真空相變加熱爐在大港南部油田的應(yīng)用

劉碧峰 劉博洋

1大港油田采油三廠2西南石油大學(xué)

真空相變加熱爐在大港南部油田的應(yīng)用

劉碧峰1 劉博洋2

1大港油田采油三廠2西南石油大學(xué)

真空相變加熱爐在大港南部油田的應(yīng)用中存在許多問題，如結(jié)垢嚴(yán)重，壓差大，正壓運(yùn)行，效率低，維護(hù)成本高，維修困難等，針對(duì)這些問題提出了相應(yīng)的改進(jìn)建議。為了發(fā)揮相變加熱爐安全性好、效率高的特點(diǎn)，解決其在使用過程中存在的問題，應(yīng)采用承壓相變加熱爐。適當(dāng)提高殼程的允許運(yùn)行壓力，可提高到0.4MPa左右，承壓能力的提高可使蒸汽溫度提高，從而滿足更高生產(chǎn)溫度的需求。在換熱器設(shè)計(jì)上進(jìn)行改進(jìn)，減少盤管管程，適當(dāng)加大管徑，從而減輕由于結(jié)垢帶來的負(fù)面影響。適當(dāng)加厚管壁，同時(shí)采取相應(yīng)的防腐、防垢措施，以延長爐管使用壽命。對(duì)于2000kW以上大功率真空爐，采用外置分體式結(jié)構(gòu)盤管適應(yīng)性更好些。優(yōu)化參數(shù)設(shè)計(jì)，確定熱負(fù)荷時(shí)以實(shí)際運(yùn)行參數(shù)為基準(zhǔn)，避免追求大裕量，確保較高的負(fù)荷率；確定壓降值時(shí)，參考集輸設(shè)計(jì)手冊(cè)推薦的0.1～0.25MPa，避免片面追求低壓損，保持合理流速，降低垢、機(jī)雜的沉積速率。

真空相變加熱爐；換熱器；盤管；腐蝕結(jié)垢；問題分析

1 應(yīng)用背景

大港南部油田共有聯(lián)合站9座，轉(zhuǎn)接站9座，擔(dān)負(fù)著130×104t/a原油集輸及處理任務(wù)。由于南部油田原油物性具有高凝、高黏特點(diǎn)，因此，集輸與處理過程的加熱環(huán)節(jié)尤為重要。南部油田共有600kW以上加熱爐61臺(tái)，用于原油外輸、脫水、穩(wěn)定、伴熱摻水加熱。啟運(yùn)加熱爐43臺(tái)，燃?xì)饬?860×104m3/a，因天然氣量不足，需補(bǔ)充燃油量約2600t/d。

由于早期的管式爐大部分運(yùn)行10年以上，盤管結(jié)焦燒損概率高，經(jīng)常出現(xiàn)盤管穿孔現(xiàn)象，安全隱患大。另外，因結(jié)垢導(dǎo)致部分加熱爐管壓損大，運(yùn)行耗能高，熱效率低（加熱爐平均熱效率79.8%）。為此，從2005年開始，陸續(xù)將部分年久失修的管式加熱爐更新為真空相變加熱爐。目前，共有相變爐31臺(tái)，管式爐28臺(tái)，熱媒爐2臺(tái)。

2 相變爐結(jié)構(gòu)、原理及技術(shù)特點(diǎn)

真空相變加熱爐主體結(jié)構(gòu)包括火筒、煙管、爐體(蒸汽發(fā)生器)、換熱盤管、煙囪及燃燒器等部分。換熱盤管分為內(nèi)置的一體式和外置的分體式。

燃燒器將燃料充分燃燒，熱量通過加熱爐火筒及煙管傳遞給爐體內(nèi)(蒸汽發(fā)生器)的中間介質(zhì)（水），水受熱沸騰汽化，逐步充滿爐體的汽相空間。水蒸氣與換熱盤管接觸，加熱盤管內(nèi)的生產(chǎn)介質(zhì)。水蒸氣失去熱量后，冷凝成液體回流到爐體內(nèi)，再次在爐體內(nèi)被加熱蒸發(fā)。被加熱介質(zhì)源源不斷地帶走熱量，冷凝成液體的水又吸收燃料燃燒熱量而汽化，如此循環(huán)往復(fù)，通過相變方式完成傳熱。

相變爐的技術(shù)特點(diǎn)：

（1）相變加熱爐利用熱管相變傳熱原理，具有較高的導(dǎo)熱性。

（2）以水和水蒸氣作為傳熱介質(zhì)，水在封閉的爐殼內(nèi)受熱蒸發(fā)、冷凝，熱傳導(dǎo)系數(shù)穩(wěn)定。

（3）在負(fù)壓下工作，運(yùn)行安全可靠。

（4）相同功率下，真空爐比傳統(tǒng)管式加熱爐節(jié)約鋼材，爐體小。

3 問題分析

大港南部油田自2005年開始試用真空相變加熱爐至今已歷時(shí)10年，試用臺(tái)數(shù)超過30臺(tái)，然而大部分真空相變加熱爐沒有體現(xiàn)出高效的優(yōu)點(diǎn)，而且還帶來了許多管理問題。

3.1 結(jié)垢嚴(yán)重

由于南部油田礦化度高（約23000～31000L/mg），造成換熱器盤管結(jié)垢，使介質(zhì)流動(dòng)受阻，管損增大。另外，為提高換熱效果及減少換熱器的體積，真空相變加熱爐換熱器盤管采用多管程、小管徑，在生產(chǎn)過程中容易結(jié)垢造成壓損增大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，南部油田90%真空相變爐存在壓差過大問題，換熱器進(jìn)出口壓差達(dá)到0.4～0.6MPa。先后進(jìn)行化學(xué)清洗23臺(tái)次，更換盤管17臺(tái)次，化學(xué)清洗效果僅能維持10～30天，更換盤管的效果短則數(shù)月，長則半年，之后又恢復(fù)到先前狀態(tài)。因換熱器盤管結(jié)垢、壓損大、換熱效率低，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

3.2 正壓運(yùn)行

真空相變加熱爐在微負(fù)壓狀態(tài)下具有高效、安全的性能，在投產(chǎn)初期基本能正常運(yùn)行。但使用一段時(shí)間后，因換熱器結(jié)垢、機(jī)雜沉積等原因，使換熱效果變差，被加熱介質(zhì)溫度達(dá)不到要求；同時(shí)，水蒸氣熱量不能被帶走，冷凝效果變差，造成加熱爐正壓運(yùn)行，甚至超過安全壓力，安全閥經(jīng)常打開，失去了高效、安全性能。例如：自一聯(lián)2＃摻水加熱爐，額定功率2500kW，盤管內(nèi)徑DN50mm。該加熱爐于2007年6月30日投產(chǎn)運(yùn)行，運(yùn)行3個(gè)月后工作壓力升到0.1MPa以上，造成安全閥經(jīng)常打開排汽，需定期補(bǔ)加清水。2009年6月進(jìn)行洗爐，但運(yùn)行一段時(shí)間后又開始正壓運(yùn)行。目前，該加熱爐只能停止運(yùn)行。

3.3 負(fù)載能力低

由于大部分真空相變爐采用水作為中間換熱介質(zhì)，且在微負(fù)壓狀態(tài)下運(yùn)行，此時(shí)換熱盤管周圍蒸汽最高溫度低于100℃。當(dāng)工作介質(zhì)需要得到較高溫度時(shí)（大于80℃），真空相變爐因兩種換熱介質(zhì)間溫差較小難以使工作介質(zhì)提高到理想的溫度，加熱爐負(fù)載能力受限。例如：當(dāng)棗一聯(lián)外輸加熱爐出口溫度要求85℃時(shí)，采用管式加熱爐能夠輕松達(dá)到此溫度，而真空相變爐無法實(shí)現(xiàn)。

3.4 盤管及煙管腐蝕

真空相變爐雖然不直接加熱換熱器盤管，但仍然沒有從根本上解決換熱器盤管內(nèi)部腐蝕結(jié)垢問題。在介質(zhì)本身腐蝕嚴(yán)重的情況下，加上結(jié)垢影響，盤管內(nèi)腐蝕漏失現(xiàn)象仍很普遍。例如：棗一聯(lián)合站2＃摻水相變加熱爐，額定功率3000kW。該爐于2007年11月6日投產(chǎn)運(yùn)行，2010年6月25日發(fā)現(xiàn)盤管腐蝕滲漏，盤管內(nèi)壁底部垢下腐蝕嚴(yán)重，而盤管外表及內(nèi)壁其它部位基本無腐蝕現(xiàn)象，分析原因?yàn)樵撜緭剿泻珻l-成分。2010年8月對(duì)換熱器進(jìn)行了更換；2011年10月盤管結(jié)垢嚴(yán)重，進(jìn)行清洗；2012年7月因換熱盤管腐蝕漏失更換換熱器；2015年1月?lián)Q熱盤管腐蝕漏失更新?lián)Q熱器。

同樣的問題，在煙管及煙囪也頻繁出現(xiàn)。一方面是由于真空加熱爐負(fù)載能力低，為提高負(fù)載能力，往往采取“大馬拉小車”的辦法解決。另一方面，由于油田燃?xì)馐褂玫氖俏唇?jīng)處理的伴生氣，煙氣中含硫等腐蝕成分，加上排煙溫度過低造成煙氣凝結(jié)，從而造成管內(nèi)腐蝕。

3.5 可維修性差

真空相變加熱爐的盤管或火筒、煙管等一旦發(fā)生腐蝕漏失，現(xiàn)場維修很困難，需將換熱器返廠解體。如果是內(nèi)置式盤管結(jié)構(gòu)，則需把整個(gè)加熱爐返廠解體，工作量近于制造一臺(tái)新加熱爐。另外，火筒積灰清除以及真空負(fù)壓值的調(diào)節(jié)和維持都非常困難，很難保持高效狀態(tài)運(yùn)行。

4 結(jié)論

（1）通過多年的礦場應(yīng)用效果來看，真空相變加熱爐在加熱介質(zhì)礦化度高、機(jī)雜多、腐蝕結(jié)垢嚴(yán)重的油田適應(yīng)性較差，尤其是對(duì)出口溫度要求較高的摻水系統(tǒng)加熱，難以滿足生產(chǎn)需要。為此，真空相變加熱爐質(zhì)量需要提高。

（2）在換熱器設(shè)計(jì)上進(jìn)行改進(jìn)，減少盤管管程，適當(dāng)加大管徑，從而減輕由于結(jié)垢帶來的負(fù)面影響。

（3）為了發(fā)揮相變加熱爐安全性好、效率高的特點(diǎn)，解決其在使用過程中存在的問題，應(yīng)采用承壓相變加熱爐，其主要結(jié)構(gòu)、原理、技術(shù)特點(diǎn)與真空相變加熱爐相同。

（4）適當(dāng)提高殼程的允許運(yùn)行壓力，可提高到0.4MPa左右，承壓能力的提高可使蒸汽溫度提高，從而滿足更高生產(chǎn)溫度的需求。

（5）適當(dāng)加厚管壁，同時(shí)采取相應(yīng)的防腐、防垢措施，以延長爐管使用壽命。

（6）從維修的簡便性看，內(nèi)置式盤管結(jié)構(gòu)更換比較困難，而外置分體式結(jié)構(gòu)盤管更換相對(duì)簡便。因此對(duì)于2000kW以上大功率真空爐，采用外置分體式結(jié)構(gòu)盤管適應(yīng)性更好些。

（7）優(yōu)化參數(shù)設(shè)計(jì)，確定熱負(fù)荷時(shí)以實(shí)際運(yùn)行參數(shù)為基準(zhǔn)，避免追求大裕量，確保較高的負(fù)荷率；確定壓降值時(shí)，參考集輸設(shè)計(jì)手冊(cè)推薦的0.1～0.25MPa，避免片面追求低壓損，保持合理流速，降低垢、機(jī)雜的沉積速率。

（022）25944894、lbf_123456@163.com

（欄目主持樊韶華）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.6.027

劉碧峰：高級(jí)工程師，1988年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）采油工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事油田地面工藝技術(shù)管理。