翅片式U型換熱管束在蒸發(fā)器中的應(yīng)用

翟雨萍

（山東恒業(yè)石油新技術(shù)應(yīng)用有限公司，山東東營(yíng) 257067）

翅片式U型換熱管束在蒸發(fā)器中的應(yīng)用

翟雨萍

（山東恒業(yè)石油新技術(shù)應(yīng)用有限公司，山東東營(yíng) 257067）

本文對(duì)直燃式蒸發(fā)器的基本工作原理、工藝流程、換熱管束的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、選型進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，進(jìn)行了相關(guān)的設(shè)備介紹、參數(shù)說(shuō)明。

直燃式蒸發(fā)器 U型換熱管束 工作原理

1 前言

直燃式蒸發(fā)器，是直燃式液氮泵車(chē)的一個(gè)重要組件，采用先進(jìn)的儀器和控制系統(tǒng)，用以確保設(shè)備的安全可靠性和操作的簡(jiǎn)單性；最高工作壓力為15000psi，可與大部分型號(hào)的壓裂機(jī)組匹配，共同作業(yè)。

該設(shè)備主要由燃燒系統(tǒng)、進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)、風(fēng)箱、控制系統(tǒng)、翅片式U型換熱管束組成。燃燒系統(tǒng)主要由燃燒室、燃料匯管和控制系統(tǒng)組成；翅片式U型換熱管束主要由U型翅片管束、支持板和匯總管組成，換熱系統(tǒng)工作壓力15000psi，是直燃式蒸發(fā)器的核心部件。

2 蒸發(fā)器的發(fā)展情況、使用場(chǎng)所

氮?dú)饧夹g(shù)服務(wù)于油田生產(chǎn)已有幾十年的歷史，在這期間，隨著科技的進(jìn)步與業(yè)內(nèi)相關(guān)人士的不懈努力，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)逐步走向成熟?；诘?dú)獾闹饕攸c(diǎn)：密度低、穩(wěn)定性好、易壓縮等，它在鉆井、固井、修井、混氣壓裂、射孔、混氣酸化等方面有著廣泛的應(yīng)用。近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)油田混氣壓裂分為兩類(lèi)，一類(lèi)是常規(guī)油氣層的開(kāi)發(fā)，施工排量小，壓力低，另一類(lèi)是天然氣和煤層氣的開(kāi)發(fā)，施工排量大，壓力高。目前各油田使用的液氮設(shè)備主要依靠進(jìn)口，價(jià)格昂貴、配件供應(yīng)和服務(wù)維修不及時(shí)。

3 設(shè)備組成、工作原理及工作流程

3.1 直燃式蒸發(fā)器的組成

燃燒系統(tǒng)：主要由燃燒室、燃料匯管和控制系統(tǒng)組成，燃燒室由點(diǎn)火器、噴油嘴、燃燒室內(nèi)腔、控制裝置組成，噴油嘴提供油氣混合體，在燃燒室內(nèi)腔中燃燒，提供熱量；

進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)：主要由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇，用于提供氣流；

風(fēng)箱：主要作用是提供足夠的風(fēng)量擴(kuò)散空間；

控制系統(tǒng)：既要保證排氣溫度穩(wěn)定，又要保證安全性和可靠性，以提高液氮管束的使用壽命和保證蒸發(fā)器工作安全，控制臺(tái)按功能模塊化設(shè)計(jì)，控制邏輯清晰，分為手動(dòng)模式和自動(dòng)模式；

換熱系統(tǒng)：采用翅片式U型換熱管束，主要由不銹鋼翅片盤(pán)管、匯管、換熱器殼體組成。利用燃燒系統(tǒng)制取的熱量，將翅片盤(pán)管中的液氮從-196℃加熱至常溫。

3.2 直燃式蒸發(fā)器的工作原理

柴油被增壓后噴進(jìn)燃燒室并充分霧化，經(jīng)過(guò)輔助燃燒系統(tǒng)點(diǎn)燃已霧化的柴油，燃燒的火焰對(duì)高壓盤(pán)管進(jìn)行加熱，盤(pán)管里的液氮吸收熱量后變成常溫氮?dú)??？筛鶕?jù)排出溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)蒸發(fā)器火力，保持排出氮?dú)鉁囟确€(wěn)定。

3.3 直燃式蒸發(fā)器的流程

直燃式蒸發(fā)器由燃燒系統(tǒng)、進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)、風(fēng)箱、控制系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)組成。進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)將燃燒室的熱空氣和常溫空氣在風(fēng)箱內(nèi)混合為具有一定溫度的熱空氣，此熱空氣用來(lái)加熱換熱系統(tǒng)中的冷介質(zhì)。在換熱系統(tǒng)前加兩個(gè)溫度變送器控制換熱系統(tǒng)入口熱空氣溫度小于400℃，保證翅片管在15000psi超高壓力下正常運(yùn)行。

4 翅片式U型換熱管束的設(shè)計(jì)

4.1 翅片管設(shè)計(jì)

翅片管是換熱系統(tǒng)的核心和關(guān)鍵部件，直接影響著換熱系統(tǒng)整體性能的優(yōu)劣。翅片管有多種形式，依應(yīng)用場(chǎng)合和設(shè)計(jì)要求不同而異，當(dāng)換熱管管外流體系數(shù)比管內(nèi)流體系數(shù)小時(shí)，需要在管外擴(kuò)展傳熱表面，增加傳熱系數(shù)，影響翅片表面?zhèn)鳠岬闹饕蛩厥浅崞叨?、翅片厚度、翅片間距以及翅片材料的熱導(dǎo)率。

4.1.1 材質(zhì)的選擇

TP304是一種通用性的不銹鋼，TP304L是碳含量較低的TP304不銹鋼的變種，用于某些腐蝕介質(zhì)或防止產(chǎn)品污染或在低溫下工作的非直接受火換熱設(shè)備的換熱管。較低的碳含量使得在靠近焊縫的熱影響區(qū)中所析出的碳化物減至最少，而碳化物的析出可能導(dǎo)致不銹鋼在某些環(huán)境中產(chǎn)生晶間腐蝕（焊接侵蝕）。

316L不銹鋼具有良好的焊接性能、耐腐蝕性能和良好的耐熱性。

換熱管內(nèi)介質(zhì)是液氮，管外是熱空氣。

故基管材質(zhì)選用TP304L，翅片選用316L。

4.1.2 熱導(dǎo)率

TP304L在下列溫度下的熱導(dǎo)率λ W/（m·℃）

20 100 500

12.1 16.3 21.4

316L在下列溫度下的熱導(dǎo)率λ W/（m·℃）

100 300 500

15.1 18.4 20.9

兩種材質(zhì)的熱導(dǎo)率相差不大，可以用高頻焊焊接在一起。

4.1.3 翅片形式的選擇：

翅片選用外翅片管圓管橫向翅片管，橫向翅片管有圓形翅片管、螺旋翅片管、鋸齒翅片管、扇形翅片管等形式，考慮到熱空氣的流速相對(duì)較高，選用扇形翅片管。

4.2 換熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式的設(shè)計(jì)

換熱盤(pán)管為T(mén)P304L無(wú)縫鋼管，一進(jìn)口、一出口，中間無(wú)對(duì)接焊接接頭，直管段高頻焊接翅片。

本設(shè)備工作壓力15000psi，對(duì)于此超高壓的工況，盡量減少焊點(diǎn)，減小泄露機(jī)率，于是采用集合管式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于生產(chǎn)，且布局比較緊湊，占地面積小，設(shè)備的投資和操作費(fèi)用相對(duì)較低。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上的論證，翅片式U型換熱管束，基管選用TP304L，翅片選用316L扇形翅片；選用集合管式結(jié)構(gòu)；整體結(jié)構(gòu)緊湊、換熱效果理想、熱補(bǔ)償性能好、承壓能力強(qiáng)，適用低溫、高壓工況，在蒸發(fā)器中得到廣泛的應(yīng)用，為公司創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也為行業(yè)的發(fā)展作出了一定的貢獻(xiàn)。

［1］劉成.NPT360HR15型液氮泵車(chē)的特性與使用研究.鉆采工藝，2000，5.

［2］王永勝.840K型直燃式液氮泵車(chē)的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用.甘肅科技，2009，8.

［3］王志魁，莫錫榮.化工原理.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1994：5-5.

翟雨萍（1976—），山東青島人，畢業(yè)于西安石油學(xué)院，化工機(jī)械專(zhuān)業(yè)，學(xué)歷：本科，工程師，研究方向：壓力容器、換熱設(shè)備、空冷器。