相變加熱爐的應(yīng)用

武喜懷

（長(zhǎng)慶油田公司第九采油廠，寧夏　銀川　750001）

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相變加熱爐的應(yīng)用

武喜懷

（長(zhǎng)慶油田公司第九采油廠，寧夏銀川750001）

從長(zhǎng)慶油田第九采油廠在用的15臺(tái)相變加熱爐的結(jié)構(gòu)與工作原理入手，對(duì)運(yùn)行中存在的故障進(jìn)行分析，總結(jié)了排除方法，提出了在選型和運(yùn)行中應(yīng)注意的問(wèn)題。

相變加熱爐；故障；節(jié)能減排

相變加熱爐是近年來(lái)根據(jù)相變傳熱學(xué)原理、將加熱爐技術(shù)與熱管技術(shù)相結(jié)合而創(chuàng)新發(fā)展起來(lái)的新一代高效、低壓油田用新型爐類間接加熱設(shè)備。

長(zhǎng)慶油田第九采油廠自2008年底以來(lái)，已投用了15臺(tái)相變加熱爐，其中整體式真空相變加熱爐5臺(tái)，分體式相變加熱爐10臺(tái)。

一、相變加熱爐的結(jié)構(gòu)與工作原理

1.相變加熱爐的結(jié)構(gòu)（圖1）。

圖1　整體式真空相變加熱爐的結(jié)構(gòu)圖

2.相變加熱爐的工作原理。

加熱爐采用相變換熱技術(shù)，通過(guò)燃料在爐膛內(nèi)燃燒，鍋殼內(nèi)的中間介質(zhì)水受熱沸騰，在負(fù)壓至微正壓狀態(tài)下，由液相產(chǎn)生的飽和蒸汽上升到相變換熱空間，與低于飽和溫度的換熱盤(pán)管接觸，凝結(jié)放出相變熱，將熱量通過(guò)換熱盤(pán)管傳遞給管內(nèi)的被加熱工質(zhì)，如此蒸發(fā)→冷凝→再蒸發(fā)→再冷凝的循環(huán)往復(fù)，完成相變換熱過(guò)程。

在工程上，一般將整體式微壓相變加熱爐稱作真空加熱爐，將分體式微壓相變加熱爐稱作分體式相變加熱爐。

3.相變加熱爐的特點(diǎn)。

相變加熱爐的特點(diǎn)：（1）安全。加熱爐采用相變換熱技術(shù)，額定工作壓力通常在-0.20～0.04MPa的負(fù)壓與微正壓之間，無(wú)容器爆炸危險(xiǎn)；（2）可靠。爐內(nèi)液位處于煙管和盤(pán)管之間，在密閉狀態(tài)下循環(huán)，加的是軟化水，筒內(nèi)壁無(wú)氧腐蝕和結(jié)垢現(xiàn)象。爐內(nèi)其它部件無(wú)裂紋、鼓包、腐蝕、爆管等問(wèn)題，設(shè)備使用壽命長(zhǎng)；（3）節(jié)能效果好，熱效率高。采用沸騰和冷凝兩種傳熱方式，熱效率可達(dá)到90%；（4）單位體積功率大。體積小、重量輕；（5）自動(dòng)化程度高。系統(tǒng)操作可手動(dòng)及遠(yuǎn)程自動(dòng)控制。

二、主要故障和排除方法

1.原油加熱出口溫度達(dá)不到要求。

10臺(tái)相變加熱爐原設(shè)計(jì)燃用油井伴生氣。冬季普遍出現(xiàn)混合油一次盤(pán)管出口溫度達(dá)不到要求，沉降脫水不徹底、外輸含水高，要打站內(nèi)循環(huán)。

原因：超低滲透油藏開(kāi)發(fā)的侏羅系油藏氣油比相對(duì)較低,原油含水高,伴生氣不穩(wěn)定，冬季伴生氣量少，燃燒器供氣壓力低；供氣管線冬季凍堵。

解決方法：（1）為其供氣的站點(diǎn)安裝了4臺(tái)伴生氣壓縮機(jī)；（2）在供氣管線最低端加裝了壓力缸，增加排液次數(shù)；（3）10臺(tái)加熱爐全部更換為油氣兩用自動(dòng)燃燒器，冬季伴生氣不夠用時(shí)，燃油作為備用。

2.進(jìn)出口壓差大、換熱效果差。

姬三聯(lián)1號(hào)加熱爐2012年1月出現(xiàn)混合油盤(pán)管進(jìn)出口壓差大的現(xiàn)象，換熱效果差，系統(tǒng)回壓高。拆檢總機(jī)關(guān)和換熱器盤(pán)管法蘭，發(fā)現(xiàn)管內(nèi)結(jié)垢和積渣嚴(yán)重，化驗(yàn)為鋇鍶垢，垢樣不溶于酸，清理困難，吹掃了換熱器盤(pán)管后，效果不明顯。

原因：（1）混合油流速低、加熱后垢渣沉積；（2）原油中的結(jié)垢物質(zhì)含量高，不同層系原油混進(jìn)，不配伍，起化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生堵塞性鋇鍶垢。

解決方法：（1）更換總機(jī)關(guān)，清理過(guò)濾器；（2）更換了新?lián)Q熱器；（3）分層系進(jìn)油。對(duì)不配伍層系的混合油，就地脫水后再進(jìn)流程。

3.加熱爐氣化，爐體內(nèi)缺水。

原因：因卸油臺(tái)不能連續(xù)卸油，造成進(jìn)加熱爐的液量和負(fù)荷不穩(wěn)定，生產(chǎn)波動(dòng)較大。當(dāng)進(jìn)液量大、含水高時(shí)，脫水溫度上不去，加熱爐經(jīng)常在大負(fù)荷工況下工作，加熱爐蒸汽溫度上限調(diào)整較高。當(dāng)進(jìn)液流量減少或不走液時(shí)，易造成加熱爐高溫，鍋水氣化，真空閥動(dòng)作，蒸汽外泄。

解決方法：（1）監(jiān)控卸油量，及時(shí)根據(jù)進(jìn)液量調(diào)低停機(jī)蒸汽溫度；（2）加強(qiáng)巡回檢查，發(fā)現(xiàn)溫度偏高，立即手動(dòng)停爐；（3）及時(shí)檢修和校驗(yàn)真空閥的密封性；（4）及時(shí)補(bǔ)水，保持水位在規(guī)定的液位內(nèi)，防止事故擴(kuò)大。

4.煙囪根部流水、腐蝕。

原因：（1）加熱爐效率高，排煙溫度低，伴生氣燃燒后，在冬季易冷凝，在煙囪中產(chǎn)生大量的冷凝水，順煙囪內(nèi)壁流到煙囪底部，造成筒壁腐蝕；（2）若伴生氣燃料中含有硫化氫氣體，則腐蝕更加嚴(yán)重；（3）自動(dòng)控制失靈，不能根據(jù)生產(chǎn)負(fù)荷（進(jìn)液量）自動(dòng)調(diào)整燃燒器的大小火連續(xù)運(yùn)行。

解決方法：（1）煙囪外壁做保溫；（2）降低煙囪高度；（3）檢修自動(dòng)控制系統(tǒng)，燃燒器能根據(jù)進(jìn)液量的多少自動(dòng)調(diào)整燃燒器的大小火，保證加熱爐連續(xù)運(yùn)行，不能頻繁啟停。

5.煙筒冒黑煙，爐效降低。

原因：由于相變加熱爐爐效高，排煙速度慢。若煙囪較低，燃油燃燒器過(guò)?？諝庀禂?shù)小，則燃料燃燒不充分，灰分和煙塵易吸附在煙管的管壁上，堵塞煙管。

解決方法：（1）每年夏季檢修時(shí)，打開(kāi)煙箱前蓋清理煙管。然后關(guān)閉煙箱，啟動(dòng)燃燒器對(duì)煙管進(jìn)行吹掃；（2）調(diào)大燃燒器的進(jìn)風(fēng)量。

6.換熱器盤(pán)管進(jìn)出油管線振動(dòng)。

原因：因卸油臺(tái)的流程直接連在加熱爐混合油盤(pán)管上進(jìn)油，運(yùn)行時(shí)距離太短，排量過(guò)大，對(duì)加熱爐盤(pán)管的沖擊大，易振開(kāi)焊口，損壞加熱爐。

解決方法：將卸油臺(tái)的流程改連在總機(jī)關(guān)上再進(jìn)加熱爐。

7.真空度無(wú)法保持。

原因：真空閥和放氣閥關(guān)閉不嚴(yán)、蒸發(fā)器與換熱器連通的金屬軟管泄漏、爆破膜破損、管路密封不嚴(yán)。

解決方法：檢修真空閥和放氣閥、更換金屬軟管和爆破膜，檢查管路密封性。

8.燃?xì)夤苈饭收稀?/p>

原因：加熱爐自動(dòng)燃燒器要求使用干氣，但油田現(xiàn)場(chǎng)使用的是油井伴生氣，未經(jīng)過(guò)凈化處理，特別是冬天，壓力低，不穩(wěn)定，脫水不徹底，雜質(zhì)含量高，易造成燃?xì)膺^(guò)濾器堵塞、調(diào)壓閥失靈、管路凍堵、燃燒器電磁閥損壞、點(diǎn)不著火等現(xiàn)象。

解決方法：（1）定期對(duì)伴生氣管線壓力缸放空清理確保氣管線暢通不凍堵；（2）縮短清洗燃?xì)膺^(guò)濾器的時(shí)間；（3）吳四聯(lián)3臺(tái)加熱爐加裝了伴生氣簡(jiǎn)易分離器定期排污和脫水。

9.燃燒器大小火無(wú)法轉(zhuǎn)換，不能自動(dòng)點(diǎn)火，沒(méi)有大火或沒(méi)有小火。

原因：燃燒器長(zhǎng)期處在高溫狀態(tài)，且使用未經(jīng)處理的濕氣，雜質(zhì)多，含水高，電磁閥易損壞，保養(yǎng)不當(dāng)是造成燃燒器故障的主要原因。燃油時(shí)齒輪油泵易卡死，預(yù)熱器不加熱也是原因之一。

解決方法：每年4月和10月設(shè)備換季保養(yǎng)時(shí)，請(qǐng)專業(yè)人員對(duì)燃燒器進(jìn)行一次維修。重點(diǎn)檢查：（1）燃燒頭、穩(wěn)焰盤(pán)、探針在長(zhǎng)期高溫條件下工作是否有燒損，點(diǎn)火管是否有被濕氣腐蝕現(xiàn)象；（2）高壓接頭是否有漏電現(xiàn)象；（3）點(diǎn)火電極和點(diǎn)火變壓器是否可以產(chǎn)生電弧；（4）電機(jī)是否有異常響動(dòng)、軸承磨損情況（5）電磁閥是否有被污垢堵塞情況。

凈化原油含水高、雜質(zhì)多是造成燃油燃燒器齒輪油泵損壞的主要原因。

10.控制面板上停爐溫度和啟爐溫度設(shè)置不合理，加熱爐啟動(dòng)頻繁。

原因：姬三聯(lián)2臺(tái)分體式相變加熱爐啟爐和停爐溫度設(shè)置過(guò)低，鍋水未達(dá)到氣化溫度，造成熱效率低，加熱效果差。

吳三聯(lián)2臺(tái)分體式相變加熱爐啟動(dòng)和停爐溫度設(shè)置太接近，造成加熱爐啟動(dòng)頻繁。

解決方法：加強(qiáng)操作人員的技術(shù)培訓(xùn)，嚴(yán)格落實(shí)設(shè)備操作規(guī)程，達(dá)到“四懂三會(huì)”的要求。按照設(shè)備說(shuō)明書(shū)的要求，正確設(shè)置啟、停溫度，實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行。

三、安裝和使用中應(yīng)注意的事項(xiàng)

1.排氣操作。

在運(yùn)行過(guò)程中最重要的是排除鍋內(nèi)的不凝結(jié)氣體。

（1）打開(kāi)放空閥和補(bǔ)水閥，加水至水位計(jì)中間水位以上50mm處后，關(guān)閉放空閥和補(bǔ)水閥；（2）關(guān)閉三組換熱盤(pán)管的進(jìn)、出口閥門(mén)；（3）將停爐溫度設(shè)定在110℃、停機(jī)壓力設(shè)定在0.05MPa；（4）在自動(dòng)小火狀態(tài)下啟動(dòng)燃燒器；（5）當(dāng)有大量蒸汽從真空閥溢出，約5～8min后，迅速打開(kāi)盤(pán)管的進(jìn)出口閥門(mén)，使真空閥快速?gòu)?fù)位。以建立鍋筒內(nèi)的真空度，保證在負(fù)壓至微正壓狀態(tài)下運(yùn)行；（6）調(diào)整設(shè)置參數(shù)至正常值。

為了獲得較好的換熱效果，每運(yùn)行一段時(shí)間，應(yīng)重復(fù)一次排氣操作。

2.密封性檢查。

要定期檢查加熱爐的密封性。

3.水位檢查。

水位要控制在中間線±50mm范圍內(nèi)。不允許水位低于下線。當(dāng)水位低于下線時(shí)，要立即補(bǔ)水，一次補(bǔ)水至上線。

4.鍋筒用軟化水要合格。

相變加熱爐雖然對(duì)鍋水品質(zhì)的適應(yīng)性較強(qiáng)，但還應(yīng)集中配套水處理設(shè)備，加入的鍋水和補(bǔ)水的水質(zhì)應(yīng)符合GB1576-2001《低壓鍋爐水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》的要求，硬度要≤0.6mmol/L、pH≥7,不能使用生水或處理不合格的水，并每季度檢測(cè)一次水質(zhì)，以延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。

5.要做好管線的保溫。

與爐體連接的補(bǔ)水管線、水位計(jì)管線和排污管線冬天易凍，要做好保溫。

6.爐膛要保持微正壓燃燒。

燃料過(guò)?？諝庀禂?shù)控制在1.1～1.2之間，以增多空氣的吸入量，提高燃燒效率。

7.自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，可適當(dāng)調(diào)低上限停機(jī)溫度，減小燃燒器的出力，以達(dá)到不停機(jī)或極少停機(jī)的連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)。

8.每月要活動(dòng)防爆門(mén)，以防粘接，失去防爆作用。

9.補(bǔ)水管路上必須安裝止回閥、水過(guò)濾器和截止閥。

10.停爐后，若盤(pán)管不修理，可不關(guān)進(jìn)出口閘門(mén)，以防管內(nèi)存油凝結(jié)。

11.新加熱爐投用前應(yīng)打開(kāi)人孔，按每立方米水2～3kg量，用磷酸三鈉煮爐4h，再用清水沖洗鍋筒。

12.要根據(jù)進(jìn)液量和含水，及時(shí)調(diào)整鍋筒內(nèi)蒸汽的上、下限設(shè)定溫度，以控制工質(zhì)（原油）的加熱溫度。鍋筒內(nèi)溫度的設(shè)置優(yōu)先于負(fù)荷（盤(pán)管加熱工質(zhì)）溫度的設(shè)置。

四、選型、設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題

1.從結(jié)構(gòu)上考慮選型時(shí)，應(yīng)首先選擇分體式相變加熱爐。

2.按負(fù)荷選型時(shí)，負(fù)荷≤600kW，宜選擇常壓臥式加熱爐；600kW≤負(fù)荷＜1250kW，應(yīng)選擇整體式真空加熱爐；1250kW≤負(fù)荷，應(yīng)選擇分體式相變加熱爐。

3.為了提高熱效率，分體式相變加熱爐煙管應(yīng)采用三回程式結(jié)構(gòu)，煙囪在后部位置。整體式真空加熱爐應(yīng)采用兩回程式結(jié)構(gòu)，煙囪在前側(cè)位置。

4.訂貨時(shí)，分體式相變加熱爐應(yīng)要求換熱器盤(pán)管為可抽出式，以法蘭與換熱器殼體形成可拆卸式連接，以保證換熱盤(pán)管維護(hù)和更換方便。

5.換熱器頂部應(yīng)設(shè)計(jì)安裝真空閥和爆破膜雙安全措施，以防真空閥閥芯卡死后，鍋筒超壓造成事故。

6.燃料為伴生氣時(shí)，應(yīng)設(shè)計(jì)和安裝簡(jiǎn)易的濕氣加熱、脫水和分離（器）裝置，以防燃燒器電磁閥因濕氣銹蝕、卡死。

7.換熱盤(pán)管結(jié)垢是相變加熱爐的主要失效形式。要根據(jù)換熱盤(pán)管內(nèi)被加熱工質(zhì)的結(jié)垢傾向，配套設(shè)計(jì)和安裝電磁等防垢器，以延長(zhǎng)換熱盤(pán)管的使用壽命。

8.在北方使用時(shí)，冬季氣溫低，排煙溫度低，易冷凝，煙囪外壁要設(shè)計(jì)保溫。

9.防爆門(mén)應(yīng)設(shè)計(jì)在爐體的下部，不應(yīng)設(shè)計(jì)在前部和后部，以防造成人身傷害。

五、結(jié)語(yǔ)

相變加熱爐運(yùn)行安全、可靠、節(jié)能，并具有體積小、升溫快、熱效率高、能高低，節(jié)能效果好、自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)，不但可替代傳統(tǒng)的筒式加熱爐和管式加熱爐，還可應(yīng)用于對(duì)在用的常壓臥式水套加熱爐進(jìn)行節(jié)能技術(shù)改造，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

參考資料：

[1]GB/T21435-2009.相變加熱爐.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[2]陳學(xué)俊，陳聽(tīng)款.鍋爐原理（第二版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991.

[3]鄧壽祿，王貴生.油田加熱爐[M].北京：中國(guó)石化出版社，2011.

[4]張志英，陳國(guó)巖.相變換熱熱水鍋爐[J].工業(yè)鍋爐，2005（5）.

（三等獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)魑模?/p>

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1671-0711（2015）06-0060-03