石油鉆井蒸汽鍋爐電動化改造

吳雙柱

（大慶鉆探工程公司機械修理廠，黑龍江大慶 163413）

0 引言

隨著國家對環保要求越來越嚴格，對大氣質量標準不斷提高，環保已經是全球性問題，引起各級政府的重視，紛紛制訂了相應的政策和法規以減少環境的污染。為了貫徹相關政策，改善環境質量，節約能源，石油鉆井企業大力提倡和鼓勵應用電能技術。蒸汽鍋爐在北方冬期鉆井施工中扮演著重要角色，鉆井用蒸汽鍋爐實際是一種小型（蒸發量在）的低壓工業濕蒸汽鍋爐，主要用來清洗、預熱和解凍。因為鉆井施工的特殊要求，這種蒸汽鍋爐有其自身的特點，設備需要經常搬遷移動，改用電鍋爐后機組采用模塊化設計，集成度更高，結構更加緊湊，有利于減小設備的整體尺，而且自動化程度高，不需要專職的司爐工操作。相對于其他大型電鍋爐改造，鉆井鍋爐改造投入成本較低，直接利用現有的油田供電專線即可，不存在前期電網及供電設施的改造費用，所以電加熱蒸汽鍋爐在油田鉆井施工應用較容易實現。

1 機組設計總體要求

（1）電熱蒸汽鍋爐及其部件的設計，必須滿足油田鉆井在各種工況下所需蒸汽量及規定的蒸汽參數。

（2）保證電熱蒸汽鍋爐具有較高的技術經濟指標，在設計蒸汽鍋爐時要考升壓和保壓狀態下運行的經濟性。

（3）根據北方嚴寒的氣候特點，電熱蒸汽鍋爐機組要充分考慮保溫隔熱要求；蒸汽鍋爐單個零、部件的裝配必須保證在密封面上密封良好性；電鍋爐爐體本身及所有部件應該絕對地安全可靠，并應設有必要的安全保護措施，整體結構設計要求緊湊、移運方便，同時易于發現故障而及時排除。

2 技術方案主要內容

2.1 電熱蒸汽鍋爐選型

現階段電熱蒸汽鍋爐主要有電阻式、電磁感應和電極式猿種，電阻式和電磁感應式可以應用于油田鉆井施工中。

2.1.1 電阻式蒸汽鍋爐

根據施工實際使用情況和現用燃油、燃煤鍋爐的參數等，經過設計計算，確定電阻式蒸汽鍋爐的相關參數（表1）。

表1 電阻式蒸發器設計參數

電加熱管是電阻式蒸汽鍋爐的核心部件，其性能和質量直接影響鍋爐的運行可靠性和使用壽命，所以選用不銹鋼材料，各項參數要達到相應標準（表2）。

2.1.2 電磁感應蒸汽鍋爐

由于加熱原理的差異，電磁感應蒸發器與電阻式蒸汽鍋爐在加熱元件、熱效率、結構形式、爐體本身體積等方面有一定差異（表3）。

表2 電熱管參數

表3 電磁感應蒸發器設計參數

2.2 結構及組成

考慮到裝置安裝及受熱情況，設計時電阻式蒸汽鍋爐采用臥式結構，電磁感應蒸汽鍋爐采用立式結構。機組主要組成包括移動式裝置房、爐體、軟化水箱、加熱元件、控制柜、水泵、安全閥、傳感器和管閥件等。因為油田鉆井需要經常搬遷，整個系統集成安裝在帶有保溫的集裝箱房內，可以滿足整體吊裝運輸要求。

電磁感應蒸汽鍋爐的結構組成與電阻式蒸汽鍋爐結構組成類似，只是鍋爐爐體采用立式結構，并且采用2個、高1800 mm的爐體組合結構設計。

圖1 電磁蒸汽鍋爐系統工作原理

2.3 供電及控制系統

鉆井施工現場一般采用6 kV高壓線路，所以要通過變壓器降壓后為電熱蒸汽鍋爐供電。供電變壓器選用容量400 kV·A的波紋全密封型三相油浸式電力變壓器S11-M-400，電壓組合為，在變壓器高壓側設置跌落式熔斷器對變壓器進行保護和投切。變壓器低壓端與電熱蒸汽鍋爐控制柜前設置低壓開關柜，柜內安裝智能斷路器，其脫扣器額定電流為800 A，控制柜可以通過按鈕控制斷路器通斷。開關柜具有過載和短路保護功能，同時能夠顯示供電電壓，為裝置提供安全可靠的低壓供電（圖2）。

考慮到電熱蒸汽鍋爐工作時環境情況，控制系統采用機電分體安裝設計，電控元件遠離熱源，有利散熱，提高使用壽命?？刂葡到y采用西門子的PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器），通過人機界面實現溫度設定及自動控制，同時可顯示設備運行參數及狀態。

（1）加熱控制方面。電阻式蒸汽鍋爐采用多組加熱元件運行方式，當蒸汽壓力低于設定值時，PLC控制器逐個啟動加熱組；蒸汽壓力高于設定值時，控制器同時關閉全部加熱組。加熱組在報警狀態下不工作，已工作的加熱組將同時停止運行。保壓工況下控制器可設定蒸汽鍋爐自動運行時間段，一天內可設置多個不同的工作時段，使蒸汽鍋爐自動分時啟動各加熱組，加熱組循環換切，使各加熱組使用時間均衡，保證設備使用壽命。電磁感應蒸汽鍋爐功率調節相對簡單，工作時可以根據實際需要手動確定加熱功率，功率可以在無級調節，按需要旋轉電位器調節旋鈕，加熱器會依據溫差負荷的改變相應調整電負荷，保證動力與負荷的平衡。

（2）水泵控制方面。在正常運行狀態下，如果蒸汽鍋爐的水位低于中間水位線，控制器發出啟泵信號；當水位高出高水位線，控制器發出停泵信號；當水位低于低水位線，控制器報警并關閉加熱組，啟動水泵，當水位達到高水位線，水泵停止工作。

2.4 安全保護設計

為了提高電鍋爐的安全性，設置了多個安全控制點位，如爐內溫度控制、爐內壓力控制、爐內動液面上下液位控制、漏電保護控制、安全閥的超壓放空控制等。運行過程中任何一個條件不滿足要求，鍋爐都會停止運行并啟動相應的連鎖控制，待條件滿足要求后再運行?？梢?，電鍋爐比燃油、燃煤鍋爐的安全性更高。

3 工作功率驗證及選取

不同工況下鉆井施工現場的用汽量不同，存在著間歇用汽和集中用汽的情況。為了驗證電熱蒸汽鍋爐在多大功率下運行能保持蒸汽壓力，現場進行了多種不同功率下工作狀態試驗。對多口井的現場實驗數據采集分析，發現開鉆時和完井時存在集中用蒸汽的情況，這時蒸汽使用量較大，使用持續時間約3 h。試驗證明，在蒸汽使用量最大時，100 kW功率無法達到使用要求，150 kW功率可以勉強維持蒸汽壓力，200 kW功率能夠維持住蒸汽壓力，但是泄壓后升壓緩慢，300 kW功率能維持壓力，且可以快速升壓。雖然200 kW功率能夠滿足正常使用要求，但考慮不確定因素影響，需要增加相應的裕度，將300 kW確定為最大蒸汽量供應功率（圖3、圖4）。

圖2 動力供電原理

其他時間段用汽量相對較小，裝置主要以保壓為主，這時候蒸汽鍋爐加熱系統不需要滿負荷工作，經試驗確定了正常施工時裝置功率為150 kW。確定最大蒸汽量功率和正常蒸汽量功率后，就可以在控制程序中設定不同工況下電鍋爐的運行功率，這樣既可以減輕電網負荷，又起到節能效果。

圖3 最大蒸汽量功率曲線

4 結論

應用結果表明，電熱蒸汽鍋爐比傳統的燃煤、燃油鍋爐更適合油田鉆井現場使用。電熱蒸汽鍋爐安全性明顯優于燃煤、燃油鍋爐：①電熱蒸汽鍋爐運行無明火產生，是一種本質安全型設備：②裝置保護措施較多，安全性有保障。經過核算后，電熱蒸汽鍋爐運行成本低于燃煤、燃油鍋爐，單井綜合成本約為燃煤、燃油鍋爐成本的一半，節能效果明顯。

電熱蒸汽鍋爐運行時無污染、零排放、噪聲小，有利于環境保護和職業健康，與燃油、燃煤鍋爐相比，有熱轉換效率高、結構緊湊、自動化程度高等優點，彌補了傳統鍋爐的產蒸汽慢、能耗高、故障率高的缺陷。所以，作為一種節能環保型鍋爐，電熱蒸汽鍋爐在寒冷地區油田施工應用具有廣闊前景。

圖4 正常蒸汽量功率曲線