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(山東恒業(yè)石油新技術(shù)應(yīng)用有限公司，山東 東營(yíng) 257000)

直燃式液氮蒸發(fā)器是直燃式液氮泵車的核心功能部件，是利用柴油燃燒產(chǎn)生的熱量將高壓、低溫的液態(tài)氮轉(zhuǎn)化為高壓、常溫氮?dú)獾囊环N油氣增產(chǎn)設(shè)備。目前國(guó)內(nèi)使用的直燃式液氮蒸發(fā)器有單室直燃式液氮蒸發(fā)器和多室直燃式液氮蒸發(fā)器。其中，單室直燃式液氮蒸發(fā)器較為常用，但其有氮?dú)馀帕枯^小、溫度控制精度較低、安全性差及廢氣排放量高等缺點(diǎn)[1]。多室直燃式液氮蒸發(fā)器能夠克服單室直燃式蒸發(fā)器的不足，但國(guó)內(nèi)對(duì)多室直燃式蒸發(fā)器的研究較少。因?yàn)椴痪邆渖a(chǎn)制造直燃式蒸發(fā)器的能力，目前國(guó)內(nèi)液氮泵車用直燃式液氮蒸發(fā)器主要依靠進(jìn)口。進(jìn)口直燃式液氮蒸發(fā)器存在價(jià)格昂貴、交貨周期長(zhǎng)等不利因素。此外，進(jìn)口直燃式液氮蒸發(fā)器的售后問(wèn)題也比較多，包括技術(shù)交流不暢、配件采購(gòu)周期長(zhǎng)、無(wú)售后服務(wù)、控制參數(shù)無(wú)法更改以及集中控制無(wú)法順利實(shí)施等[2]。

文中介紹了一種國(guó)內(nèi)自主研制的新型直燃式液氮蒸發(fā)器。此新型直燃式液氮蒸發(fā)器不僅能夠降低生產(chǎn)制造成本、縮短產(chǎn)品供貨周期，還能實(shí)現(xiàn)自主個(gè)性化設(shè)計(jì)，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)液氮蒸發(fā)器技術(shù)空白，打破國(guó)外對(duì)蒸發(fā)器的技術(shù)壟斷和壁壘，提高液氮泵的核心競(jìng)爭(zhēng)力，同時(shí)為后續(xù)開(kāi)發(fā)更大排量、更高壓力的液氮蒸發(fā)器打下基礎(chǔ)。

1 新型直燃式液氮蒸發(fā)器整體設(shè)計(jì)

1.1 主要技術(shù)參數(shù)

新型直燃式液氮蒸發(fā)器型號(hào)為KRFV-740K，額定氮?dú)馀帕繛?0 956 m3/h，設(shè)計(jì)氮?dú)馀帕繛?5 488 m3/h，工作壓力為103 MPa，設(shè)計(jì)壓力為155 MPa，排氣溫度為20 ℃，控制方式為獨(dú)立PLC控制，燃燒效率為99%，安裝方式為車載/撬裝。

1.2 整體結(jié)構(gòu)組成

國(guó)內(nèi)自主研制的新型直燃式液氮蒸發(fā)器整體結(jié)構(gòu)組成見(jiàn)圖1。

圖1 新型直燃式液氮蒸發(fā)器整體結(jié)構(gòu)組成

2 新型直燃式液氮蒸發(fā)器工作原理設(shè)計(jì)

2.1 燃油點(diǎn)火

燃油點(diǎn)火成功是新型直燃式液氮蒸發(fā)器正常運(yùn)轉(zhuǎn)的前提。燃油點(diǎn)火前，蒸發(fā)器外部發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)液壓泵驅(qū)動(dòng)液壓風(fēng)扇低速旋轉(zhuǎn)(300～800 r/min)，為燃燒室提供點(diǎn)火風(fēng)量，同時(shí)通過(guò)燃油泵為燃油系統(tǒng)提供壓力約2.4 MPa的燃油，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和燃油壓力達(dá)到設(shè)定要求后，8個(gè)點(diǎn)火燃燒室準(zhǔn)備點(diǎn)火，點(diǎn)火電磁閥打開(kāi)，火花塞點(diǎn)火。點(diǎn)火電磁閥和主火電磁閥點(diǎn)火示意見(jiàn)圖2。

圖2 新型直燃式液氮蒸發(fā)器燃油點(diǎn)火示圖

2.2 蒸發(fā)器工作

液氮蒸發(fā)器點(diǎn)火成功后，新型直燃式液氮蒸發(fā)器工作原理示意見(jiàn)圖3。

圖3 新型直燃式液氮蒸發(fā)器工作原理示圖

換熱匯管為蒸發(fā)器換熱裝置提供高壓液氮，同時(shí)液壓風(fēng)扇轉(zhuǎn)速提高到3 500 r/min以上，主噴油電磁閥噴油，主火點(diǎn)燃，液壓風(fēng)扇通過(guò)風(fēng)道把燃燒室產(chǎn)生的熱量帶入換熱裝置進(jìn)行熱交換，自動(dòng)比例控制系統(tǒng)(PID控制系統(tǒng))通過(guò)調(diào)節(jié)主燃燒室的燃燒數(shù)量控制最終氮?dú)獾呐懦鰷囟?，?shí)現(xiàn)高壓、低溫液氮向高壓、常溫氮?dú)獾霓D(zhuǎn)化。對(duì)液氮蒸發(fā)器的操作可通過(guò)本地控制或遠(yuǎn)程控制箱實(shí)現(xiàn)?？刂葡到y(tǒng)對(duì)液氮蒸發(fā)器各處壓力、溫度實(shí)行調(diào)控,確保其正常運(yùn)行。當(dāng)監(jiān)控到液氮蒸發(fā)器工作異常時(shí)進(jìn)行報(bào)警或連鎖停機(jī)，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

3 新型直燃式液氮蒸發(fā)器功能設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)組成

按照預(yù)定功能，新型液氮蒸發(fā)器劃分為6個(gè)功能系統(tǒng)，分別是燃油系統(tǒng)、供風(fēng)系統(tǒng)、燃燒室、內(nèi)風(fēng)道、換熱裝置和電控系統(tǒng)。其中，燃油系統(tǒng)主要由燃油匯管及其附屬管路組成。供風(fēng)系統(tǒng)主要由液壓風(fēng)扇組成。燃燒室主要由點(diǎn)火燃燒室和主火燃燒室組成。點(diǎn)火燃燒室和主火燃燒室各有8個(gè)，其中點(diǎn)火燃燒室內(nèi)裝有點(diǎn)火噴油嘴、火焰探測(cè)器、點(diǎn)火溫度傳感器和點(diǎn)火火花塞。主火燃燒室內(nèi)裝有主火噴油嘴。內(nèi)風(fēng)道主要由錐形導(dǎo)風(fēng)罩、篩網(wǎng)導(dǎo)風(fēng)罩及風(fēng)道彎頭組成。換熱裝置主要由導(dǎo)流罩、換熱盤(pán)管及換熱匯管組成。電控系統(tǒng)主要由火焰探測(cè)器、遠(yuǎn)控箱、排風(fēng)溫度傳感器、氮?dú)獬隹跍囟葌鞲衅鳌⑦M(jìn)風(fēng)溫度傳感器、電控箱、點(diǎn)火溫度傳感器、點(diǎn)火電磁閥、點(diǎn)火火花塞及主火電磁閥組成。

3.2 燃燒系統(tǒng)功能特點(diǎn)

3.2.1燃燒室

8個(gè)獨(dú)立燃燒室均布在中央液壓風(fēng)扇周圍形成正六邊形結(jié)構(gòu)，燃燒室缸體選用不銹鋼S310材質(zhì),可耐1 035 ℃高溫。燃燒系統(tǒng)采用先導(dǎo)式點(diǎn)火結(jié)構(gòu)，燃燒室腔體由內(nèi)外腔體組成，內(nèi)腔和外腔之間設(shè)計(jì)有冷卻風(fēng)通道，可防止燃燒室殼體表面溫度過(guò)高。8個(gè)燃燒室可循環(huán)燃燒，提高燃燒室的使用壽命和溫度控制精度，為換熱單元提供更多的熱量，熱量達(dá)到2 366 kW,氮?dú)馀欧帕窟_(dá)20 956 m3/h。

3.2.2風(fēng)量控制

采用液壓風(fēng)扇供風(fēng)系統(tǒng)為燃燒室提供均勻、穩(wěn)定的空氣，并能提供足夠的換熱風(fēng)量，風(fēng)量可達(dá)到5.52×104m3/h，避免燃燒室腔體過(guò)熱，而且可實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速，速度可達(dá)5 000 r/min。

3.2.3內(nèi)風(fēng)道

在內(nèi)風(fēng)道內(nèi)安裝有風(fēng)道彎頭、錐形導(dǎo)風(fēng)罩和篩網(wǎng)導(dǎo)風(fēng)罩，此結(jié)構(gòu)可使進(jìn)入燃燒室的風(fēng)量穩(wěn)定，燃燒室產(chǎn)生的熱風(fēng)與冷風(fēng)充分混合均勻，為盤(pán)管提供穩(wěn)定的熱氣流，避免火焰直接接觸盤(pán)管導(dǎo)致盤(pán)管燒壞。

3.2.4火焰探測(cè)器

點(diǎn)火燃燒室內(nèi)安裝有火焰探測(cè)器，可檢測(cè)點(diǎn)火燃燒室點(diǎn)火狀態(tài)，一旦工作中檢測(cè)到燃燒室火焰意外熄滅，將自動(dòng)停止噴油，從而防止未燃燒柴油滯留在燃燒室內(nèi)，再點(diǎn)火時(shí)發(fā)生爆炸[3]。

3.2.5換熱裝置

換熱匯管居中放置，換熱管盤(pán)上下交錯(cuò)焊接在換熱匯管上，盤(pán)管采用連續(xù)M狀翅片管束結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，翅片螺旋纏繞在基管周圍，盤(pán)管材質(zhì)選用TP304L,承壓能力強(qiáng)，換熱面積大,盤(pán)管可在500 ℃高溫、-196 ℃低溫及103 MPa高壓環(huán)境下工作[4-6]。

3.3 控制系統(tǒng)功能特點(diǎn)

3.3.1功能模塊化

新型直燃式液氮蒸發(fā)器控制流程見(jiàn)圖4。PID控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)、自動(dòng)模式切換，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，點(diǎn)火電磁閥開(kāi)閉，主火電磁閥開(kāi)閉，點(diǎn)火操作，點(diǎn)火溫度監(jiān)控，進(jìn)風(fēng)溫度監(jiān)控，排風(fēng)溫度監(jiān)控，氮?dú)鉁囟缺O(jiān)控，燃油壓力監(jiān)控，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速監(jiān)控，超低、超高溫度聯(lián)機(jī)報(bào)警，燃油壓力低報(bào)警以及風(fēng)扇轉(zhuǎn)速高聯(lián)鎖報(bào)警等功能[7]。

圖4 新型直燃式液氮蒸發(fā)器控制流程圖

3.3.2操作智能化

控制系統(tǒng)操作方面的智能化特征主要包括以下幾個(gè)方面。

(1)控制界面按功能模塊化設(shè)計(jì)，設(shè)置了報(bào)警聯(lián)鎖控制、系統(tǒng)流程指示等，控制邏輯清晰。

(2)集中控制和實(shí)時(shí)監(jiān)控。顯示、操作在同一界面，方便一個(gè)人操作控制和監(jiān)控。

(3)遠(yuǎn)程流程控制。液氮蒸發(fā)器屬于低溫、高壓型設(shè)備，其安全性尤為重要，遠(yuǎn)程控制可有效避免高壓、低溫引起的人身安全和設(shè)備損壞隱患。

(4)網(wǎng)絡(luò)兼容性。可通過(guò)網(wǎng)線接入壓裂設(shè)備或固井設(shè)備網(wǎng)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)與外部設(shè)備的通訊連接，依據(jù)作業(yè)的特殊工藝要求，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)設(shè)備間的協(xié)同工作[8-9]。

4 新型直燃式液氮蒸發(fā)器測(cè)試試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

新型直燃式液氮蒸發(fā)器測(cè)試試驗(yàn)主要包括功能試驗(yàn)和性能試驗(yàn)。功能試驗(yàn)用來(lái)檢驗(yàn)設(shè)備是否能正常工作，性能試驗(yàn)用來(lái)檢驗(yàn)設(shè)備是否能達(dá)到設(shè)計(jì)的性能要求。自主研發(fā)的KRFV-740K直燃式高壓液氮蒸發(fā)器安裝在調(diào)試好的740K型液氮泵車上進(jìn)行試機(jī)。

4.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

測(cè)試柱塞泵在不同擋位上工作時(shí)液氮蒸發(fā)器的氮?dú)鈮毫?、氮?dú)馀帕?、液氮排量、氮?dú)獬隹跍囟燃安裼拖牧?，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 新型直燃式液氮蒸發(fā)器測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從試驗(yàn)過(guò)程及試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，新型直燃式液氮蒸發(fā)器能實(shí)現(xiàn)連續(xù)正常工作，控制系統(tǒng)穩(wěn)定，能達(dá)到設(shè)計(jì)功能要求，最大工作壓力103 MPa,最大氮?dú)馀帕?0 985 m3/h,氮?dú)獬隹跍囟燃s20 ℃，氮?dú)獬隹跍囟确€(wěn)定，溫度偏差±5 ℃ 。

4.3 能耗評(píng)價(jià)

新型直燃式液氮蒸發(fā)器是采用柴油燃燒產(chǎn)生的熱量蒸發(fā)液氮的，因此在能夠滿足用戶使用要求的情況下，設(shè)備能耗成為評(píng)價(jià)設(shè)備性能的重要指標(biāo)[10]。以柱塞泵在3擋，壓力為103 MPa，液氮排量為169.9 L/min，氮?dú)獬隹跍囟?0 ℃條件下計(jì)算新型直燃式液氮蒸發(fā)器的柴油熱轉(zhuǎn)換率。

以產(chǎn)生的氮?dú)赓|(zhì)量m=1 kg計(jì)算，液氮的汽化熱為199 kJ/kg，液氮密度為0.808 kg/L,氮?dú)獾谋葻崛輈為1.038 kJ/(kg·K)[11],液氮汽化成氣體吸收的熱量Q1=199 kJ,氮?dú)鉁囟扔蓆1=-196 ℃升溫至t2=20 ℃吸收的熱量Q2=cm(t2-t1)=1.038×1×(20+196)=224 (kJ)。液氮汽化和升溫吸收的總熱量Q=Q1+Q2=199+224=423(kJ)。0號(hào)柴油的熱值為39 295 kJ/kg，產(chǎn)生1 kg氮?dú)庑枰紵牟裼蛿?shù)量為423÷39 295=0.011(kg)。在液氮排量為169.9 L/min條件下柴油的理論消耗量為 169.9×0.808×0.011×60=90.6 (kg/h)，柴油實(shí)際消耗量為150×0.84=126(kg/h),柴油熱轉(zhuǎn)換率為90.6÷126=72%?？梢?jiàn)柴油的熱轉(zhuǎn)換率較高，熱能損失較小。

5 結(jié)語(yǔ)

直燃式高壓液氮蒸發(fā)器具有排量大、壓力高和排出溫度穩(wěn)定的特點(diǎn)[12]。自主研發(fā)的KRFV-740K直燃式高壓液氮蒸發(fā)器解決了國(guó)內(nèi)一直存在的高壓、高低溫交匯難題[13]，其操作性能優(yōu)于同類進(jìn)口產(chǎn)品，可完全替代同類進(jìn)口產(chǎn)品，從而使國(guó)內(nèi)液氮泵車蒸發(fā)設(shè)備擺脫依賴進(jìn)口的局面，為國(guó)內(nèi)液氮泵車提供技術(shù)支撐，提高中國(guó)液氮泵車在國(guó)際市場(chǎng)上的核心競(jìng)爭(zhēng)力。需要注意的是，在安全性要求比較高的氣井不能應(yīng)用直接燃燒式液氮蒸發(fā)器[14]，因此今后應(yīng)該重點(diǎn)從設(shè)備的防爆安全性、節(jié)能環(huán)保方面入手升級(jí)優(yōu)化產(chǎn)品的各項(xiàng)性能,開(kāi)發(fā)余熱回收式液氮蒸發(fā)器[15]。