热,并在在线监控柜中设置上限温度和下限温度[8]。

3)运行。在线监控柜通过获取到的出口温度信号控制电磁加热装置,当出口温度升高至设计上限温度时,在线监控柜切断电磁加热装置的供电;当出口温度降低至下限温度时,电磁加热装置开始加热。在线监控柜内可实现标准4～20 mA温度信号输出,通过现场RTU实现远程监控功能,并配备现场实时低温、高温报警功能[9]。

3 现场应用

2022年8月,该加热装置在某采油厂6个作业区进行了现场应用,代替了现有的燃气加热炉、燃煤加热炉、伴热带和各种电热管的加热方式,采用无热源内加热的方式。应用表明,该加热装置具有热效率高、安全、环保、节能等优势,解决了传统电加热热效率低、易损坏、维修困难的缺点[10]。开机1 min后原油温度就可达到设定温度90 ℃,在同等条件下,比伴热带加热和各种电热管加热方式节能30%以上,预热时间缩短约50%。安装前输油管线压力为3～4 MPa,安装后压力降低为1～2 MPa,可将抽油机最大载荷降低5%左右,油井免修期可延长50 d以上,起到了较好的清防蜡效果;同时没有发生蜡卡、杆断现象,检泵周期也相对延长[11]。

4 结束语

该加热装置通过电磁加热重力热管内的换热介质,使换热介质在重力热管内发生循环相变,将热量释放到储油桶内,换热介质导热率高,导热系数大,原油加热效率高。由于是电磁加热,不存在漏电等安全隐患和温度过高的可能性,该加热装置给井场原油加热的运行成本在一定条件下低于燃气加热炉、燃煤加热炉、伴热带和各种电热管的加热方式[12]。

该加热装置还具有以下特点:

1)高效节能。应用电磁感应原理将电能转换为热能,提高了电能热效率,该加热装置开机1 min可使金属管筒内的原油温度达到90 ℃。

2)降低费用。该加热装置采用重力热管内加热,本身不会产生热量,使用寿命长。

3)改善环境。由于该加热装置结构简单,安装方便,对地层无污染,属于绿色、清洁型加热技术,达到很好的环保效果,所以经济效益显著,具有推广应用价值[13]。

4)操作方便。该加热装置安装后接通电源即可,当温度升高到设计上限温度时加热器自动停机;当温度降低到设计下限温度时加热器自动开机。

5)安全可靠。在输入管的端口处设置进口温度传感器,在输出管的端口处设置出口温度传感器,具有自动控温功能安全可靠。