【摘要】：目前,油頁巖開采技術可分為地表干餾技術和地下原位轉化技術。地表干餾技術需要將油頁巖從地下開采到地表,不僅需要耗費大量人力和財力,而且存在廢渣存放占地多、環(huán)境污染大和開發(fā)效率低等缺點。地下原位轉化技術,相當于把“煉油廠”放到地下,不需要將油頁巖資源開采到地表,直接對油頁巖礦藏加熱使其裂解,然后將裂解產(chǎn)生的頁巖油氣輸運到地表,該技術可明顯克服地表干餾技術的缺點。按照注熱方式不同,可將原位轉化技術分為地面注熱方法和井中直接加熱方法。地面注熱方法是在地面產(chǎn)生高溫氣體,并由地表向油頁巖地層注入高溫氣體,氣體在管程輸運過程中會有大量熱量損失,能量利用率低,只適用于淺層油頁巖;而井中直接加熱方法是利用井中加熱器直接加熱注入氣體,能量利用率高,可應用于深層和淺層油頁巖。本文主要研究井中直接加熱方法的關鍵技術-井中加熱器,重點研究連續(xù)螺旋折流板式井中電加熱器。首先,對油頁巖注氣原位轉化井中加熱器進行系統(tǒng)設計。根據(jù)油頁巖原位轉化加熱器的使用工況條件,對井中加熱器的控制系統(tǒng)進行理論分析,設計了加熱器PID控制方案及控制流程。結合管殼式熱交換器的傳熱理論,分析橫向折流板和連續(xù)螺旋折流板這兩種換熱結構的特征,連續(xù)螺旋折流板換熱器具有不存在傳熱死區(qū)、傳熱效率高、壓力降小以及管束誘導振動小等優(yōu)點,非常適用于油頁巖井中直接加熱氣體技術,并設計了螺距分別為50mm、110mm、160mm和210mm的四種連續(xù)型螺旋折流板加熱器樣機,以及折流板間距為110mm的橫向折流板加熱器樣機。然后,對設計的五種加熱器樣機進行數(shù)值模擬研究。使用Soild Works軟件建立簡化模型,通過ANSYS Meshing 14.0軟件劃分網(wǎng)格,然后采用計算流體力學軟件Fluent 14.0進行數(shù)值模擬分析計算,本文模擬了加熱器殼程的流速、加熱管表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)及溫度、殼程壓力降等。模擬結果表明:與橫向折流板加熱器相比,連續(xù)型螺旋折流板加熱器殼程流態(tài)均勻,不存在流動死區(qū);加熱管表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和溫度均勻、不存在局部高溫區(qū);殼程壓力降更小;連續(xù)型螺旋折流板加熱器的加熱管表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨著螺距增大而降低,表面溫度隨著螺距增大逐漸升高,殼程壓力降隨著螺距增大逐漸降低。接著,設計加工實驗測試平臺,開展四種連續(xù)型螺旋折流板加熱器樣機的室內(nèi)實驗研究。根據(jù)研究目的,分別進行了恒功率實驗和恒出口溫度實驗,恒功率實驗主要研究殼程雷諾數(shù)、傳熱系數(shù)和殼程壓力降,恒出口溫度實驗主要研究加熱管的表面溫度,通過采集加熱器進出口溫度、進出口壓力和加熱管表面溫度等實驗參數(shù),分析實驗結果。實驗結果分析表明:加熱器殼程氣體在流動加熱過程中,氣體粘度逐漸升高、雷諾數(shù)逐漸降低,趨于柱塞流狀態(tài)發(fā)展;殼程雷諾數(shù)隨著螺距減小而逐漸升高,螺距越小,增長趨勢速度越快;通過建立加熱器殼程雷諾數(shù)與傳熱系數(shù)的擬合關聯(lián)式,加熱器殼程雷諾數(shù)和氣體物理性質(zhì)決定著加熱器傳熱性能,適當采取提高加熱器殼程雷諾數(shù)措施可提高加熱器的傳熱系數(shù);名義傳熱系數(shù)隨著通入氣體質(zhì)量流量的增加呈線性增長,螺距越小,增長速度越大;相同質(zhì)量流量的殼程壓力降隨著螺距增大逐漸降低;加熱管表面溫度隨著殼程氣體流動方向逐漸增長,螺距越大溫度越高。最后,采用h/ΔP和h·ΔP-1/3兩種綜合評價方案,通過對實驗數(shù)據(jù)的分析,評價四種設計方案的連續(xù)型螺旋折流板加熱器樣機。評價結果表明:H160方案連續(xù)型螺旋折流板加熱器的綜合性能最優(yōu),適合應用于油頁巖原位轉化井中直接加熱氣體方法。
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TE937

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本文編號：2563683