注汽管线热损失数学模型与性能比较

注汽管线热损失数学模型与性能比较

郝婷婷

胜利油田采油工艺研究院郝婷婷

摘要：向油井注入高干度的蒸汽是提高油汽比的关键点。本文通过保温管线传热机理的研究；计算保温材料每千米热损失、蒸汽干度降低值；通过钛陶瓷保温材料和硅酸铝岩棉保温材料的保温性能、防水性能、机械性能、使用寿命的比较，可以看出钛陶瓷保温材料以上四方面性能均优于硅酸铝保温材料，是注汽管线保温材料的升级换代产品。

关键词：注汽管线保温材料钛陶瓷硅酸铝热损失干度

稠油热采是向油层注入高温高压蒸汽，注入地层蒸汽干度越高，其热焓越高。如何保证注入油层蒸汽的干度，是本文研究的重点。提高井底注汽干度有两个方面，一是提高锅炉出口干度，二是减少输汽过程中的热损失。本文重点研究如何减少输汽过程中的热损失，在锅炉出口干度一定的情况下，以保证井底干度达到设计要求。

1注汽管网热损失计算

蒸汽输送热损失包括注汽管线热损失、阀门热损失、支墩热损失，根据《注汽管线热损失分析与保温技术研究》知道，支墩热损失占输汽过程中热损失的13.6%，阀门散热损失占输汽过程中热损失的2.3%，两项为15.9%，注汽管线热损失占84.1%。因为阀门、支墩热损失理论计算较困难，使用仪器现场测量支墩权平均求得占总热损失的比重。如果能计算出注汽管线的热损失值，就可求得墩和阀门的散热损失。下面重点研究注汽管线的热损失的理论计算。注汽管线散热损失主要包括注汽管壁通过保温层的导热，保温层和空气的对流辐射换热，在工程计算中，可将对流、辐射换热系数复合成对流换热系数。

2注汽管线热损失数学模型建立

通过注汽管线保温层导热公式，建立保温层热损失数学模型。

保温层导热公式：（1）

公式是注汽管线保温层传热的数学模型。式中t1为注汽钢管外壁温度，由于钢管蒸汽对管壁对流换热系数、管壁导热系数非常高，钢导热性能良好，可认为管壁温度等于管内蒸汽温度。因此t1可通过蒸汽焓熵图表查得。λ是保温材料的导热系数，和材料的性质使用温度有关，可通过查表计算求得。h是复合对流换热系数，影响因素较多，计算过程复杂，主要和保温层直径、形状、风速、保温层外表温度、环境温度有关。通过经验公式计算求得。

2.1钛陶瓷保温材料热损失计算

钛陶瓷保温材料导热系数经验公式为

（2）

2.2压力损失计算

蒸汽输送过程中还存在压力损失，在输汽过程中，蒸汽的状态参数压力、温度、焓、干度是不断变化的。压力损失和蒸汽干度、流量、管径、、阀门、弯头管壁粗造度有关。算出压力损失后，可求得1000m处的蒸汽压力。压力损失包括摩擦阻力损失和局部阻力损失。

2.3摩擦阻力损失计算

（3）

3钛陶瓷新型保温材料与硅酸铝岩棉保温材料比较

3.1钛陶瓷与硅酸铝岩棉保温材料保温性能

由于注汽管线生产特点通常为间歇式运行，造成管道的不均匀性伸长或缩短，这样容易造成内外层硅酸铝的松动及内外层之间的互错，形成较大空腔，传热方式由传导改变为对流与辐射换热，减弱了保温层的保温作用。硅酸铝理论导热系数为0.065w/m.k，使用条件下导热系,0.0805w/m.k。硅酸铝保温层的热损失使用寿命为3年左右。

3.2干度保留值

通过理论计算钛陶瓷保温的管线蒸汽干度比硅酸铝岩棉保温的管线蒸汽干度高1.2%实际上硅酸铝岩棉保温层的热流密度远大于理论计算值。因该保温材料不憎水，容易被雨水浸泡，加上踩踏等原因，导致保温层下沉，使得保温层厚度不均匀，上半部变薄，下半部变厚。2012年对胜利油田热能监测站对固定注汽管线进行了热损失现场测量，每千米注汽管线干度降低值高达20%，从而验证了随着使用时间的延长，保温性能不断下降的结论。

3.3两种保温材料热损失比较

使用钛陶瓷新型保温材料每天可节省燃料量为815-724.99=90Kg，每年可节省燃料量为90*365*0.7=22995Kg。使用钛陶瓷新型保温材料每天可节省燃料量为1590-695.52=894.48Kg，每年可节省燃料量为894.5*365*0.7=228544.75Kg

3.4钛陶瓷与硅酸铝岩棉保温材料防水性能

钛陶瓷保温材料不沾水，防水性能良好，可以在潮湿环境长期使用。由于防水，所以在雨季仍然有良好的保温性能。硅酸铝岩棉不具有憎水的性能，一旦外保护层出现破损，硅酸铝便出现吸水、吸湿现象，一方面造成保温层黏贴、下沉，另一方面因保温料积水后干燥能力弱，加剧了管线的外部腐蚀，安全运行系数降低。

3.5钛陶瓷与硅酸铝岩棉保温材料机械性能

钛陶瓷保温材料为硬质材料设计，不会下沉、脱落，不怕外力挤压及踩踏。投产两年孤岛3#站（钛陶瓷）管线保温现场的保温层仍完好无损。硅酸铝岩棉保温材料使用一段时间后，出现下沉、脱落，上部保温层堆积变薄等现象，并且部分区域开关闸门时操作人员需要爬到管线上面，保温层易被踩踏破坏。