油田臥式燃氣加熱處理器火筒鼓包典型事故分析

(華油惠博普科技股份有限公司 設計研究院， 北京 100088)

油田臥式燃氣加熱處理器火筒鼓包典型事故分析

蘇海鵬

(華油惠博普科技股份有限公司 設計研究院， 北京 100088)

加熱處理器是油氣田中使用的具有原油加熱、分離等多項功能的油氣集輸專用裝置，綜合了火筒式加熱爐和油水分離器的工藝原理。針對一起加熱處理器火筒鼓包事故，在綜合設計基礎條件、工藝選型計算、機械設計方案及設備運行的基礎上，對加熱處理器火筒鼓包現(xiàn)象進行了調(diào)查分析，指出了火筒鼓包的原因，總結(jié)了加熱處理器在設計選型和操作運行方面存在的問題，以期對同類裝置的設計及設備運行具有指導意義。

加熱處理器； 加熱分離器； 火筒； 鼓包； 分析

燃氣加熱處理器是油氣田中用于火焰加熱和分離出原油、天然氣、水及其混合物等介質(zhì)的專用設備之一，多用于集輸站場中油氣水的加熱和分離，是一種具有加熱、分離、緩沖等多種功能的加熱分離器[1-3]，其設計、運行綜合了火筒式加熱爐和油水分離器設備的工藝原理，也可稱為一體化加熱分離裝置，即通過在金屬圓筒殼體內(nèi)設置火筒，將燃料燃燒釋放的熱量直接傳遞給被加熱介質(zhì)，將原油、天然氣以及井產(chǎn)物加熱到工藝所要求的溫度，并且進行沉降、分離[4-6]。

國外某燃氣原油處理站2臺加熱處理器采用了可抽出的雙火筒臥式結(jié)構(gòu)，對上游來液進行加熱、分離。設備于2015-05投產(chǎn)運行，2016-12-16發(fā)現(xiàn)其中1臺設備的火筒發(fā)生鼓包現(xiàn)象，隨后對設備進行了停產(chǎn)維護。文中針對加熱處理器出現(xiàn)的鼓包現(xiàn)象，對加熱處理器的設計、選型、運行等方面情況進行了回顧和調(diào)查，分析了火筒鼓包產(chǎn)生的原因，并提出了相應的改進措施。

1 加熱處理器與火筒鼓包情況概述

1.1加熱處理器

加熱處理器按照ASME VIII進行設計及制造，采用雙火筒、可抽出結(jié)構(gòu)形式，以便后續(xù)運行過程中加熱負荷調(diào)節(jié)和設備維護[7-10]。

加熱處理器規(guī)格(內(nèi)徑×長度)為? 3 m×12 m?；鹜膊捎闷街睜t膽與波形爐膽相結(jié)合的形式，并進行整體熱處理，以消除加工制造過程中的焊接應力，材質(zhì)均采用SA 516 Gr70N?；鹜步?jīng)由位于其左右及下方的滑道裝置進行支撐和固定。燃燒設

備采用意大利百得(BALTUR)燃氣燃燒器[11]，加熱處理器的結(jié)構(gòu)簡圖見圖1。

圖1 加熱處理器結(jié)構(gòu)簡圖

1.2火筒鼓包情況

加熱處理器火筒鼓包和停產(chǎn)維護時的油污情況見圖2。

圖2 加熱處理器火筒鼓包及油污

由圖2可見，火筒的鼓包情況比較嚴重，鼓包位于左側(cè)火筒底部的波形火筒與平直火筒的結(jié)合部位，而且火筒外部還附著大量的油泥。鼓包處已經(jīng)產(chǎn)生了大量的氧化層，并已經(jīng)開始脫落。加熱處理器停產(chǎn)后，從設備底部的側(cè)面人孔清理出了大量的含油污泥。

結(jié)合實際運行情況可知，被加熱介質(zhì)中含有大量的泥沙。在設備的運行過程中，沒有及時進行排污、排沙，從而導致設備內(nèi)部靠近火筒的周圍泥沙不斷地積累，附著在火筒外表面。

2 加熱處理器工藝選型計算與機械設計方案

加熱處理器的工藝選型計算主要包括熱工工藝計算和設備工藝選型計算兩個部分。熱工工藝計算的主要目的是進行加熱負荷和火筒的熱力、煙氣系統(tǒng)阻力計算，以確定受熱面積大小和火筒的機械結(jié)構(gòu)尺寸。設備的工藝計算是根據(jù)技術(shù)指標和熱工工藝的計算結(jié)果，然后確定設備的外形尺寸、火筒在容器內(nèi)的安裝位置、油水界面的高度、油水各自的停留時間等工藝參數(shù)。

2.1工藝設計條件

加熱處理器原始設計數(shù)據(jù)：總質(zhì)量流量最大值為3 175 t/h，其中石油的質(zhì)量流量為635 t/h，水的質(zhì)量流量為2 540 t/h；進/出口溫度為20 ℃/60 ℃；工作壓力0.4 MPa(g)；出口油中水質(zhì)量分數(shù)為不大于10%，出口水中油質(zhì)量濃度為500 mg/L；原油停留時間不大于52 min，水的停留時間不大于4 min。

上述數(shù)據(jù)在設計階段為2臺設備的處理量，在設計審查階段，業(yè)主將該數(shù)據(jù)變更為單臺設備的處理量。

2.2原油加熱負荷計算

原油加熱處理器加熱負荷的計算以油水界面以上的原油加熱所需熱量為準，不考慮油水界面以下混合物的加熱。在計算加熱負荷時，通常假定被加熱的原油中含有質(zhì)量分數(shù)為30%的水。

被加熱介質(zhì)所需熱量按照下式計算：

Q=qmcpΔt/3.6

(1)

其中

Δt=t2-t1

式中，Δt為被加熱介質(zhì)溫差，t2為被加熱介質(zhì)出口溫度，t1為被加熱介質(zhì)入口溫度，℃；qm為被加熱介質(zhì)質(zhì)量流量，t/h；Q為被加熱介質(zhì)所需熱負荷，kW；cp為被加熱介質(zhì)比定壓熱容，kJ/(kg·℃)。

這里忽略了油水的偏差，統(tǒng)一按照水的密度進行計算。根據(jù)式(1)計算的原油加熱負荷見表1。對計算總熱負荷圓整后取額定熱負荷為1 100 kW。

表1 加熱負荷計算結(jié)果

2.3火筒熱力計算結(jié)果

根據(jù)加熱負荷計算結(jié)果，每個火筒的輸入熱量最小需要550 kW，這樣才能夠能滿足加熱要求。根據(jù)百得燃燒器的火焰長度、火焰直徑與燃燒器功率曲線(圖3、圖4)，確定以火筒內(nèi)徑為500 mm進行熱力計算[11]。

單臺火筒熱力計算和煙氣阻力計算結(jié)果見表2。

圖3 火焰長度與燃燒器功率曲線

圖4 火焰直徑與燃燒器功率曲線

名稱輻射火管對流火管受熱面積H/m212.8811.78入口煙氣溫度θ'/℃—642.0出口煙氣溫度θ″/℃642.0～652.0373.0～420.0平均煙氣流速wy/(m·s-1)—4.0對數(shù)溫差Δt/℃—337.80傳熱系數(shù)K/(kW·m-2·℃-1)—0.0265傳熱量Q/kW444.36105.51計算熱效率η/%75.1～77.8—標況下燃料消耗量Bj/(m3·h-1)74.30受熱面平均熱流密度q/(kW·m-2)28.74火管截面熱流密度Φ/(kW·m-2)2802.55煙氣系統(tǒng)阻力Δp/Pa48.20

從表2可以看出，火筒的受熱面平均熱流密度為28.74 kW/m2、火筒的截面熱流密度為2 802.55 kW/m2，這些數(shù)據(jù)滿足文獻[12]要求的小于受熱面最大平均熱流密度推薦值31 kW/m2和橫截面熱流密度不宜大于6 800 kW/m2的推薦值。

2.4設備工藝選型計算結(jié)果

加熱處理器整體的工藝選型計算方法可以依據(jù)API 12J規(guī)范執(zhí)行[13]。根據(jù)熱力計算結(jié)果，確定了如圖5和圖6所示的火筒機械設計條件。

圖5 火筒結(jié)構(gòu)簡圖

圖6 設備內(nèi)部橫截面

火筒整體采用U形結(jié)構(gòu)，輻射與對流段均采用內(nèi)徑為500 mm的圓筒，過渡段采用內(nèi)徑為400 mm的180°鋼制彎頭、異徑管件連接。

根據(jù)設計條件和技術(shù)指標的要求，設備工藝計算選型結(jié)果見表3。

表3 加熱處理器工藝選型結(jié)果

由表3和圖6可知，加熱處理器的油水界面為700 mm。

2.5燃燒器選型[11]

燃燒器選型的計算公式如下：

QR=Q/η

(2)

式中，QR為燃燒器功率，kW。

由表2、表3可知，加熱處理器火筒熱效率為75.1%～77.8%、單個火筒的熱負荷為550 kW。將η=75.1%～77.8%、Q=550 kW帶入到式(2)中可得QR=707～732 kW。

燃燒器背壓與負荷曲線見圖7，其中TBG為燃燒器的代號。

圖7 燃燒器背壓與負荷曲線

由圖7可知，在550 kW功率條件下，燃燒器的火焰直徑為465～475 mm，該數(shù)據(jù)小于火筒熱力計算所確定的內(nèi)徑。根據(jù)計算的燃燒器功率和表3中火筒煙氣阻力48.2 Pa，從相應的燃燒室背壓與燃燒器負荷曲線(圖7)可知，圖7中各型號燃燒器都滿足加熱負荷的要求。

根據(jù)以上計算結(jié)果，首先要考慮到在加熱處理器實際運行過程中，設備熱效率降低的可能性和加熱處理器峰值處理量的需要。選型假定火筒的熱效率為70%，此時計算所得的燃燒器功率為785.7 kW。其次，燃燒器一般在最大需要熱負荷的80%下運行，考慮到這個因素，參考圖7，TBG80和TBG85均不能滿足加熱處理器的加熱負荷要求。所以，綜合考慮后選擇了TBG120型燃燒器。在假定的燃燒器計算功率條件下，由圖7可知，燃燒器的火焰直徑約為485 mm，小于計算選型確定的內(nèi)徑，滿足設計選型要求。

2.6機械設計方案

加熱處理器設計過程中主要考慮了以下因素。

(1)要求火筒可抽出維護且考慮到U形火筒的穩(wěn)定性。因此，設計過程中將火筒底部和側(cè)面分別設置了滑道和導軌、支撐和墊板。

(2)為了緩解火筒在受熱過程中產(chǎn)生的熱膨脹效應，分別在火筒煙氣高、低溫部分設置了波紋火筒，波形火筒公稱內(nèi)徑與火筒的直段部分直經(jīng)均為500 mm，波形火筒波峰高度38 mm、最小內(nèi)徑為424 mm，火筒和支撐結(jié)構(gòu)材質(zhì)為SA516 70N，火筒壁厚為16 mm 。

(3)2個火筒位于設備內(nèi)部的兩側(cè)(圖6)，分別有各自的支撐結(jié)構(gòu)和滑道支撐，并且垂直安裝在容器內(nèi)部。

(4)進液豎管位于2個火筒中間，豎管底部設置了具有防沖擊功能的布液盤。

(5)火筒底部距離油水界面的垂直高度為173 mm，即火筒底部距離設備底部的垂直高度為873 mm。

(6)為了使火筒的支撐和固定良好，設備內(nèi)部設置了諸多鋼結(jié)構(gòu)件，以保持整個火筒的穩(wěn)定，實現(xiàn)火筒的可抽出功能。

(7)火筒頂部設置沖沙管，實現(xiàn)設備運行過程中對火筒頂部進行沖洗，保持火筒的清潔和良好的傳熱效果。

3 火筒鼓包設計選型原因分析

根據(jù)現(xiàn)場出現(xiàn)的問題，經(jīng)過初步分析認為，加熱處理器火筒鼓包的原因集中在材料、工藝設計選型、機械設計方案和設備運行等方面，并分別就這幾個方面展開核查和分析。其中，工藝設計選型有關(guān)的問題集中在火筒的熱力計算與選型、燃燒器的選型和火筒的機械設計，機械設計方面主要集中在火筒和設備內(nèi)部火筒周邊的支撐結(jié)構(gòu)和進液豎管。

3.1火筒壁金屬材料調(diào)查與分析

對火筒材質(zhì)進行了調(diào)查與分析。根據(jù)制造廠提供的材質(zhì)證明顯示，火筒材質(zhì)各項化學成分和力學性能均符合ASME規(guī)范的有關(guān)要求[14]。

業(yè)主方從鼓包的火筒上切割下一塊尺寸約100 mm×50 mm的鋼片進行金相實驗。根據(jù)實驗結(jié)果顯示，材料的各項化學成分和力學性能試驗均合格。

從這兩方面反饋結(jié)果來看，用于制造火筒的鋼板材質(zhì)是合格的，從而排除了可能因為材質(zhì)問題而造成的火筒鼓包。

3.2熱力計算與火筒設計選型核查與分析

從表2可知，受熱面平均熱流密度為28.74 kW/m2，雖然符合文獻[12]的最大推薦值，不大于受熱面最大平均熱流密度推薦值31 kW/m2，但此數(shù)值超出了推薦的11～25 kW/m2的范圍。

計算后得到的輻射火管和對流火管的受熱面平均熱流密度數(shù)值分別為34.5 kW/m2和8.96 kW/m2，其中輻射段的數(shù)值明顯超出了規(guī)范的推薦值。

上述分析顯示，輻射火管的受熱面平均熱流密度大于推薦范圍的受熱面最大平均熱流密度值。因此可以判定，火管受熱面積的選擇偏小，從而造成受熱面平均熱流密度不符合規(guī)范的推薦值。

3.3燃燒器選型調(diào)查與分析

根據(jù)計算結(jié)果，燃燒器的計算選型功率為707～732 kW、假定選型功率為785.7 kW。在這個功率條件下，燃燒器火焰直徑為465～475 mm和485 mm。根據(jù)上述機械設計確定的火筒結(jié)構(gòu)，波形火筒的最小內(nèi)徑為424 mm，將造成燃燒器火焰直接沖刷到波形火筒壁面。

根據(jù)燃燒器選型的調(diào)查情況可以看出，燃燒器的選型與波形火筒的匹配存在一定的問題。一方面，燃燒器的選型過程忽略了在熱效率較低的典型工況下，燃燒器功率增大后引起火焰尺寸變大對燃燒室的影響。另一方面，與加熱功率條件下的火焰尺寸相比較，輻射火管與波形火筒的公稱直徑選擇偏小，特別是靠近燃燒器側(cè)的波形火筒的設置，造成燃燒器火焰直接沖刷到了波形火筒壁面，使得火焰周邊的火筒壁長期處于高溫狀態(tài)。

3.4機械設計方案調(diào)查與分析

根據(jù)圖2可知，火筒鼓包處正好位于燃燒器火焰直徑最大的圓周上，造成燃燒器火焰直接沖刷到了波形火筒壁面。由此判斷，靠近燃燒器側(cè)的波形火筒設置考慮有所欠缺?；鹜补陌幍膱A筒外壁有1塊支撐U形火筒的支承墊板，這塊墊板直接焊接在了火筒外壁上，從火筒傳熱角度考慮，在外壁焊接墊板不利于熱量的傳遞，從而加速了局部過熱。因此，這些墊板只能用作臨時支撐，而不能作為永久性固定支撐使用。

由于要求火筒具有可抽出的功能，故在火筒底部設置了滑道支撐板和輥輪。同時為了支撐火筒，在設備底部設置了支撐鋼架和輥輪。這些支撐結(jié)構(gòu)和滑動裝置極易造成原油中的泥沙在火筒周邊的累積，從而影響火筒的傳熱，造成火筒壁溫度的升高。

從圖1可知，旋流器位于2個火筒中間，旋流器底部設置了具有防沖擊功能的布液盤。來液進入設備內(nèi)部并經(jīng)過旋流器引導至布液盤，介質(zhì)在接觸布液盤的一瞬間，由于巨大的壓力與反沖擊作用，造成液體向周邊急劇擴散和上翻，剛好帶動介質(zhì)中的泥沙流動至火筒支撐板和支撐結(jié)構(gòu)的結(jié)合部位，造成泥沙的長期積累。因此，從旋流器底部的設置和進液方向來看，旋流器底部的設置存在一定的缺陷。

根據(jù)機械設計方面的情況，認為火筒及周圍的機械結(jié)構(gòu)存在設計缺陷，導致火筒周邊泥沙大量積累，并且附著在火筒外壁，造成燃燒產(chǎn)生的熱量不能夠及時傳給火筒外的原油，使得火焰周邊的火筒壁長期處于高溫狀態(tài)，從而加劇了火筒金屬壁面的局部過熱，最終導致火筒鼓包[15，16]。

4 火筒鼓包運行原因分析

4.1實際運行參數(shù)和加熱負荷

根據(jù)設計基礎條件和技術(shù)指標的要求，選取處理量相對比較穩(wěn)定、更接近設計基礎要求的一個晝夜內(nèi)，原油、水的處理量和溫升情況作為典型代表。選取的現(xiàn)場操作運行情況記錄統(tǒng)計表見表4，其他每天的處理量在表4的基礎上，上、下浮動大約10%。

表4 實際原油處理量統(tǒng)計表(2015-11-11～12)

根據(jù)表4統(tǒng)計的數(shù)據(jù)，2臺加熱處理器每天的處理量為3 332 m3，其中原油的處理量為418 m3、水的處理量為2 914 m3。結(jié)合其他日期的處理量數(shù)據(jù)分析如下。

表1給定的設計基礎條件應為2臺設備的處理量。根據(jù)實際運行的數(shù)據(jù)計算，單臺加熱處理器的額定熱負荷約350 kW、每臺火筒所需要的輸入熱量為175 kW，該數(shù)據(jù)遠小于每個火筒的設計輸入熱量550 kW。假定所需的熱量全部被火筒的輻射段吸收并釋放，此時的輻射段受熱面平均熱流密度為13.59 kW/m2，滿足文獻[12]推薦的11～25 kW/m2的要求。因此，按照實際加熱負荷調(diào)整燃燒器的輸出功率，設備運行過程將不存在火焰沖刷火筒壁的現(xiàn)象。

4.2設備的操作運行

根據(jù)現(xiàn)場的實際運行情況，加熱處理器正常運行階段的操作主要存在油水界面偏高、燃燒器負荷偏大、介質(zhì)泥沙含量較高及設備排沙不及時等方面的問題。

根據(jù)設計基礎條件和技術(shù)指標的要求，設備工藝選型確定的油水界面為700 mm，加熱處理器調(diào)試運行階段，在按照設計要求的基礎上運行，故各部分參數(shù)和技術(shù)指標均達到要求。而實際運行過程中，油水界面經(jīng)常被現(xiàn)場操作人員提高1 000 mm左右。同時，由于未能及時進行排污，導致泥沙占據(jù)了水層體積，變相提高了油水界面，破壞了油水的沉降、分離和停留時間，從而使相當一部分熱量被介質(zhì)中的水吸收，導致原油溫度達不到設計要求，從而引起一系列連鎖反應。此時，因為原油溫度不滿足工藝要求，操作人員通過提高燃燒器出力來滿足原油加熱溫度的要求。燃燒器出力的增大，進而導致火焰沖刷火筒壁面，同時增加了輻射段火管的受熱面平均熱流密度，從而使火筒壁長期處于較高的溫度狀態(tài)。

由圖2可知，被加熱介質(zhì)中含有較多的泥沙，而且在運行過程中沒有按照操作要求進行及時排沙，導致泥沙不斷地在設備內(nèi)部和火筒外壁累積，從而造成火筒局部溫度過熱，導致火筒鼓包。造成這些后果的原因，首先是設計基礎數(shù)據(jù)未能正確反映介質(zhì)的物性和泥沙的含量。其次，現(xiàn)場操作人員對來液中所含泥沙對設備運行的危害性沒有正確的認識，導致未能及時采取排沙、排泥措施。最后，由于泥沙未能及時排放，造成水層體積被占據(jù)，而使油水的停留時間不足，從而造成原油溫度不達標等一系列問題。

5 結(jié)論及措施

5.1火筒鼓包原因

(1)在設備操作運行階段，沒有按照設計要求調(diào)節(jié)原油的停留時間和油水界面的高度，使得油出口溫度不達標，從而引起燃燒器的出力被提高，造成火焰沖刷火筒金屬壁面。

(2)燃燒器在設計工況下的選型功率偏大，導致在大負荷條件下火焰沖刷火筒內(nèi)壁。

(3)運行過程沒有及時進行泥沙的排放，導致大量泥沙堆積并附著在火筒外壁，加劇了火筒的局部過熱。

(4)火筒外部支撐等結(jié)構(gòu)設置存在缺陷，加劇了介質(zhì)中的泥沙在火筒外壁的沉積。

5.2采取措施及效果

(1)對鼓包部分的火筒進行徹底更換，去掉靠近燃燒器側(cè)的波型火筒。

(2)對現(xiàn)有的燃燒器進行更換，選擇TBG80型燃燒器，在滿足加熱負荷的情況下，有效防止人為提高燃燒器的輸出功率，從而降低火筒受熱面平均熱流密度。

(3)提高設備運行過程中排污頻率，防止介質(zhì)中的泥沙在設備內(nèi)部的堆積。

(4)增加裝置，對介質(zhì)進行預處理，以脫除介質(zhì)中含有的大量泥沙，確保加熱處理器的正常運行。

經(jīng)過改造過后的加熱處理器目前運行正常，處理指標達到了技術(shù)要求。

6 改進建議

(1)加熱處理器火筒的選型應按照規(guī)范要求進行，盡可能降低受熱面平均熱流密度。

(2)燃燒器的選型應充分考慮到設備熱效率所引起的燃燒器火焰直徑與火筒的匹配問題。

(3)對于含泥沙的油氣田介質(zhì)，加熱處理器的設計中應充分考慮泥沙的預處理或泥沙對設備運行的危害。

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(許編)

TypicalAccidentAnalysisonFireTubeBumpforHorizontalGas-firedHeatingTreaterinOilField

SUHai-peng

(Design & Research Institute, China Oil HBP Science & Technology Corporation Ltd.,Beijing 100088, China)

Heating treater is a special oil and gas gathering and transportation device with functions such as heating and separation of crude oil in oil and gas field. It combines the technological principle of fire tube heater and oil-water separator. For an accident of fire tube bump of heating treater, the plenomenon and its causes of fire tube bump of heating treater has been investigated and analyzed based on comprehensive review of the basic design conditions, process & calculation selection, mechanical design and equipment operation. The problems existing in the design and operation of the heating treater have been summarized to provide guidance for the design and operation of similar equipment.

heating treater; heating separator; fire tube; bump; analysis

TE977； TK223.3

B

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.04.009

1000-7466(2017)04-0046-07①

2017-03-09

蘇海鵬(1978-)，男，陜西商洛人，高級工程師，學士，從事熱能工程和油田熱工工藝的設計研究工作。