１５０００Ｎｔ０３／ｈ空分纯化系统用再生电加热器流场分析李剑锋１周寒秋二（１杭州杭氧股份有限公司设计院，浙江杭州３１００１４；２杭州杭氧股份有限公司石化工程公司，浙江杭州３１００１４）摘要：本文研究了１５０００Ｎｍ’／ｈ空分纯化系统用再生电加热器的流场分布，计算得到了流量分布的不均匀偏差约为一７．１０～３．２０％，确定了电加热器中最易烧坏的电加热管位置点，估算该电加热器的通过阻力降约为２．５ＫＰａ左右。关键词：空分；纯化系统；再生；电加热器；流场分析本套空分采用分子筛吸附器将被压缩的空气中的Ｈ１０、ＣｚＨｚ、ＣＯ！等杂质相继吸附清除，吸附器成对交替使用，一只工作时，另一只再生。吸附饱和的吸附器利用污氮对分子筛进行加热再生，再生完全后继续使用。除了在空分正常运行时需要再生分子筛，在空分设备分子筛吸附器第一次使用前需要对分子筛进行活化处理，也即需要高温污氮气或者高温减压的纯净空气进行加热再生分子筛。”。１本套空分处理空气量为７５０００Ｎｍ３／ｈ，再生用污氮气量为１６５００Ｎｍ３／ｈ，加热流程采用０．４－０．６ＭＰａ（Ｇ）蒸汽加热器后串联电加热器使用。电加热器是空分纯化系统中常用的加热再生污氮气用的加热设备，在空分纯化系统中起到了重要的作用。本套空分采２气体流动原理流体的运动一般遵循三个最基本的守恒定律，那就是质量守恒、动量守恒和能量守恒。对质量守恒、动量守恒和能量守恒的数学方程进行统一表达，如下公式所示。詈（川＋讲’仰妒）＝ａｈｑ＇ｇｒａａ眵）＋ｓ其中，西代表某一个变量，ｒ是扩散系数，Ｓ是源项，注意这里ｒ和Ｓ是对应特定的变量咖来说的。公式中从左到右的四项分别是时间项、对流项、扩散项和源项。将（ｊｂ取为不同的变量，并取扩散系数和源项为适当的表达式，就可以得到连续性方程、动量方程和能量方程。”’３Ｆｌｕｅｎｔ软件模拟及分析３．１模型建立及网格边界条件基于电加热器设备结构参数对模型进行了假设和简化，建立了三维对称模型，进行网格划分。模型结构示意图如图２所示。边界条件设置选择速度入１３、自由出流，求解模型采用Ｓｉｍｐｌｅ算法的非耦合型求解器。入口速度为２３．１３ｍ／ｓ，入口温度为１４４℃，人口压力为７ＫＰａ。用易检修更换的ｕ型电加热管电加热器结构型式，污氮气进入电加热器设备后与电加热管进行气一固热交换，获得再生分子筛用的高温污氮气，因此，污氮气在进入电加热器的过程中的气体分布状态对电加热器电加热管安全稳定使用起到重要的作用。３．２模拟及分析对模型进行了Ｆｌｕｅｎｔ流场模拟分析，得到了模型的压力场分布，进出口压力差值为１．２７ＫＰａ，模型压力场分布图如图３所示。分析模型的流场流动轨迹线，污氮气在电加热器顶部空间１电加热器结构及工作原理电加热器设备由壳体、接管和电加热管等组件组成，污氮气从上管Ｉ：１进入电加热器设备，在上接管及壳体内上段空间进行均布再分配，其中电加热管上段在污氮气进入换热前起到一定的扰流分布作用，污氮气在壳体及电加热器内件导向作用下与电加热管进行换热接触，进行热交换后，电加热管本身的温度降低，污氮气吸收了电加热管散发出的热量后，从下管口出电加热器。因此，电加热器上接管及壳体上段对污氮气的导向和分布起到关键作用，均匀分布的气体有利于防止电加热管的局部高温，防止电加热管烧坏。本文以１５０００Ｎｍ’／ｈ空分纯化系统用再生电加热器为研究对象，采用了ＦＬＵＥＮＴ软件对电加热器上段进行模拟分析，电加热器结构示意图如图ｌ所示。内，由于电加热管的扰流作用得到了一定程度的缓冲和均布，流动轨迹线分布图如图４所示。对模型的出口截面速度分布进行分析，模型出口截面速度分布图如图５所示，由于电加热管束的结构和电加热器的管束排布原因，污氮气的流动集中在电加热管束的中间位置，而电加热器的中间部分管束的流量值相对较大，并且在各个管束之间存在流动的不均匀现象，取各个管束的流量值进行对比，模型出口截面速度分布表见表ｌ所示，流量最大的管束为序号３，流量最小的管束为序号６，流量最大和最小的偏差值约为一７．１０～３．２０％。从图５中可以发现流量值相对较大的管束分布在圆截面的中间位置，流量值相对较小的管束分布在圆截面的圆周附近，其中流量最小的管束ｌ和管束６将会散热效率最差造成该管束的电加热管发热温度最高，也就是靠近人口管位置和远离入口管位置的管束１和管束６的电加热管最容易烧坏。嘲—憩帮鳓羹。鼍熟簟一对强驰。３。０’√Ｊ图１电加热器结构示意图图２Ｆｌｕｅｎｔ模型示意图图３模型压力场分布图万方数据２０１６年５月北工彳理１１２３左右。４．２电加热管的扰流作用能够起到一定程度的气流缓冲和均布作用，具体的均布作用大小需要进一步的对比研究。４．３污氮气在电加热器中的流动存在不均匀现象，流量较大的位置集中在电加热器截面中间位置的电加热管束，流动的：④、◇露｝ｉ◇图５模型出口截面速度分布图表１模型出口截面速度分布表出口管序号１２３４５偏差约为一７．１０～３．２０％。４．４电加热器的管束在工作时，靠近入１３管位置和远离入１３管位置的电加热管最易烧坏。４．５电加热器管束中的流动集中在电加热管环绕的中心位置，均布较差，即电加热管束的结构具有一定的改进空间。本文的研究由于计算机处理能力的限制，没有对电加热器整体进行研究，因此，没有考虑到电加热器下段、电加热管固定流量（ｋｇ／ｓ）０．２３２５７４０．２３８０６８０．２４５５４３０．２４３２３７０．２４２９２５出口管序号６７８９１０流量（ｋｇ／ｓ）０．２２１０３２０．２３７１３５０．２４１４７９０．２４２７２７０．２４３１６４出口管序号１１１２１３１４１５流量（ｋｇ／ｓ）０．２３５６８３０．２３５２９ｌ０．２３７７１００．２３６９４９０．２３５３４８一７．１０～结构和电加热管与污氮气热交换因素的影响，需要在下一步的研究中进一步的分析。参考文献：『１１毛绍融，朱朔元，周智勇．现代空分设备技术与操作原理ｆＭｌ．杭州：杭州出版社，２００５．ｆ２１叶必楠，沈雪传，．顾福民．现代小型空分操作与安全答疑ｆＭｌ．杭州：杭州出版社，２００７．ｆ３１王瑞金，张凯，王刚．Ｆｌｕｅｎｔ技术基础与应用实例［Ｍ】．北京：清华大学出版社，２００７：３５．作者简介：李剑锋，现工作于杭州杭氧股份有限公司设计院，从事设备设计工作，硕士学历。总流量：３．５６８８６５平均流量０．２３７９２４偏差：３．２０％４结语通过本文的研究，可以知道：４．１模型的压力场分布计算得出进出口压力差值为１．２７ＫＰａ，可以估算出该电加热器的通过阻力降约为２．５ＫＰａ（上接第１２２页）及浅层气。效。Ｃ２Ｈ二开设计６３．６度稳斜钻进，使用ｌｌ一１／８”ＳＴＢ，１２００米之前稳斜较好，转速６０ｒｐｍ则左漂０．２—０．５。／３０，转速７０ｒｐｍ方位基本稳住。改闭路循环，垂深９００米以后，钻压７—９Ｔ，排量３７００—３９５０Ｌ／ｍｉｎ，转速７０ｒｐｍ，增斜严重，０．４—０．７０／３０ｍ。Ｃ５Ｈ井设计５０．３８度稳斜，使用１１－３／８”ＳＴＢ，钻压平均７—９Ｔ，排量３８００—４０００Ｌ／ｍｉｎ，转速６０－７０ＲＰＭ，稳斜效果较好，井斜微降０．２。／３０ｍ，方位左漂０．３。／３０ｍ。综合以上几１３井的情况看，本区块不管使用ＢＥＳＴ、方圆还是川克钻头都存在方位左漂的现象，以后作业时可适当预留，由于地层可塑性较高，因此可选用比其他区块稍大的扶正器，建议５０－６０稳斜可使用１ｌ一１／４”一１１—１／２”。７．２．４本平台井全部需要表层预斜，表层均使用１．５度马达作业，二开采用马达＋旋转导向的作业模式。本平台唯一一１３８００米之前为海水开路钻进，旋转段不倒滑，滑常规井使用马达钻进，稳斜效果突出，在长达２２００米的稳斜过程中未进行一次滑动调整作业，其他四口水平井采用马达钻进至１５００—１７００米左右，之后更换旋转导向进行着陆作业的模式。７．２．５针对以上５１３井第二批井作业时需特别注意：表层作业前提前将本批井陀螺轨迹测全，以便减小防碰压力；开钻前确认轨迹并了解油水层等地质情况，便于进行着陆作业；旋转导向发指令期前应计算好造斜率，在满足轨迹的情况下尽量少发指令，若出现造斜率偏低的情况可通过降排量加钻压等措施提高造斜率。７经验总结７．１表层总结７．１．１预斜前两柱造斜率较低，平均为１．３６。／３０ｍ；７．１．２两１３造斜点相对较深的Ｃ１４和Ｃ７Ｈ的初始造斜率明显比其他三１３要高，证明预斜造斜率的高低与地层（井深超过２５０米后）有较大关系；７．１．３井斜达到５－６度后造斜率会上升的很快，可适当减小滑动段长度，避免大狗腿的出现；７．１．４通过Ｃ２Ｈ与Ｃ７Ｈ井的对比可发现，相同测深下，闭路预斜的Ｃ２Ｈ井造斜率明显要比开路的Ｃ７Ｈ井高。７。２二开总结７．２．１ＴＶＤ动段快速倒滑一遍。ＴＶＤ８００一斜深１５００米为海水闭路钻进，斜深１５００左右转换泥浆为ＰＥＣ体系。７．２．２本区块造斜率造斜率相对较高，井斜起来后滑动１６米左右即可满足３０／３０ｍ的设计要求；下部井段设计造斜率为２．５。／３０ｍ，Ｘｃｅｅｄ使用４０％力可满足２．８。／３０ｍ，３０％力可达１．９。／３０ｍ，因此实际钻进过程中使用３０％年ｎ４０％交叉的方法，地层可造性较强，但在目的层之前存在几段夹层（ＴＶＤ１２６５左右存在气层，ＴＶＤ１３８７－１３９７和１４２３存在硬质盖层ＲＯＰ较低），影响造斜率。油层中使用５０％力可达３。／３０ｍ，９０％力造斜率可达５．７。／３０ｍ。７．２．３参考文献：『１１海洋钻井手册．石油工业出版社，２００９．１２．［２】定向井工程作业规程．ＷＥＬ—ＱＨＳＥ／Ｗ７．５．１－Ｄ０１．Ｃ１４井设计１５．７３度稳斜，钻进时使用１１－７／８”扶正器，钻压平均３－８Ｔ，排量３８００－４０００Ｌ／ｍｉｎ，转速６０－７０ＲＰＭ，井斜微增，方位左漂，稳斜效果较理想，在长达２３００米的稳斜过程中未进行一次滑动调整作业，平均钻进速度８０ｍ］ｈｒ，大大提高了时１２４作者简介：李肮（１９８３一），男，籍贯黑龙江省伊春市，２００７年７月毕业于大庆石油学院石油工程专业，现任中海油服钻井事业部墨西哥分公司助理工程师，司钻岗位。Ｉ化工彳理２０１６ｆｆ－５月万方数据