【页岩气加热技术发展研究的国内外文献综述5400字】

页岩气加热技术发展研究的国内外文献综述目录TOC\o"1-3"\h\u1685页岩气加热技术发展研究的国内外文献综述 132221.1页岩气加热器概述 15081.2相变加热炉研究现状 338351.3蒸汽换热器研究现状 5目前换热器种类较多，各有利弊。评价和选择的依据主要是其占地面积、换热效果和节能减排等方面。其中管壳式换热器性价比较高，使用较广泛。作为最常见的换热器，管壳式换热器一直是国内外学者关注的焦点[8]。P.G.Vicente等发现换热器中使用波纹管换热效果较好[9]；B.K.Soltan等提出一种选择折流板间距的理论方法[10]；A.Karno等指出传热系数、压降大小与折流板数目的呈正比，与折流板切率大小呈反比[11]；黄文江指出折流板缺口高度随着换热器壳体侧传热系数变小而增大[12]。1.1页岩气加热器概述（1）电加热器页岩气专用电热管加热器的芯体加热结构形式为间接内热型芯体结构，加热器的电缆芯体是一种利用高压发热电缆元件，缠绕而热形成的利用加热电缆芯体将其存放于一个高压加热容器内的换热管内[13]。换热管内部还需要同时充满大量导热油，将其他家用电热水器元件及其涂层完全覆盖，工作时需要使用连接加热管的电缆首先把附在导热油内部进行快速加热，然后再把剩余热量输送到其他换热管，从而对附在换热管外部的的页岩气涂层进行快速加热。电子式加热器由于本体占地面积较小，换气加热效率高(95%以上)，通过对电子加热管的整个功率改变进行自动改变和换热温度自动调整，可以轻松方便实现了将电子式加热器的整个功率改变范围控制为0~100%之间的换热温度自动调节，运行较为灵活，维护相对比较简单，自身的安全事故防护控制措施比较完善，自动化和远程控制能力制造水平比较高，适宜广泛应用于无人作业站[14]。电加热器通常只能适用于1200kw以下的加热负荷，在原油、页岩气加热的实际使用中，其最大负荷可高达600kw，原油、页岩气加热时所使用的电加热器比较常见，但是在小负荷加热的工况下。（2）水套炉水洗锅套炉直接加热主要用途是用于指高温水洗锅套炉直接加热高温锅内燃烧烟气时它是通过锅内燃烧器直接进行高温锅内烟气燃烧时直接产生的一种加热高温锅内烟气经由于锅内燃烧烟气烟囱进出口通过管道直接排出流入高温锅内燃气烟箱，由于高温锅内烟气高温锅外烟气的直接加热运动作用，能量经高温锅套炉内热管以传递器的方式输送到高温水洗锅套炉中的热，水被直接放置于高温锅套炉内水浴中并在加热盘管内的高温页岩气后再进行锅内加热，高温锅内烟气最终能量会经由于锅内燃气烟囱的水压上升而直接排出进入锅内空气中，水洗过后锅内的烟气温度最低也最高可以直接控制在达到50~100°c温度范围内的温度变化[15]。其主要特点之一就是维修简便、热负荷弹性大，但由于占地比较大，易使水池产生积尘和结垢，效率相对较低(80%~85%)，通过电动加热嘴即可实现水池供电系统的功率控制在30%~100%之间的温度调节，其一般适合于供电系统的负荷范围为50~1750kw的工作情况。（3）相变加热炉相变加热炉以相变换热方式工作如图1.2所示，采用页岩气为燃料，燃烧器将燃料在火筒内充分燃烧产生热量，热量经加热炉火筒（辐射受热面）及烟管（对流受热面）传递给锅壳内中间液相热载体（水），水受热沸腾由液相变为气相热载体（水蒸气），水蒸气逐步充满炉体的气相空间，由于盘管内被加热介质及管壁温度低于蒸汽温度，水蒸气以自然对流换热的方式将热量传递给用热工质（油或页岩气），冷凝后的水在重力作用下落回水空间，如此循环往复，实现了相变换热过程，从而将燃烧产生的热量间接传给用热工质，实现加热的目的。在设计过程中采用特有的排气方法使加热炉内形成高纯度气相空间，以保证真空相变加热炉高效率运行ADDINNE.Ref.{8E71335D-FA20-419C-BBEA-63E2C01B0B74}[16]。其主要特点之一就是加热效率相对较高(85%~90%)、结垢少，且锅炉体积较小，可以直接通过电动火嘴实现真空相改变加热炉功率控制在30%~100%之间的自动调节，主要是适用于锅炉加热负载50~5000kw的情况。图1.2相变加热炉结构图Fig.1.2Structuredrawingofphasechangeheatingfurnace（4）分体相变加热器分体相变加热器主要由蒸汽发生器、上置换热器、蒸汽分配管路、回水管路等部分构成。其工作原理主要是通过燃料燃烧让水沸腾气化，水蒸气经过固定的管路进入换热器壳体内，接着将自身热量与低于自身温度的低温换热管外壁进行换热，水蒸气将自身的大量热量给换热管内的低温工质吸收，自身的热量变小，然后由气相变为液相，最终形成了冷凝水ADDINNE.Ref.{8E71335D-FA20-419C-BBEA-63E2C01B0B74}[17]。冷凝水回落至换热器底部，经过固定的管路回到蒸汽发生器内，然后再次加热变成水蒸汽，进行反复循环，实现换热过程。分体相变加热器虽然有结构简单、性能可靠、节能效果显著等，但是应用范围目前还只是应用在油田中对原油的加热比较多，对于页岩气方面应用的比较少。1.2相变加热炉研究现状随着我国传热学的基础理论与技术的不断完善发展及其改革与进步，将相变换热技术广泛应用到各种加热装置中，不但有效地解决了我国传统加热炉中的传热效率比较低等问题，而且极大的提高了加热器的高效、安全[18]。相变式燃气加热炉主要的性能特点之一是那就是炉内的各种热媒辐射温度基本上是维持恒定不变，并且在相对较小的热媒温差下它还可以同时达到一种更高和低强度的热媒放热和快速吸收热媒加热的使用目标，因而相对的变式燃气加热炉的表观外形和炉体尺寸也相对较小，同时这种相对的变式燃气加热炉在其产品制造、运营中的成本及不断提高的散热效率等各个方面都比其他几种传统式燃气加热炉同样具有很多大的优势，近几年在用于我国各大油气田的热采集输油气工程中已经成功得到了快速的发展和广泛应用[19]。近几年来，国内针对页岩气采气管线加热设备的结构不断完善，先进的加热设备和技术不断得到应用，部分加热装置的性能指标已接近和达到国际先进的水平，但从长远来看，国内在油气田的生产和输送过程中使用的加热装置，普遍存在整体技术不高、装备性能不高的问题ADDINNE.Ref.{8E71335D-FA20-419C-BBEA-63E2C01B0B74}[20]。（1）国外研究现状20世纪70年代，美国苏黎世加州理工学院对热管的理论基础进行了深入研究，提出了真空相变应变加热炉的炉体结构和工作原理。上世纪80年代初，小野田轴承有限公司的KazuyukiMuhara博士成功发明了真空相变和应变式燃气热水器用加热炉，使相应的变型加热炉技术广泛应用于民用热力行业和设备生产设备[21]。目前单功率4000kw以下、加热水温80~85℃的燃料汽车气真空相变蓄热器加热炉主要由日本昭和铁厂、前田铁厂和韩国一些大型加热炉厂大规模生产。而在美国油田中所使用的相变加热炉是目前技术比较先进的，主要表现在相变加热炉的运行效率达到87%以上，燃烧过量空气系数可控制在1.1以下，单位钢耗量为3.5-7t/MW左右，自动化程度高，可以实现运行过程无人值守，使用寿命长，安全性高，在整个使用过程中出现故障自动断电。在日韩产的相变加热炉中，锅炉外壳内的空气由真空泵抽出，燃烧器和真空泵通过联锁自动控制，保证真空度。相变加热炉目前在日、韩等地区和中国已经被广泛地应用于居民住宅、宾馆、商务场所等各种使用场合的采暖、卫生热水源的供给，目前尚未查询到其在国外页岩气田中应用情况[22]。（2）国内研究现状相变加热炉技术的研究和开发也受到了国家相关部门及各大油田的重视。1999年，宁夏三鑫公司主持并承担了国家发改委高新技术产业司组织的“年产900吨蒸汽ZK系列真空锅炉项目国家高新技术产业化示范建设”项目。该项目的成功建成也使我国的相变锅炉技术进入了世界先进水平。西安交通大学实验室对影响多相流换热设备的主要因素进行了实验研究，对真空相变换热器中热流体的压力和流量、温度等各种测量参数进行了研究。真空率及其对换热器传热效果的影响，本研究结果在相变炉的研究中具有一定的意义；国家标准GB/T21435.2008《相变加热炉》于2008年7月1日发布实施，标志着相变加热炉已成为一种技术成熟的加热炉产品ADDINNE.Ref.{8E71335D-FA20-419C-BBEA-63E2C01B0B74}[23]。20世纪90代初期，油田对流式加热炉在实际应用中已经开始采用相变换热技术，由于相变换热技术彻底改变了传统水套炉的对流式换热模式，强化了其传热效果，具有更高的热效率、锅壳内部基本不存在腐蚀和结垢、无受热不均时所产生的热应力等特点，这些特殊性的优势促进了相变加热炉在实际应用中的研究和开发享受到国内各大部分油田和制造厂家都普遍关注，冀东、辽河、大庆等大型油田陆续进行了这一领域方面的科学研究和工作，开发生产出了多种不同类型和形式的相变加热炉，先后获得了多项专利，并在国内各大油田中得以推广应用[24]。2003年大庆油田研制出分体相变加热装置由锅壳式蒸汽发生器、上置管壳式换热器、自动燃烧器、自动控制系统、操作间等五部分构成。适用范围：压力0~0.4MPa，饱和蒸汽湿度100~150℃，对于页岩气采气管路上的压力而言，并不符合。2011年中石油冀东油田公司机械公司研制出分体相变加热装置，具有体积紧凑、加热功率大、安装方便等特点，但是其专门为解决重质原油加热而设计，对于应用到页岩气采气管路上并未适用。（3）工程应用现状相同的变形式加热炉根据其内部结构或者形状上不同可以分别划分为组成一体式或者两个撬部安装相同的变形式加热炉。按锅炉蒸汽的额定压力，将炉内加热介质中各种蒸汽的额定转变压力分别降至高或低于当地额定大气压的则又称为真空相快加热炉，蒸汽的额定压力降至高于当地额定大气压的则又称为压力相变加热炉。因为产品可以适应各种负载的大小,同时为不同的加热模块同时有多种类型可以是一个快速变化的同时,分裂类型的不能取代交流变速箱式加热炉在目前我国已开始广泛应用广泛,既可采用真空相变，也可采用压力相变，这种加热炉在吉林油田和大港油田是应用最广泛的。1.3蒸汽换热器研究现状蒸汽换热器属于相变加热炉的重要组成部分，利用蒸汽释放出来的热量作为加热工艺中的气体，特别是在分体式相变加热炉中得到广泛应用，当前我国工业上普遍采用的蒸汽换热器主要包括光管式和翅片管式两种形式，光管式主要包括管板式和U形管式两种，翅片管式主要包括高翅套件式和低翼整体轧制式两种形式。（1）直管管板式蒸汽换热器该蒸汽换热器在蒸汽和工艺气之间设置了管板，保证了换热效率和系统的长期稳定运行ADDINNE.Ref.{8E71335D-FA20-419C-BBEA-63E2C01B0B74}[25]。换热器结构如图1.3所示，该换热结构制作成本高，蒸汽经常会泄漏到大气，使用现场环境较差。图1.3管板式蒸汽换热器Fig.1.3Tube-platesteamheatexchanger（2）U形管管板式蒸汽换热器该换热器，保持了直管管板式换热器的优点，又节约了管板材料，但对U形换热管弯制质量要求较高，加工难度大，加工成本较高ADDINNE.Ref.{8E71335D-FA20-419C-BBEA-63E2C01B0B74}[26]。换热器结构如图1.4所示：图1.4U形管管板式蒸汽换热器Fig.1.4U-tubeplatesteamheatexchanger（3）高翅套片式蒸汽换热器高翅套片式蒸汽加热器已经取消了管板，并且采用了一个集合管的形式，弥补了管板式蒸汽换热器的许多缺陷，运行稳定可靠，但外形尺寸比较大，间歇热阻大，影响了换热效率ADDINNE.Ref.{8E71335D-FA20-419C-BBEA-63E2C01B0B74}[27]。高翅套片式蒸汽换热器结构如图1.5所示：图1.5高翅套片式蒸汽换热器结构Fig.1.5Highfinsleevetypesteamheatexchangerstructure（4）低翅整体轧制式换热器低翅设备整体采用轧辊控制式高温换热器，结构紧凑，节能环保换热效果好，设备的整体安装方便，传热量和效率高，其结构形式如图1.6所示。但该结构维护较为困难，泄漏后不易发现漏点ADDINNE.Ref.{8E71335D-FA20-419C-BBEA-63E2C01B0B74}[28]。图1.6低翅整体轧制式换热器Fig.1.6Lowfinmonolithicrolledheatexchanger蒸汽换热器是一种非常重要的换热设备，其中高翅套片式和整体轧制式蒸汽加热器优势明显，在金山石化、齐鲁石化等企业得到了广泛的应用。但是该类蒸汽换热器维修困难，如何保证换热器长期安全稳定运行是亟待解决的问题。目前全球范围内的世界各个国家在高效换热器的理论研究、新工艺技术以及新型产品开发等相关技术方面都已进入了一个更高层次的研究和探索阶段，所涉及的领域也非常多，尽管近年来我国增强和加大了对于各种换热器的投资，但是在一些高效换热器的应用领域这个方面与发达国家还是存在一定的差距[29]。因此，我国要充分地借鉴国外的先进换热器和新型设备，努力追求国际的先进水平。参考文献[1]刘月勤,刘静怡,徐立昊.致密气田地面集输集中加热节流工艺[J].油气田地面工程,2019,38(04):58-62.[2]商绍芬,严鸿,吴建,蒋骏飞.四川盆地长宁页岩气井生产特征及开采方式[J].天然气勘探与开发,2018,41(04):69-75.[3]陈冠举.中国页岩气地面集输工艺技术研究[J].现代化工,2018,38(08):185.188+190.[4]刘争芬,赵宝利.大牛地气田两级增压阶段集气站工艺优化研究[J].油气田地面工程,2018,37(05):44.47.[5]LiuZhao,SunYouhong,GuoWei,LiQiang.Sealingeffectsofmarginalgasinjectiononoilshaleinsitupyrolysisexploitation[J].Elsevier,2020,189(C).[6]庞飞,张作衡,张君峰,陈科,石砥石,包书景,李世臻,郭天旭.长江经济带页岩气勘探开发进展及建议[J/OL].地球科学:1.19[2020-04.18].[7].Nanotechnology-Nanopolymers;InvestigatorsatWeifangUniversityofScienceandTechnologyReportFindingsinNanopolymers(PreparationofaNovelNanoPolymerEmulsionPluggingAgentUsingInDrillingFluidsforShaleGasExploration)[J].NanotechnologyWeekly,2020.[8].GreenhouseGasControl;InvestigatorsatColoradoSchoolofMinesReportFindingsinGreenhouseGasControl(ExperimentalInvestigationofAssessmentoftheContributionofHeterogeneousSemi-confiningShaleLayersOnMixingandTrappingofDissolvedCo2InDeep...)[J].TheBusinessofGlobalWarming,2020.[9]HuangHexin,LiRongxi,JiangZhenxue,LiJian,ChenLei.Investigationofvariationinshalegasadsorptioncapacitywithburialdepth:Insightsfromtheadsorptionpotentialtheory[J].Elsevier,2020,73(C).[10]耿海玲,高正宪,刘健铭,廖训,郭晓乐.我国页岩气采输技术探析[J].重庆科技学院学报(自然科学版),2016,18(03):97.100.[11]侯杰.子洲气田集气站工艺运行参数分析及优化[D].西安石油大学,2016.[12]梁光川,余雨航,彭星煜.页岩气地面工程标准化设计[J].天然气工业,2016,36(01):115.122.[13]李佳轩,宋爽.页岩气采气井口集气工艺的设计与计算[J].当代化工,2015,44(12):2889-2891.[14]XiYan,LiJun,TaoQian,GuoBoyun,LiuGonghui.Experimentalandnumericalinvestigationsofaccumulatedplasticdeformationincementsheathduringmultistagefracturinginshalegaswells[J].Elsevier,2020,187(C).[15]门曜旭,韩礼红,杨尚谕,雒设计.页岩气井套管研究现状[J].云南化工,2020,47(03):27.30.[16]MariaG.Laguna-Martinez,JaimeGaribay-Rodriguez,VicenteRico-Ramirez,EdgarO.Castrejon-Gonzalez,JoseM.Ponce-Ortega.Waterimpactofanoptimalnaturalgasproductionanddistributionsystem:AnMILPmodelandthecase-studyofMexico[J].ElsevierB.V.,2020,153.[17]王勇,张林霞,徐剑良,补成中,曹银平.页岩气井产量递减分析经验法优化应用研究[J].石油化工应用,2020,39(01):8-12.[18]郭梁柱.页岩气开采过程中关键技术研究[J].中国石油和化工标准与质量,2019,39(24):215.216.[19]MaLan,LuoPingya,HeYi,ZhangLiyun,FanYi,JiangZhenju.Ultra-StableSilicaNanoparticlesasNano-PluggingAdditiveforShaleExp