熱管式油井節能加熱爐裝置的製作方法

2023-06-11 06:06:01

專利名稱：熱管式油井節能加熱爐裝置的製作方法
技術領域：
一種熱管式油井節能加熱爐裝置，屬於石油開採輔助設備，涉及一種高效節能的原油加熱爐。
背景技術：
目前，國內外在石油開採中，為使油井中吸出原油的黏稠度低，以便於通過管道將原油輸送出去，普遍採用的是水套爐或燃氣爐對原油加熱。水套爐方式是用熱水鍋爐提供的熱水包套在待加熱油管的外面，對管中的原油進行加熱的方式；燃氣爐方式和家用煤氣灶的工作方式相似，採用燃氣從待加熱油管外面燃燒，對管中的原油進行加熱的方式，這兩種加熱方式共同特徵是採用外燃式加熱，其熱源沒有遮蔽，二者共同的缺點是熱能的洩漏、逃逸量大、熱效率低。特別是水套爐存在管路氣阻、管路腐蝕和傳熱性能差等問題，其能源利用率很低，設備故障率又高，屬於亟待更新的舊設備。本實用新型的目的是提供一種新型的油井節能加熱爐裝置，這種加熱爐裝置的設計採用了將電熱源和待加熱的油管全部包入熱管內部的結構形式，令熱交換過程完全在熱管內部的工作介質中進行，這樣一來，熱源除了向熱管的工作介質散熱外，沒有其他散熱路徑，從而克服了現有技術的熱源在加熱過程中的熱能洩漏、熱效率低的問題。
本發明涉及的熱管技術，可檢索到最早的熱管專利是美國PN02350348號專利。又據報導，1964年美國首次製成了商品熱管。70年代以後，熱管技術的應用才逐步從航天工業轉向普通工業領域。目前熱管技術已相當廣泛的應用於電子電器散熱器，大型空氣預熱器，高溫高壓化學反應器等高效換熱裝備中了。
熱管的結構和原理熱管一般是在一段真空的管子內，充入若干易於蒸發的液體作為工作介質(工質)，當工質受熱蒸發，上升到較冷的上端，氣態的工質釋放掉潛熱，從氣相變回液相，凝結成液滴，由於重力作用或其他物理作用，液滴重新回到底部，在熱能的作用下工質再次被蒸發，然後又上升再次冷卻，這樣工質周而復始地進行相變，周而復始地將熱量搬運到冷端；由於熱量的搬運是靠工質的相變完成的，所以管內的溫度梯度很小，接近於等溫(兩米長的熱管，管內蒸氣的溫度差不超過5度)，熱管的導熱係數是金屬的5000-10000倍；傳遞熱量大，幾乎達到金屬良導體的千倍，故熱管有熱超導之稱。熱管的導熱效率＞95％；導熱密度達540-15000瓦/平方釐米；導熱速度＞200毫米/秒(銅的千倍)；工作溫度範圍零下200℃至零上2000℃，由於熱管的一系列優異的導熱性能，所以在石油化工，冶金，紡織，陶瓷，鍋爐，採暖，烘烤等行業得到廣泛的應用。目前，熱管技術按常規的使用方法，都是從熱管一頭的外表加熱，又從熱管另一頭的外表散熱。換言之，如以熱管的管壁為界面，充有工作介質的密封部分是熱管的內面，與大氣接觸的一面就是熱管的外面，常規的使用中，加熱和散熱過程都是在熱管管壁的外面進行的，工作介質周而復始地蒸發與凝結的循環過程則在密封的管子內部進行。

發明內容
①所要解決的技術問題本實用新型的目的是提供一種熱管式油井節能加熱爐裝置，該節能加熱爐裝置一方面在設計中採用熱管的基本結構，利用熱管的優異導熱性能，把熱源的熱量快速高效地輸送到低溫區域，使低溫區的溫度升高，用此熱量對剛從油井中吸出的原油進行加熱，使其黏稠度下降，以便於管道輸送；一方面採用了將電熱源和待加熱油管全部包入熱管內部的設計，令熱交換過程完全在熱管的工作介質中進行，這就從根本上避免了傳統熱管在傳熱過程中熱能的洩漏與逃逸，進一步減少了熱量的散失，提高了熱能的利用率。本發明的內容可以用一形象化的方式表述如下在一個密閉的、真空的空間裡，放入了電熱源、待加熱油管和熱管工作介質；電熱源的熱量通過熱管工作介質的相變將熱量源源不斷地搬運到待加熱油管上，從而實現了熱能快速高效、無洩漏地傳遞與利用，達到節能、降低採油成本的目的。與普遍採用的水套爐或燃氣爐加熱方法相比，本實用新型從根本上克服了在傳熱過程中熱能的洩漏與逃逸，與水傳熱相比，總節能可達到40％-50％的水平。
②所採用的技術方案本發明的熱管式加熱爐中，將作為熱源的電加熱器和待加熱的油管全部浸入熱管內部的工作介質中並封裝在熱管內部；又為了增大待加溫的油管的表面積，將油管盤成螺旋狀，而且做成雙份，每一根螺旋管都單獨用金屬板捲成夾套將其套在中間，形成一大一小的兩個環狀套筒，小的在內大的在外，呈同心狀；將兩個螺旋油管的進出口分別並連起來，形成總的進出口。兩個環狀套筒作為熱管爐的吸熱部；電加熱器也用金屬管套起來，作為熱管爐的發熱部；然後用連通管把吸熱部和發熱部串聯起來形成一個密封的熱管系統。這樣設計的好處是避免了熱量向空中的逸散；一方面電熱源的熱量直接進入熱管工作介質中，傳熱過程不必經過熱管外殼的傳導；一方面待加溫的油管直接從工作介質中吸收熱量，傳熱過程同樣不經過熱管外殼的傳導，這樣就從根本上避免了傳統熱管在傳熱過程中熱能的洩漏與逃逸，節約了熱能，提高熱能的利用率。其次，本實用新型為了保證在停電時仍可維持對原油進行加熱，在設計中附設了一套燃氣噴火加熱裝置，其特徵是通過傳感器探知停電發生的瞬間，即刻自動點燃燃氣噴火加熱，一旦供電恢復，即刻自動切斷燃氣，恢復電加熱工作狀態。(電加熱工作狀是本實用新型的基本狀態，也是熱效率最佳的狀態。燃氣噴火加熱僅作為停電時的應急措施，此時的熱效率大體上是常規熱管的水平)。
③本實用新型的有益效果與現有的水套爐加熱原油法相比，熱管法的導熱效率高，加上本設計中電熱源的熱量直接進入熱管工作介質中，所加熱的油管也直接浸泡在熱管內的工作介質中，待加溫的油管直接從工作介質中吸收熱量，從根本上避免了在傳熱過程中熱能的洩漏與逃逸，使熱效率更進一步提高，故與水傳熱相比，總節能可達到40％～50％的水平。


圖1熱管式油井節能加熱爐裝置總體結構圖圖2熱管式油井節能加熱爐裝置吸熱筒結構圖圖3熱管式油井節能加熱爐裝置內外層螺旋式油管組裝圖圖4熱管式油井節能加熱爐裝置內層螺旋式油管圖圖5熱管式油井節能加熱爐裝置發熱筒結構圖圖6熱管式油井節能加熱爐裝置出油口油溫自動控制閥結構圖圖7熱管式油井節能加熱爐裝置電氣控制系統圖圖8熱管式油井節能加熱爐裝置電路圖
以下結合附圖詳細說明本實用新型的具體實施方式
附圖1是本發明熱管式油井節能加熱爐裝置總體結構圖，圖中(1)排煙筒；(2)熱管爐外殼；(3)電器控制箱；(4)熱管爐外層吸熱筒；(5)內層螺旋式油管入口；(6)原油輸入口；(7)熱管爐內層吸熱筒；(8)內層螺旋式油管；(9)外層螺旋式油管；(10)吸熱筒溫度傳感控制器；(11)出油口油溫傳感器；(12)出油口壓力傳感器；(13)原油輸出口；(14)出油口油溫自動調節閥(15)針型閥；(16)熱管工作介質回流管；(17)熱管爐發熱筒；(18)電加熱器；(19)火焰溫度傳感器；(20)燃氣輸入管；(21)燃氣輸入口；(22)燃氣電磁閥；(23)燃氣輸出管；(24)電點火器；(25)熱管爐底座；(26)噴火盤；(27)熱管工作介質出液管；(28)熱管爐外殼隔熱層(29)熱管爐吸熱筒下支架；(30)熱管爐吸熱筒上支架；(31)熱管爐安全卸壓閥。
具體實施方式
參閱附圖1，將附圖1中熱管爐內外層吸熱筒(7和4)和熱管爐發熱筒(17)由熱管工作介質出液管(27)、熱管工作介質回流管(16)串聯起來形成一個密封的熱管系統。熱管系統內灌注的工作介質最好是一氟三氯甲烷(CCL3F)，也可以採用甲烷、丙酮、乙醇、甲醇或甲苯等低溫、常溫類型的工作介質。當熱管爐發熱筒(17)內的電加熱器(18)通電發熱時，熱管系統內的工作介質開始升溫，當溫度達到23.7℃，工作介質立即開始氣化，迅速將熱量傳遞到整個熱管系統。工作介質的溫度的控制方法有二，其一由出油口油溫自動調節閥(14)和針形閥(15)進行自動控制，此法在燃氣加熱時使用；其二通過控制電加熱器(18)供電的通斷，實現溫度的自動控制，此法在電加熱時使用。一般，將出油口的油溫控制在用戶設定的溫度上，如70±1℃。
參閱附圖1和2可見，因為內層螺旋式油管(8)焊接在熱管爐內層吸熱筒(7)內；外層螺旋式油管(9)焊接在熱管爐外層吸熱筒(4)內，所以熱管爐內外吸熱筒(7和4)內的熱量便直接傳遞給內外層螺旋式油管(8和9)，從而使內外層螺旋式油管內的原油迅速地升溫，管內的原油隨溫度升高而稀釋，流動性增加，使輸油變得通暢。其次，為了保證在停電時還能對原油進行加熱，本裝置還設計了一套燃氣加熱系統，它是這樣實現的參閱附圖1，熱管爐發熱筒(17)下方設有一個噴火盤(26)，它是一個天然氣燃氣噴頭，經燃氣輸入口(21)接至油田的天然氣管道對其供氣。一旦發生停電，燃氣電磁閥(22)立即打開，與此同時，電點火器(24)進行點火，即刻點燃燃氣噴火，便從熱管外部對熱管爐發熱筒(17)繼續加熱。(停電時，電磁閥、控制電路、照明等弱電設備的供電可由備用蓄電池解決。)以下說明熱管爐電氣控制系統的工作原理參閱附圖7，附圖7是熱管式油井節能加熱爐裝置電氣控制系統圖，它表現了傳感器信號採集和電氣控制箱(3)輸出的控制信號與熱管爐二者之間的連結關係。為了實現熱管爐運行過程中自動溫度控制；電加熱工作方式與燃氣工作方式的自動轉換；燃氣自動點火；燃氣噴火強度的自動控制；油溫、油壓數據顯示和油溫、油壓超限報警等，本實用新型設計了一個單片機控制系統。它是這樣工作的參閱附圖8，如熱管式油井節能加熱爐裝置電路圖(圖8)所示，單片機電路(圖8，IC1)是中央處理器，它共採集4路傳感器信號即①出油口油溫傳感器(11)信號；②吸熱筒溫度傳感器(10)信號；③出油口壓力傳感器(12)信號；④火焰溫度傳感器(19)信號，這4路傳感器信號先由A/D轉換晶片(圖8，IC4)作A/D轉換，後接入單片機電路(圖8，IC1)的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3腳由單片機電路(圖8，IC1)進行數據處理，處理結果接至擴展晶片(圖8，IC6)的PB4、PB5、PB6腳，然後經光電偶合器(圖8，IC10)接至三極體(圖8，T2、T3、T4)進行放大，就可以驅動繼電器(圖8，J1、J2、J3)動作了，電加熱器(18)接在繼電器(圖8，J4)的觸點(圖8，J4-1)上，故繼電器(圖8，J4)的通斷即控制電加熱器(18)的加熱與否；同樣，燃氣電磁閥(22)連接在繼電器(圖8，J2)的觸點(圖8，J2-1)上，繼電器(圖8，J2)的通斷即控制燃氣電磁閥(22)的吸合與否；電點火器(24)連接在繼電器(圖8，J1)的觸點(圖8，J1-1)上，繼電器(圖8，J1)的通斷即控制電點火器(24)的點火與否。由此可見，通過繼電器(圖8，J1、J2、J3和J4)的動作就可以完成整個熱管爐所需的操作。附圖8中IC5是時鐘晶片，通過圖8，IC1的PO口與圖8，IC5的數據總線口D口相連，圖8，IC1的P2.1、P2.2腳接圖8，IC6的CE、IO片選腳，控制總線由圖8，IC1的WR、RD、PSEN、INTI與圖8，IC5、IC6的控制總線AS、W/R、DS、IRQ諸腳相連，由圖8，IC1的內部程序存儲器控制整個單片機系統的順序運行。圖8，IC1的P1.4、P1.5、P1.6輸出串行數據通過緩衝器(圖8，IC7)和串行數據顯示晶片(圖8，IC8、IC9)將數據送到圖8，LED4～LED7數碼管進行油溫和油壓數據的實時顯示。圖8，IC2為看門狗晶片，當程序跑飛或死機時，可通過緩衝器(圖8，IC3)使圖8，IC1的復位端(RESET)清零復位，重新起動。擴展晶片(圖8，IC6)的PA1、PA2、PA3、PA4的信號經緩衝器(圖8，IC12)驅動發光二極體ED1、LED2、LED3和喇叭(圖8，WD)發出聲光報警信號，提醒工作人員注意調整參數以防事故發生。圖8，IC11為直流電模塊，提供系統所需5伏和12伏電源。印刷電路板圖可從熱管式油井節能加熱爐裝置電路圖(圖8)直接導出。全部電器零部件安裝在電器控制箱(3)內。
下面描述一個實施例
首先按照附圖2，加工熱管爐內外層吸熱筒(7和4)；再按照附圖3和附圖4，加工內外層螺旋式油管(8和9)，並分別將內外層螺旋式油管(8和9)組裝在熱管爐內外層吸熱筒(7和4)內；然後按照附圖3，將內外層螺旋式油管(8和9)焊接在一起，這樣就做成了熱管爐的吸熱部件。
下一步，按照附圖5加工熱管爐發熱筒(17)並將電加熱器(18)組裝在其內部，這樣就做成了熱管爐的發熱部件。
為確保內外層螺旋式油管(8和9)勝任工作壓力並且確無洩漏，需要用水泵對它進行6mpa加壓試驗，試驗合格方可應用。
同樣，對熱管爐內外層吸熱筒(7和4)，熱管爐發熱筒(17)也要對它們進行加壓試驗，試驗加壓為1mpa，試驗合格方可使用。
第三步，按照附圖1，將熱管爐的發熱部件和熱管爐的吸熱部件用熱管工作介質出液管(27)和熱管工作介質回流管(16)串聯起來，組裝成一體；在封口以前灌注入熱管工作介質，最好是一氟三氯甲烷(CCL3F)，也可以灌注甲烷、丙酮、乙醇、甲醇或甲苯等低溫、常溫類型的工作介質，灌注量為整個熱管系統容積的三分之一，然後對系統進行加熱，加熱溫度達到23.7℃時，工作介質開始汽化，工作介質的氣體將熱管內的空氣擠出後，即將灌注口封死。當系統內的溫度降到30℃以下時，熱管系統內變為真空。至此，一個完整的、密封的、熱管式原油節能加熱爐裝置的熱管系統便組裝成功了。此時，就可按照附圖1將此熱管系統安裝到熱管爐外殼(2)內，熱管爐內外層吸熱筒(7和4)固定在熱管爐吸熱筒下支架(29)上，熱管爐吸熱筒上支架(30)起到加固的作用；熱管爐發熱筒(17)也固定在熱管爐吸熱筒下支架(29)上；火焰溫度傳感器(19)安裝在熱管爐發熱筒(17)和噴火盤(26)之間，電點火器(24)附著在噴火盤(26)上，結構與家用煤氣灶相仿。
最後，按照附圖1，將熱管爐外殼隔熱層(28)砌好，並將熱管爐外殼(2)焊接完成；原油輸入口(6)和原油輸出口(13)焊接在熱管爐外殼(2)的外面；出油口溫度傳感器(11)和出油口壓力傳感器(12)焊接在原油輸出口(13)上；吸熱筒安全卸壓閥(31)焊接在吸熱筒溫度傳感控制器(10)下方。
出油口溫度自動調節閥(14)直接與原油輸出口(13)相連接。出油口溫度自動調節閥(14)是一個溫控閥門，它根據油管內油溫的高低調節針形閥(15)的開度，油溫高開度小，油溫低開度大，這樣一來就可以自動保持油溫的穩定。火焰溫度傳感器(19)用來監控斷氣或滅火時令燃氣電磁閥(22)關斷，防止燃氣洩漏。
如前所述，燃氣加熱系統旨在停電時使用，一旦發生停電，燃氣電磁閥(22)立即打開，與此同時，電點火器(24)進行點火，可即刻自動點燃燃氣噴火，保證從熱管外部對熱管爐發熱筒(17)繼續加熱。
出油口溫度傳感器(11)可以採用市售品，當用戶將出油口油溫設定在70±1℃，溫度達到上限時，熱管爐電氣控制系統立即輸出信號，切斷電加熱器(18)的電源，溫度低於下限時，便接通電加熱器(18)的電源，從而實現自動控制輸出油溫的恆定。
當採用燃氣加熱時，出油口溫度的自動控制，是由出油口油溫自動調節閥(14)和針形閥(15)兩個器件聯動實現的，其工作原理如附圖6所示出油口油溫自動調節閥(14)包括接頭(圖6，14-1)、活塞體(圖6，14-2)、固定架(圖6，14-3)、缸體(圖6，14-4)、活塞頭(圖6，14-5)、彈簧(圖6，14-6)、活塞杆(圖6，14-7)、齒條(圖6，14-8)、圓齒輪(圖6，14-9)，當油溫升高，油壓相應升高，推動活塞頭(圖6，14-5)向下運動，導致齒條(圖6，14-8)前進、圓齒輪(圖6，14-9)轉動，擰轉了針形閥(15)，將燃氣關小，反之，油溫降低，將燃氣開大，從而實現出油口油溫度的恆定。
權利要求1.一種熱管式油井節能加熱爐裝置，包括排煙筒(1)，熱管爐外殼(2)，電器控制箱(3)，熱管爐外層吸熱筒(4)，內層螺旋式油管入口(5)，原油輸入口(6)，熱管爐內層吸熱筒(7)，內層螺旋式油管(8)，外層螺旋式油管(9)，吸熱筒溫度傳感控制器(10)，出油口油溫傳感器(11)，出油口壓力傳感器(12)，原油輸出口(13)，出油口油溫自動調節閥(14)，針型閥(15)，熱管工作介質回流管(16)，熱管爐發熱筒(17)，電加熱器(18)，火焰溫度傳感器(19)，燃氣輸入管(20)，燃氣輸入口(21)，燃氣電磁閥(22)，燃氣輸出管(23)，電點火器(24)，熱管爐底座(25)，噴火盤(26)，熱管工作介質出液管(27)，熱管爐外殼隔熱層(28)，熱管爐吸熱筒下支架(29)，熱管爐吸熱筒上支架(30)，熱管爐安全卸壓閥(31)，其中熱管爐內外層吸熱筒(7和4)和熱管爐發熱筒(17)由熱管工作介質出液管(27)熱管工作介質回流管(16)串聯起來形成密封的熱管系統，作為熱管爐熱源的是熱管爐發熱筒(17)，作為熱管爐的吸熱部的是熱管爐內外層吸熱筒(7和4)，其特徵是內層螺旋式油管(8)焊在熱管爐內層吸熱筒(7)內，並浸泡在熱管爐內部的工作介質中，外層螺旋式油管(9)焊在熱管爐外層吸熱筒(4)內，也浸泡在熱管爐內部的工作介質中，電加熱器(18)安裝在熱管爐發熱筒(17)內，也浸泡在熱管爐內部的工作介質中。
2.根據權利要求1所述的熱管式油井節能加熱爐裝置，其特徵是熱管爐發熱筒(17)的下方安裝了一個停電時能立即自動點燃的噴火盤(26)。
3.根據權利要求1所述的熱管式油井節能加熱爐裝置，其中電器控制箱(3)中安裝了一套單片機控制電路，通過單片機控制電路(IC1)控制熱管爐的自動運行，其電路元件的接續特徵是電加熱器(18)連接在繼電器(J4)的觸點(J4-1)上，燃氣電磁閥(22)連接在繼電器(J2)的觸點(J2-1)上，電點火器(24)連接在繼電器(J1)的觸點(J1-1)上。
專利摘要一種熱管式油井節能加熱裝置，屬於石油開採輔助設備，涉及一種高效節能的原油加熱爐。利用熱管的優異導熱性能，把熱源的熱量快速高效地輸送到低溫區域，使低溫區的溫度升高，對原油進行加熱使其粘稠度下降，以便於管道輸送；特別是本實用新型採取了將電熱源和待加溫的油管全部浸入熱管內部的工作介質中的技術措施，使電熱源的熱量直接進入浸泡在熱管內部的工作介質中，由於熱量不經過熱管外殼的傳導，避免了熱量向空氣中逸散，從根本上避免了傳熱過程中熱能洩漏和逃逸，與水傳熱相比，節約能量可達到40％～50％的水平。本實用新型還設計了一套自動燃氣加熱裝置，可供停電時維持加熱。
文檔編號E21B36/00GK2731084SQ200420084009
公開日2005年10月5日 申請日期2004年7月16日 優先權日2004年7月16日
發明者文華 申請人:文華