油田含聚介質(zhì)加熱爐結(jié)垢原因分析及技術(shù)進(jìn)展

【摘 要】油田含聚介質(zhì)加熱爐因被加熱介質(zhì)中含有濃度不一的聚合物使得其在使用過程中結(jié)垢、結(jié)焦現(xiàn)象更為嚴(yán)重，致使加熱爐熱效率低、溫升不足，甚至由于結(jié)垢、結(jié)焦導(dǎo)致加熱爐煙火管等部件變形、損壞，嚴(yán)重影響油田正常生產(chǎn)和安全生產(chǎn)。本文分析了含聚介質(zhì)加熱過程中的結(jié)垢原因，比較了不同爐型的適應(yīng)性，探討油田含聚介質(zhì)加熱爐的發(fā)展趨勢。

【關(guān)鍵詞】含聚介質(zhì);加熱爐;結(jié)垢;分析;技術(shù)進(jìn)展

引言

油田加熱爐是重要的油田地面集輸設(shè)備，由于被加熱介質(zhì)成分復(fù)雜（礦化度高、雜質(zhì)多），加熱爐結(jié)垢現(xiàn)象普遍，已經(jīng)成為困擾油田生產(chǎn)的難題。在油田含聚介質(zhì)的加熱過程中因被加熱介質(zhì)中含有濃度不一的聚合物使得其在使用過程中結(jié)垢、結(jié)焦現(xiàn)象更為嚴(yán)重，致使加熱爐熱效率低、溫升不足，火筒爐甚至由于結(jié)垢、結(jié)焦導(dǎo)致加熱爐煙火管等部件變形、損壞，嚴(yán)重影響油田正常生產(chǎn)和安全生產(chǎn)。

一、含聚介質(zhì)加熱爐的結(jié)垢情況分析

聚合物驅(qū)和三元復(fù)合驅(qū)三次采油采出液含聚濃度因見聚時(shí)間長短不同，目前可達(dá)1000ppm甚至更高。聚合物膠體具有明顯的掛壁現(xiàn)象，在加熱過程中膠體性質(zhì)發(fā)生變化變成凝膠，吸附于管路或容器壁上，形成有機(jī)物凝膠垢層。這種凝膠垢層吸附在管路或容器壁上，具有粘彈性，吸附力不大，遇冷或脫水時(shí)體積收縮，有一定的剝離現(xiàn)象。當(dāng)壁面溫度進(jìn)一步升高時(shí)會(huì)出現(xiàn)焦化現(xiàn)象，焦化后牢固的吸附在管路或容器壁上，形成焦化垢層。這種兩種垢層都具有非常大的熱阻，嚴(yán)重影響熱量傳遞效率，另外由于這兩種垢層由有機(jī)物構(gòu)成，對(duì)酸堿不敏感，無法通過化學(xué)清洗實(shí)現(xiàn)清垢的目的。

對(duì)于水套爐、相變爐等間接加熱加熱爐，靠中間介質(zhì)加熱爐換熱管，中間介質(zhì)的溫度較低（一般低于150℃和120℃），加熱爐換熱管壁面溫度也較低，一般只會(huì)發(fā)生聚合物的凝膠物理變化，而不會(huì)發(fā)生焦化現(xiàn)象。介質(zhì)中的聚合物在流動(dòng)過程中吸附于管路或容器壁上，加熱時(shí)換熱管壁面溫度高于介質(zhì)溫度，吸附于壁面的聚合物發(fā)生物理變化變成軟彈的凝膠，介質(zhì)中的懸浮物顆粒吸附或沉降在凝膠表面，形成復(fù)合垢層，導(dǎo)致?lián)Q熱管熱阻升高，加熱效率降低。隨著運(yùn)行參數(shù)的周期性變化垢層成分也不斷的變化，有非常明顯的分層現(xiàn)象。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的水套爐和常規(guī)設(shè)計(jì)的相變爐的清洗周期不超過三個(gè)月，嚴(yán)重影響加熱爐的運(yùn)行效率和油田正常生產(chǎn)。

火筒爐被加熱介質(zhì)與煙火管直接接觸。當(dāng)被加熱介質(zhì)含有聚合物時(shí)，前期現(xiàn)象同水套爐和相變爐相同，后因污垢熱阻導(dǎo)致壁面溫度升高聚合物凝膠就會(huì)發(fā)生焦化，形成內(nèi)層焦化有機(jī)硬垢外層凝膠垢的復(fù)合垢層。另外，火筒爐介質(zhì)流動(dòng)速率小，其懸浮物雜質(zhì)等沉積現(xiàn)象嚴(yán)重，最終在鍋殼下部產(chǎn)生淤積，從而加速垢層的生長，在煙火管周圍產(chǎn)生包覆現(xiàn)象，嚴(yán)重阻礙熱量的傳遞，在長時(shí)間加熱或強(qiáng)燒時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)因煙火管過熱而產(chǎn)生的變形、塌陷和開裂現(xiàn)象，產(chǎn)生加熱爐運(yùn)行故障甚至發(fā)生滲漏爆炸事故，給安全生產(chǎn)帶來隱患。

二、含聚介質(zhì)加熱爐防垢阻垢技術(shù)進(jìn)展

1、脈動(dòng)燃燒火筒式加熱爐

近幾年新研究開發(fā)的脈動(dòng)爐作為火筒爐的拓展產(chǎn)品，具有一定的防垢阻垢效果。這種加熱爐采用新型脈動(dòng)燃燒技術(shù)（屬于間歇式燃燒技術(shù)），燃燒系統(tǒng)周期性工作。燃燒時(shí)定時(shí)按比例送氣、風(fēng)，通過點(diǎn)火系統(tǒng)定時(shí)點(diǎn)火，在一定的氣/風(fēng)比例情況下產(chǎn)生爆燃，燃燒時(shí)的爆燃對(duì)煙火管產(chǎn)生一個(gè)頻率（50-60hz）相對(duì)固定的振動(dòng)，被加熱介質(zhì)中的垢分難以附著在管壁上，即便是管壁上原有的垢層，也在連續(xù)不斷的振動(dòng)下逐漸疏松脫落，從而產(chǎn)生防垢阻垢效果。在大慶油田采油二廠進(jìn)行的試驗(yàn)表明，該技術(shù)在水區(qū)（常規(guī)介質(zhì)）加熱爐上的效果比較明顯，缺點(diǎn)是燃燒系統(tǒng)振動(dòng)和噪音較大。在聚區(qū)和三元區(qū)的試驗(yàn)出現(xiàn)了多次煙火管焊縫撕裂現(xiàn)象。分析認(rèn)為，火筒式加熱爐煙火管內(nèi)層聚合物高溫結(jié)焦形成硬垢，外層掛聚合物凝膠軟垢，燃燒產(chǎn)生的振動(dòng)可以對(duì)硬垢產(chǎn)生作用，但當(dāng)振動(dòng)傳遞到外層時(shí)，粘彈的軟垢會(huì)吸收振動(dòng)能量，降低防垢阻垢效果，另外，粘彈的軟垢象外套一樣包覆在煙火管外面，阻礙硬垢的剝離，雖然振動(dòng)使得硬垢變得疏松，但不能脫落，阻熱效果猶在，致使煙火管局部過熱變形產(chǎn)生撕裂現(xiàn)象。

2、工藝材料方面

隨著材料技術(shù)和工藝的不斷發(fā)展，加熱爐制造商和油田用戶也做了很多方面的努力，以期通過材料和工藝的改進(jìn)緩解含聚介質(zhì)加熱爐的結(jié)垢結(jié)焦問題。包括進(jìn)行新型材料、常規(guī)材料表面加工、防腐防垢處理等試驗(yàn)。結(jié)果表明，選擇新型材料和工藝優(yōu)化對(duì)換熱管結(jié)垢有一定的效果，但同時(shí)也大幅度提高了產(chǎn)品的材料成本、增加了產(chǎn)品制造工藝難度和工藝成本，在一定程度上也增加了產(chǎn)品的制造周期，涂層工藝還存在熱阻大、工藝質(zhì)量難以保證、使用壽命受不確定等問題，難以適應(yīng)規(guī)模生產(chǎn)的需求。

在油田工藝上也有在爐前增加加藥工藝的試驗(yàn)，效果不是很明顯，而且增加后續(xù)的處理的難度和成本。

3、輔助設(shè)備方面

合理的選用防垢阻垢輔助設(shè)備，能夠延緩垢層的生長速度，延長加熱爐清洗周期，提高加熱爐的工作效率，降低生產(chǎn)維護(hù)費(fèi)用。

⑴變頻式除垢器

本裝置采用電磁原理，安裝于加熱爐進(jìn)口直管段。頻率不規(guī)則變化的磁場使流過的被加熱介質(zhì)中的極性分子和換熱管都帶有相同的極性和因磁場強(qiáng)度變化而不同的磁場能量，利用同極相斥的物理原理，使極性分子與管壁分離，被加熱介質(zhì)的分子能量大大增強(qiáng)了，同時(shí)本裝置磁場能在60-4000hz的范圍內(nèi)無規(guī)則變化，不同時(shí)間、不同分子獲得的能量不同，獲得能量的分子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，相互碰撞，極性分子從污垢中脫離出來，帶動(dòng)整體的分離，從而達(dá)到防垢除垢的效果。大慶油田裝備制造集團(tuán)在2010年采油一廠試驗(yàn)的8臺(tái)加熱爐進(jìn)行試用，效果較好。

⑵電磁除垢器

本裝置同樣采用電磁原理，與變頻除垢器不同之處在于頻率固定，不能產(chǎn)生分子碰撞。電磁除垢器只產(chǎn)生單一頻率的電磁波，不能使被加熱介質(zhì)的分子產(chǎn)生振蕩，效果叫變頻式除垢器差一些。

⑶超聲波阻垢除垢器

本裝置將超聲波發(fā)生器固定在換熱器進(jìn)口，同脈動(dòng)爐相似，其產(chǎn)生的超聲波振動(dòng)能量經(jīng)換熱管壁傳遞給被加熱介質(zhì)，延緩結(jié)垢速度。超聲波阻垢除垢器產(chǎn)生的超聲波能量一方面需經(jīng)換熱管傳遞能量會(huì)有所衰減，同時(shí)聚合物垢層粘彈性，會(huì)吸收掉超聲波能量，影響阻垢除垢效果。

經(jīng)過對(duì)含聚介質(zhì)垢層的性質(zhì)和對(duì)上述設(shè)備的工作原理及現(xiàn)場應(yīng)用情況分析，我們認(rèn)為三種設(shè)備對(duì)無機(jī)硬垢會(huì)有很好的效果，但變頻式除垢器作為含聚介質(zhì)加熱爐防垢阻垢輔助設(shè)備比較合適。

4、新型含聚介質(zhì)相變加熱爐

新型含聚介質(zhì)相變加熱爐，這是大慶油田裝備制造集團(tuán)在繼承傳統(tǒng)相變加熱爐高效、安全、環(huán)保等主要特點(diǎn)的前提下，針對(duì)油田含聚介質(zhì)加熱的實(shí)際問題，通過采取優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)及運(yùn)行參數(shù)、配套變頻除垢器作為防垢阻垢輔助設(shè)備等措施，研制開發(fā)的新型加熱爐產(chǎn)品。2010年，在大慶油田采油一廠聚中501站的加熱爐改造項(xiàng)目中進(jìn)行首臺(tái)新型含聚介質(zhì)相變加熱爐的試驗(yàn)應(yīng)用，2010年6月9日投產(chǎn)，至今各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)還能滿足油田生產(chǎn)需要，已經(jīng)得到油田用戶的認(rèn)可，目前已推廣應(yīng)用近70臺(tái)。

三、油田含聚介質(zhì)加熱爐的發(fā)展趨勢

油田含聚介質(zhì)加熱爐結(jié)垢嚴(yán)重是其應(yīng)用的主要問題，解決聚合物結(jié)垢問題是其發(fā)展的必然趨勢。

1、深入研究含聚介質(zhì)加熱過程中的結(jié)垢機(jī)理和發(fā)展規(guī)律，通過改進(jìn)加熱爐的結(jié)構(gòu)、優(yōu)化其運(yùn)行參數(shù)，延緩垢層的生長速度，從而延長清垢周期，滿足油田生產(chǎn)需要；

2、緊密跟蹤材料技術(shù)及材料工藝的發(fā)展，優(yōu)選新型經(jīng)濟(jì)適用的換熱部件高效防垢阻垢材料和工藝，減少垢的吸附和積累，從而延長清垢周期；

3、選用高效的防垢阻垢設(shè)備，延緩結(jié)垢；

4、研究新型防垢阻垢加熱爐。

參考文獻(xiàn)

[1]鹿道志.工業(yè)鍋爐司爐教程（第二版）M，北京:航空工業(yè)出版社，2005

[2]段芳英.鍋爐壓力容器安全技術(shù)，1998第一期，8頁

楊敬彪（1969-），男，工程師，從事相變加熱爐設(shè)計(jì)研發(fā)工作。