井场集输管道加热装置的几点构想

牛明建 赵永

【摘  要】油、气田集输管道中原油液体因含有大量的蜡和水合物易产生凝结、蜡堵等难题，并对集输管道、井间管道的“低温冷输”造成很大影响。论文从分析管道散热计算入手，建立一套热平衡模型，可计算出一定距离内（井口至集输罐距离，设定距离为500m）维持管道内液体温度（70   5℃）并保持流动性需要的外加热能，从而计算出极限气候条件下应匹配外接加热热源所需要的功率，在此基础上，提出开发使用几种电加热设备的构想，为后期开发使用电加热设备、设施及老管改造提供参考建议。

【Abstract】The crude oil liquid in the gathering and transportation pipeline of oil and gas field contains a lot of wax and hydrate， which is easy to cause problems such as condensation and wax blockage， and has a great impact on the "low temperature and cold transportation" of gathering and transportation pipeline and inter well pipeline. Starting with the analysis of pipeline heat dissipation calculation， this paper establishes a set of heat balance model， which can calculate the external heat energy required to maintain the liquid temperature （70   5℃） and fluidity in the pipeline within a certain distance （the distance from the wellhead to the gathering and transportation tank is set as 500m）， so as to calculate the power required by the external heating source that should be matched under extreme climatic conditions. Based on this， the paper puts forward the ideas of developing and using several electrical heating equipment， and provides reference suggestions for the later development and use of electrical heating equipment and the renovation of facilities and old pipeline.

【關键词】保温;电加热;电磁感应;恒温恒压;污染

【Keywords】insulation; electrical heating; electromagnetic induction; constant temperature and constant pressure; pollution

【中图分类号】TE973                                             【文献标志码】A                                                 【文章编号】1673-1069（2021）11-0173-03

1 引言

原油中含有大量的蜡、水合物，在输送管道中凝结，严重时形成蜡堵，阻碍原油流动，此时，需要进行加热清蜡，通常采用建立换热站使用蒸汽对管道加热的做法，这种做法在油田内集中井区可操作，而远离井区的独立作业区域就无法轻易实现。如处于寒冷地带的油、气田井间管道更是如此，需要采取其他措施来解决管道加热除蜡，防止管道产生凝结、蜡堵等问题。

结合油田设备地处野外的客观条件，冬季要耐零下40℃，夏季要耐零上40℃，无论采用何种手段，管道保温、隔热都是首要考虑的因素，在必要时需要对原油加热，确保管道中原油温度达到75℃左右，并长期维持，只有这样才能清除管道壁上的凝结蜡和水合物，使稠油在较低温度下输送而不易凝结保持流动顺畅。

通过热平衡计算所设定的参数，是后期选择何种加热方式、设定加热设备功率、实现对加热设备自动化控制的基础，是建立加热设备与石油设备系统关联关系的基础。建立相关的数据计算模型，即可选择电子、电器、远程通信监控加热设备的基础参数，从而实现能耗智能管控。

井场内输油管道主要是指油田内部连接油井与计量站、联合站的集输管道，管道经过防腐保温处理后采用地上、地埋直线铺设管线，以地上为主，地埋深度一般为0.5～0.8m。

原油不是标准意义上的成品油，相对密度一般取920kg/m3。不同区域成因不同，其所含杂质比例不同，因此，主要考虑水和蜡质对其影响，20℃水的比热容为4.18kJ/（kg·K），石蜡的比热容为2.9kJ/（kg·K），其他有机物的比热容为1.8～2.2kJ/（kg·K），因此，原油的比热容为Cp=C水×x水%+C蜡×x蜡%+…+Cn×xn%，Cn、xn%分别代表不同物质的比热容及原油中含量。为简便计算，这里以石蜡为基准加1.1系数，约4.0kJ/（kg·K）（需要根据现场实测校正）。

2 管道加热、保温、散热计算模型的建立

2.1 原油加热

一定流量的原油从40℃上升至75℃所需的能量为：

Qr=Cp×m×△t1                                     （1）

式中，Qr——原油升温所需的热能，kW。Cp——原油的比热容，kJ/（kg·K），20℃水的比热容为4.18kJ/（kg·K）。m——单位时间内被加热原油质量，kg/s。m=Vp×ρ×S。Vp——原油在管道中的流速，m/s;ρ——原油密度，kg/m3;S——输油管道截面积，m2;S=π×R2。△t1——原油温升，℃。△t1=t2-t1。t1、t2——原油出井口温度，原油顺畅流动不凝结、蜡堵的合理温度，℃。

将（1）整理后可得：

Qr=Cp×Vp×ρ×π×R2×（t2-t1）=Cv×Qv'×（t2-t1）        （2）

式中，Cv——原油的体积比热容，kJ/（m3·K）;Qv'——原油的流量，m3/s，可通过管道流量计读取。

2.2 管道保温

①正常光滑输油管结构。正常光滑输油管结构示意图见图1。②石油管道常用材料及保溫材料的热学性能。石油管道作业现场常见材料其热性能参数见表1。

2.3 散热计算

单位长度的管道在野外温度为-40℃时的散热计算式如下：

Qs=K×A×△t2                   （3）

式中，Qs——单位长度管道散热量，kW;

K——管道传热系数，W/（m2·K），与保温材料的种类及厚度有关。

K=1/（1/Rn+1/Rw+ΣR）                          （4）

式中，ΣR=Σδ/λ，δ——保温材料厚度，m;λ——保温材料导热系数W/（m·K）;Rn、Rw分别代表钢制管道的热阻及表皮覆盖物如白铁皮或油毡的热阻，m2·K/W。

R热阻=材料厚度/导热系数/修正系数=δ/λ/ζ，m2·K/W，ζ=1.0～1.2

R总热阻=R1+R2+…+Rn+0.15，m2·K/W                    （5）

式中，0.15——总热阻修订常数;A——单位长度管道面积，m2，指加过保温层的管外面积。A=π×（D/2）2×L。D——输油管道加保温材料厚的直径，m;L——单位管道长度，m，为便于计算取L=1m;△t2——原油管道内外传热温差的绝对值，℃。△t2=t3-t2。t2、t3分别代表原油顺畅流动不凝结、蜡堵的合理温度与野外温度，℃。需要注意的是，△t1原油温升指标，在这里是个较为粗略的数值，t2是原油顺畅流动不凝结、蜡堵的合理温度，代表经过加热后能够一直处于此温度下流入中储站的温度。其间，特定总长度内的输油管道划分为多个单元，每个单元的管道都视为一个散热器，导致原油降温，尤其在极限寒冷时节。因此，有可能的话为保证原油在此温度下流动，就需要设置多段加热的方式与其补充热能损失，这样每个加热装置所设置的功率就不会太高，便于现场灵活设置管理。否则需要在局部设置高功率加热器，但因短时间内将原油加热到很高温度会出现安全隐患，不可取。因此，在保温管道散热计算中需要着重考虑原油流经多长的管道温度会降到不能容忍的温度，即凝结、蜡堵的临界点温度。

根据经验，含有蜡质、水合物的原油最佳流畅温度为70±5℃，取70℃为计算温度基准，因散热损失造成原油温度将至该温度的20%（即55℃，该值是关键数值，需要论证合理性）时，需要设置后续加热装置对原油再次进行提温。例如，已知室外极限寒冷温度为-40℃，原油（油+水合物+蜡质+杂质）出井口温度为40℃，采用加热方法将其加热至75℃（理论上为原油加热安全温度），确保原油流场、不出现凝结和蜡堵。输油管道为钢质（φ125×6.3），输油管程长度（自井口至集储转运罐）500m采用地上形式铺设，管道外部都采用松散矿棉毡作为保温材料，共3层，每层厚度30mm，外层为δ10mm油毡+0.35mm白铁皮。

原油日产30t，原油相对密度一般取920kg/m3。

试计算：①原油输送过程中单位长度散热量为多少kW？②原油流经多长后（原油温度低于40℃后）会产生凝结及蜡堵？③计算需要热源功率为多少kW？

解为：①散热量计算

根据表1、式（4）和式（5）计算可得以下数据，如表2所示。

由式（3）可得：Qs=KA△t2=0.6636×π×[（120+3×30×2+10×2+0.35×2）/1000/2]2×L×（-40-75）≈-6.12W≈0.006kW

②由上述问题①的计算结果可以看出，输油管道中原油温度会随着管道延长而降低，同时，会因温度降低其散热量也随之降低。因此，可将每1m的管道视为一个散热器，视为N排（段）散热器串联，如图2所示，可通过计算求出第N排后t2N=t2=10℃。t21，t22，t23，…，t2N=t2分别是第1，2，3，…，N排（段）输油管道出口的原油温度，也是下一排（段）输油管道的入口原油温度，即t2i=t1（i+1），第i排（段）温降及散热基础温度为△t2i=t2i-t1i。

将式（1）和式（2）联立合并可得：

Cpm△ti=K×A×（t3-∑△t2i）/1000

△ti=∑△t2i

Cpm（40-75）=K×π×（D/2）2×L×[n×t3-（40-75）/1000]

n=[Cpm（40-75）+K/1000×π×（D/2）2×L（40-75）/1000]/[K/1000×π×（D/2）2×L×t3]

={3.0×0.35×（-35）+0.5763/1000×3.14×[（120+3×30×2+5×2+0.35×2）/1000/2]2×1×（-35）}/{0.5763/1000×3.14×[（120+3×30×2+5×2+0.35×2）/1000/2]2×1×（-40）}

≈18270（排/段）

③所需热源功率

根据式（1）计算将原油加热至75℃所需功率。

原油按照日产30t，通过计算，管道内截面积为0.00915624m2，由此可得管道内原油流速Vp为0.04m/s，质量流速m为0.35kg/s。

Qr=Cpm△t1=3.0×0.35×（75-40）=36.75kW

结论：根据上述问题②的计算可以看出，在上述管道保温状态下，75℃原油在流经18270（排/段）即18270m后才会降温至40℃（设定原油不凝结、蜡堵），因此，只要做好输油管道保温，中途可不需要再额外加热就能保证原油不凝结、蜡堵，也可在此管道中加入恒温伴热带来确保中途温度不降低，尤其针对法兰、弯头、阀门及其他管道中设备、仪器仪表做好辅助加热，避免因其散热严重影响管道中原油的流畅性。

3 加热装置选择与对比

3.1 直接加热

3.1.1 高频电磁感应加热器

工作原理：利用电磁感应原理将电能转换为热能的能量转换过程，由整流电路将50/60Hz的交流电压转变成直流，再经过功率控制电路将直流转换成频率为20kHz的高频电流。当高速变化的高频电流通过线圈时，线圈会产生高速变化的交变磁场，磁力线能快速穿透保温材料，不破坏管道保温层。是非接触电磁加热，所以不存在漏电等安全隐患和温度过高的可能性。交变磁作用于金属管道（加热体）时，金属体内产生无数的小涡流，使金属管道（加热体）自行发热并加热内部的液体介质。再配以温度测控，便形成了一个完整的工作循环。特点：热速度快（20s，可使管道温度达到100℃以上），效率高（近100%）。使用寿命长，可直接用于压力较高的管线。同时，由于高频电磁场的作用，极大削弱了液体中金属离子的结合力，可使液体中钙、钠、镁等金属矿物质离子有序排列不易结合，不易形成水垢。此外，电磁加热方式可大大降低原油分子的结合力，使稠油在较低温度下输送而不易凝结。加热体采用与输油管道同样承压能力的无缝管加工成型，外线圈无热源感应加热技术，工作过程无火花、不漏电，可实现多重温度测控。

3.1.2 发热电缆（电磁感应伴热系统）

工作原理：通过电缆之间的半导体热阻将电能转换成热能，从而实现对被加热管道进行加热。将感应缆直接穿入集输管道内，由集输管道直接产生热能。当管壁升温到比“输送液凝点”温度略高时，管壁与输送液之间的摩擦降到最小值，将大大提高介质的流动性，实现产能最大化。而管道中心液体的温度根据管径的不同低于管壁5～20℃，可以实现节能最大化。彻底解决集输管道结蜡、凝管难题，实现油（气）集输真正意义上的“低温冷输”。特点：无机绝缘、耐高温、不燃烧。适合在管道外敷、成型保温层内穿，适合高功率密度、大温差加热。工作过程无火花、不漏电，可实现多重温度测控。应用于油（气）田集输管道、井间管道的低温安全输送，防止产出液体中蜡和水合物凝结，或蜡堵等。方便老管改造。

3.2 间接加热

工作原理：通过加热后的导热介质在管道外壁循环，间接加热管道中原油，使其达到设定温度不产生凝结、蜡堵等现象。铜管内流动着高温导热油，从一端进入另一端流出，加热器、油泵与其相连接形成闭路热循环系统。其通过铜管壁散热，加热输油管道。加热热源：高频电磁感应加热器、电阻式加热器。特点：电热源不与管道直接接触，不存在供热、漏电、电磁泄漏等问题，加热周期长。维护方便，施工简单。

4 加热装置自动化控制实现的可行性

以上加热装置主要由4部分组成，分别是：电（或电磁）加热单元、功率驱动单元、中心控制单元和供电控制单元。本项目开发设备系统可实现当温度升高到设计上限温度加热器自动停机;当温度降低到设计下限温度加热器自动开机。控制系统连续可调，定时加热，过载保护，数字显示观察方便，并可准确预置电流，具有过流、过热、欠压等多重保护功能、温度检测控制，操作简单、易掌握。软启动，软关断，无启动冲击电流，避免因电压波动造成损坏。预设工作温度，自动控温。多个感应探头及高温主机自动停机。同时，可选配通信接口支持RS485通信方式和短信方式，用于远程控制、远程数据采集。同时，课题组选用的电加热设备元器件的稳定性可靠，其无故障工作时间都可达1.5万小时，产品实现无人值守、免维护。

5 结论

通过对输油管道散热、保温计算的分析可以看出，输油管道保温质量是井场节约能源、降低成本的首要因素。在此基础上，原油被加热至75℃，可被非常流畅地输送至轉运罐。而加热原油的热源装置功率必须是可调节的，即根据现场情况实现自动调节，降低能耗和成本。同时，可将加热设备设置成2组等功率加热设备，降低设备投入。针对不同加热装置进行选择时，应以可实现自动化控制及远程操作管理为基准。

【参考文献】

【1】陆耀庆.供暖通风设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1987.

【2】薛殿华.空气调节[M].北京：清华大学出版社，1991.

【3】杨世铭，陶文铨.传热学（第4版）[M].北京：高等教育出版社，2006.