胜利油田单井注氮车外置水冷系统及自动化设置应用研究

摘 要：在胜利油田各个采油厂，因为油井后期采油工艺的需要，需对不同的采油井进行注氮气的操作。专用注氮车的设备在使用时，高温环境下设备自身所带的发动机散热系统不能正常工作，导致停机和延迟施工。本文根据油田野外工作实际，对注氮车水冷系统进行了研究，并就相关无人值守的自动化设置进行研究，确保系统的正常工作和方便使用。

关键词：采油作业；注氮；水冷系统；自动控制；研究

在油田的生产中，为稳定原油产量，各采油厂普遍采用特殊采油工艺。注氮是三次采油工艺的有效方法之一。在实际使用中，油井注氮车自带卡特C18发动机经常会因自带散热器不能满足散热要求，温度过高出现报警而导致停车现象。一般采用动力冷却方式有水冷和风冷两种方式。为达到增大散热器的散热量，满足高温条件下发动机的正常工作要求，设计了外置水冷散热改造方案：在不动原有散热器和中冷器组合结构的基础上，串联一个新的撬装式的水散热器，使发动机产生的高温水先通过新的外置水冷循环散热器进行散热，降温后的水再进入发动机自带水箱散热器二次散热，使水温进一步降低，满足发动机在高温气候条件下的需求。散热器采用撬装的方式，在散热器的底部连接撬装底座，通过该底座与汽车的托盘连接紧固。散热器风扇所需电机采用防爆电机，功率7.5KW，380V交流电源，配插座。散热器采用吹风冷却方式，吹风的方向为车身的垂直方向。在新水箱的出水口加一离心水泵，目的是要克服管线的沿程水阻力。本外置水冷系统由不锈钢管线、压力表、温度表、球阀、散热器、风机、水泵、智能控制柜等组成，配备了水泵损坏状态下的报警系统，报警灯通过控制柜连接在井场的值班室内。

1外置水冷系统的位置选择

位置选择的原则是简单方便，不影响注氮车的整体外观。考虑到注氮车的托盘上有一大的油箱，施工时，需要将该油箱向后整体移动40公分的距离，这样，在油箱前方有1米左右的空间可用来安放新的撬装式水冷散热器。

2水冷系统散热量核算

对系统的散热量进行了核算如下：⑴参数及性能要求：环境温度：40℃；水流量 25 m3/h；空气流速：6m/s；空气流量：5.7m3/s； ⑵散热器结构参数.散热管数目n 177 根 .散热管长度L 1060mm；散热器散热面积A ；95 m2 ；Q….散热器散热量；K散热系数；t温差；CPa=1 kJ/kg℃ ；空气的比热容；Ca空气的流量；CPw=4.2 kJ/kg℃ 水的比热容 Cw水的流量 ⑶散热器散热量计算。①空气通过散热器芯体带走的热量： 根据试验可知，在风速6m/s的条件下，空气通过该散热器后，换热效率约为44.5%，即空气的温升=（进水温度-进气温度）*44.5%空气通过散热器芯体带走的热量即是散热器的散热量为：散热器散热量Q=空气比热*空气流量*空气密度*空气温升水温降t水=散热器散热量/（空气比热*空气流量空气密度）参数：空气密度：1.12kg/m3；空气比热 CPa=1 kJ/kg.℃ ；水比热 CPw=4.2 kJ/kg℃；空气流量Ca= 5.7m3/s=6.348 kg/s；水流量 Cw =25 m3/h= 6.9 kg/s；在空气温度40℃条件下，散热器的散热效果如下表所示：

3散热器的安装与固定

散热器采用撬装的方式，在散热器的底部连接撬装底座，通过该底座与汽车的托盘连接紧固。散热器风扇所需电机采用防爆电机，功率7.5KW，380V交流电源，配插座。散热器采用吹风冷却方式，吹风的方向为车身的垂直方向。在新水箱的出水口加一离心水泵，克服管线的沿程水阻力。因为散热器是要给注氮车的发动机进行散热，其散发的热量要考虑到你、不能影响设备的其他部件性能。

4管线的布置方式：从发动机和自带水箱的高温进水管上（控制闸门前端）开孔，焊上弯管，方向向上，从顶棚上打孔，引出管线到撬装水箱上进水口，出水口连一小水泵，加大水的扬程和压力，回水管线通过顶棚连接到控制闸门后部的高温进水管，让水进入发动机自带散热器，二次散热。新增加的水控制闸门都放在新散热器端，在发动机和自带水箱之间只焊接弯管，尽量少占空间，便于发动机和其他部件的维修维护。

5无人值守时的自动控制系统

（1）散热器风扇电机的温控自动开停。在新散热器的上水室部位接一温控传感器，感应高温上水室的温度变化，当水的温度低于设定值后，自动切断电源，停止该串联散热的工作，让发动机自带散热器自行工作。（2）离心水泵的控制。在水泵上接停机报警装置，该装置的终端接在井场值班室内，采用鸣叫方式，提请值班人员注意。在水泵的前后端，都设置上阀门，当值班人员发现水泵报警后，可到现场关闭水泵的前后阀门，并将水泵拆卸掉，检查水泵的故障原因。当水泵拆卸掉后，撬装式水箱通过旁通线路继续和发动机自带水箱进行串联，用发动机水泵将发动机产生的高温水泵人水箱，二级散热，保障设备的正常运作。（3）管路水温、水压的可视化监控。（4）防爆箱分5个功能区：总电源区、水泵控制区、风扇电机控制区、水泵报警控制、风扇电机智能温控。总电源为进线，其他4个功能区为出线，水泵报警控制线连接到井场值班室的报警器上，风扇电机智能温控线连接到散热器高温上水室上。

6需用外置水冷系统时的操作

①不用水泵状态下的操作：接好电源；打开车厢顶部出水和进水管线上的球阀；打开外置水箱进水口的球阀、辅助管线上的球阀，关闭水泵前端的控制球阀；检测各仪表的指针指示状态，做好开机准备；打开总电源旋钮的操作：在旋柄垂直的状态下，顺时针旋转一周至ON的位置为打开，逆时针旋转一周至OFF状态为关闭；水泵按钮处于关闭状态；切换开关旋到手动位置，风机旋到打开位置，此状态为强制散热形式，高温水通过外置散热器散热后再经发动机自带水箱进行二次散热；切换开关旋到自动位置，风机旋到打开位置，此状态为温控器控制散热形式。②水泵正常工作状态下的操作：接好电源；打开车厢顶部出水和进水管线上的球阀；打开外置水箱进水口的球阀、水泵前端的控制球阀，关闭辅助管线上的球阀；检测各仪表的指针指示状态，做好开机准备；打开总电源旋钮的操作：在旋柄垂直的状态下，顺时针旋转一周至ON的位置为打开，逆时针旋转一周至OFF状态为关闭；打开水泵按钮；切换开关旋到手动位置，风机旋到打开位置，此状态为强制散热形式，高温水通过外置散热器散热后再经发动机自带水箱进行二次散热；切换开关旋到自动位置，风机旋到关闭位置，设置在温度高于90℃时风机开启散热、温度小于80℃风机停止，外置水冷散热器停止散热，由发动机自带散热器进行散热。③风机的使用：风机的旋转方向：站在风机的电机方向看，风机为逆时针旋转，风的方向吹向水箱；风机的电源开关：（1）开启配电箱的总电源后，切换开关打至手动，开启风机开关，风机启动；（2）开启配电箱的总电源后，切换开关打至自动，不需要开启风机开关，水温90℃时， 风机启动，水温降至80℃时，风机停止。④水泵的使用：水泵的旋转方向：水泵的旋转方向必须按照水泵电机的标示方向，否则会引起水循环受阻，损坏发动机以及水泵。2、水泵的电源开关：开启配电箱的总电源后，开启水泵开关，水泵启动；3、水泵开启时，应注意水泵前后阀门以及管路阀门处于打开状态，水箱并联管路阀门（原车发动机出水管线阀门）和水泵并联管路阀门处于关闭状态。如果发动机运转时不开启水泵，水泵并联管路阀门应处于开启状态。

8 使用研究和效果分析

该冷却装置的投入使用，使注氮车在外界高温状态下每工作一两个小时就要停机的问题得到了解决，同时，设计的无人值守智能控制系统，给野外的作业工人带来了极大的便利，使操作者能更好的掌控设备的运行情况。综合该台设备的使用效益，系统的改造每年能给使用单位节约修理费用和误工费以及耽搁油井的注氮生产周期等方面产生的费用合计约三十万元左右，针对同类设备，该冷却装置的改造还具有很好的推广和应用价值。

参考文献：

[1]孙德浩；油井注氮气增产技术的研究与应用[J]；断块油气田；2003年05期