油田注汽鍋爐爐管結(jié)垢預(yù)警模型設(shè)計(jì)與應(yīng)用

劉穎鵬

[摘 要] 油田注汽鍋爐采用80℃～110 ℃凈化污水，在高礦化度下運(yùn)行注汽鍋爐結(jié)垢加快、爆管幾率增加，對(duì)鍋爐爐管過(guò)早或過(guò)晚清洗均不利于鍋爐運(yùn)行。通過(guò)預(yù)估結(jié)垢狀態(tài)估算爐管清洗時(shí)間，實(shí)時(shí)判斷鍋爐運(yùn)行狀態(tài)，防止鍋爐爆管。監(jiān)測(cè)鍋爐出口蒸汽壓力和溫度，利用IAPWS-IF97算法模型，計(jì)算工況下飽和蒸汽壓力所對(duì)應(yīng)的理論飽和蒸汽溫度值，監(jiān)測(cè)鍋爐運(yùn)行過(guò)熱狀態(tài)。預(yù)警模型的建立，實(shí)現(xiàn)了鍋爐運(yùn)行過(guò)熱度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警、爐管結(jié)垢程度實(shí)時(shí)檢測(cè)功能，為鍋爐過(guò)熱運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)及爐管清洗計(jì)劃提供了數(shù)據(jù)參考，保障了鍋爐的安全運(yùn)行。

[關(guān)鍵詞] 過(guò)熱診斷；結(jié)垢分析；算法模型

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2017. 23. 084

[中圖分類(lèi)號(hào)] TK223 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1673 - 0194（2017）23- 0167- 02

1 引 言

油田注汽鍋爐用水為高礦化度油田凈化污水，現(xiàn)有工況條件下鍋爐污水結(jié)垢現(xiàn)象嚴(yán)重，鍋爐運(yùn)行時(shí)爆管幾率增加，給設(shè)備和人員帶來(lái)嚴(yán)重安全隱患。

注汽鍋爐安全運(yùn)行關(guān)系著油田生產(chǎn)的安全，在高礦化度下運(yùn)行注汽鍋爐結(jié)垢、爆管幾率增加，鍋爐爐管結(jié)垢后過(guò)早或過(guò)晚清洗對(duì)鍋爐的損耗和工況運(yùn)行都有影響，過(guò)早清洗會(huì)加快爐管壁厚的磨損，過(guò)晚清洗會(huì)降低鍋爐的熱效率，帶來(lái)能量的損失，甚至?xí)斐慑仩t爆管現(xiàn)象。對(duì)注汽鍋爐進(jìn)行爆管預(yù)警及過(guò)熱診斷，將對(duì)設(shè)備的安全運(yùn)行和提高實(shí)際生產(chǎn)效率具有十分重要的作用。

2 注汽鍋爐過(guò)熱與結(jié)垢預(yù)警技術(shù)簡(jiǎn)介

鍋爐爆管主要是由于爐管結(jié)垢或鍋爐處于過(guò)熱運(yùn)行狀態(tài)導(dǎo)致?tīng)t管超溫運(yùn)行造成爐管塑性變形或破裂，目前預(yù)警通過(guò)監(jiān)測(cè)鍋爐輻射段入口、輻射段出口、對(duì)流段入口、對(duì)流段出口和鍋爐蒸汽出口的蒸汽壓力值，根據(jù)各段蒸汽壓力，結(jié)合鍋爐結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算各段額定阻力降、總阻力降和結(jié)垢總阻力降，實(shí)時(shí)評(píng)估計(jì)算爐管結(jié)垢速率和清管周期以及鍋爐運(yùn)行過(guò)熱狀態(tài)。

鍋爐爐管結(jié)垢預(yù)測(cè)技術(shù)，鍋爐爐管結(jié)垢產(chǎn)生的阻力導(dǎo)致給水泵出口壓力與鍋爐蒸汽出口壓力差值大于注汽鍋爐在額定工況下運(yùn)行時(shí)的壓力差值。通過(guò)監(jiān)測(cè)鍋爐進(jìn)出口壓力差與額定工況下鍋爐水摩擦阻力計(jì)算出鍋爐結(jié)垢阻力，通過(guò)結(jié)垢阻力推算鍋爐結(jié)垢狀態(tài)，估算爐管清洗周期。

鍋爐運(yùn)行過(guò)熱狀態(tài)識(shí)別技術(shù)，注汽鍋爐實(shí)際蒸汽溫度與理論飽和蒸汽溫度的差值稱為“過(guò)熱度”，當(dāng)水處于濕蒸汽區(qū)時(shí)，壓力、溫度等狀態(tài)參數(shù)有單一函數(shù)關(guān)系，通過(guò)測(cè)量和分析之間的關(guān)系，判斷鍋爐運(yùn)行狀態(tài)（未飽和、安全運(yùn)行、高干度運(yùn)行、過(guò)熱）。

3 過(guò)熱與結(jié)垢診斷算法模型設(shè)計(jì)及應(yīng)用

3.1 過(guò)熱診斷算法模型

實(shí)際蒸汽溫度由測(cè)溫儀表實(shí)測(cè)得到，飽和蒸汽溫度則由實(shí)測(cè)工況蒸汽壓力計(jì)算得出。

注汽鍋爐的過(guò)熱度是一個(gè)間接測(cè)量量，其計(jì)算公式如下：

過(guò)熱度=實(shí)際蒸汽溫度-飽和蒸汽溫度+不確定度

當(dāng)過(guò)熱度小于“0”時(shí)，鍋爐爐管內(nèi)的介質(zhì)為欠飽和狀態(tài)；當(dāng)過(guò)熱度等于“0”時(shí)，鍋爐爐管內(nèi)的介質(zhì)處于飽和狀態(tài)，即為飽和濕蒸汽；當(dāng)過(guò)熱度大于“0”時(shí)，鍋爐爐管內(nèi)的介質(zhì)處于過(guò)飽和狀態(tài)，即為干蒸汽，此時(shí)鍋爐過(guò)熱。通過(guò)“過(guò)熱度”的監(jiān)測(cè)即可監(jiān)控注汽鍋爐是否處于過(guò)熱狀態(tài)。

水和蒸汽是注汽鍋爐的介質(zhì)，對(duì)飽和蒸汽溫度計(jì)算時(shí)，要使用水和蒸汽的物理性質(zhì)包括熱力學(xué)性質(zhì)（溫度、壓力、比焓、比容，比定壓熱容）和遷移性質(zhì)（動(dòng)力粘度、導(dǎo)熱系數(shù)、普朗特?cái)?shù)）。水和蒸汽物理性質(zhì)計(jì)算的準(zhǔn)確性和可靠性直接關(guān)系到注汽鍋爐的設(shè)計(jì)、使用及安全性等一系列問(wèn)題。因此，準(zhǔn)確計(jì)算水和水蒸汽的物理性質(zhì)是飽和蒸汽溫度計(jì)算成功的依據(jù)。IAPWS-IF97將整個(gè)有效范圍劃分成5個(gè)區(qū)：1區(qū)為過(guò)冷水區(qū)，2區(qū)為過(guò)熱蒸汽，3區(qū)為臨界水區(qū)和汽區(qū)，4區(qū)為飽和區(qū)，5區(qū)為高溫區(qū)。由于注汽鍋爐的熱力計(jì)算中用不到第5區(qū)，所以只計(jì)算1-4區(qū)的水和蒸汽熱力學(xué)性質(zhì)即可。

3.2 結(jié)垢診斷算法模型

注汽鍋爐在額定工況下的阻力降處在一定的范圍內(nèi)。當(dāng)爐管結(jié)垢后，阻力降開(kāi)始上升，系統(tǒng)總阻力降計(jì)算如下：

總阻力=額定阻力+結(jié)垢阻力

總阻力降為給水泵出口壓力與鍋爐蒸汽出口壓力之差值，監(jiān)測(cè)泵出口壓力和蒸汽出口壓力即可實(shí)時(shí)獲取此參數(shù)，額定阻力降可通過(guò)對(duì)鍋爐水阻力計(jì)算得出，之后根據(jù)公式即可計(jì)算得到結(jié)垢阻力降，再通過(guò)結(jié)垢阻力降與結(jié)垢狀態(tài)的關(guān)系計(jì)算清洗爐管的周期。

鍋爐爐管結(jié)垢產(chǎn)生的阻力導(dǎo)致給水泵出口壓力與鍋爐蒸汽出口壓力差值大于注汽鍋爐在額定工況下運(yùn)行時(shí)的壓力差值。通過(guò)監(jiān)測(cè)鍋爐進(jìn)出口壓力差與額定工況下鍋爐水摩擦阻力計(jì)算出鍋爐結(jié)垢阻力，通過(guò)結(jié)垢阻力推算鍋爐結(jié)垢狀態(tài)，估算爐管清洗周期。

3.3 監(jiān)控系統(tǒng)預(yù)警功能開(kāi)發(fā)

將鍋爐運(yùn)行參數(shù)接入作業(yè)區(qū)中控室現(xiàn)有SCADA系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)鍋爐原有功能與新增功能集中監(jiān)控與管理。開(kāi)發(fā)一套鍋爐爆管診斷與過(guò)熱運(yùn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警軟件程序，在作業(yè)區(qū)辦公系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)鍋爐爆管診斷與過(guò)熱運(yùn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警設(shè)備全部功能。

監(jiān)控系統(tǒng)采用先進(jìn)的HMI/SCADA自動(dòng)化監(jiān)控組態(tài)軟件IFIX，內(nèi)嵌VBA程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。預(yù)警功能采用IFIX VBA程序開(kāi)發(fā)，運(yùn)用WinSock控件與現(xiàn)場(chǎng)控制器通信。WinSock控件是用來(lái)創(chuàng)建客戶端與服務(wù)器應(yīng)用程序，WinSock控件與遠(yuǎn)程設(shè)備建立連接，通過(guò)傳輸控制協(xié)議（TCP）進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

3.4 應(yīng)用效果

根據(jù)鍋爐結(jié)垢狀況制定合理的爐管清洗計(jì)劃，避免過(guò)多清洗造成爐管壽命縮短，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。確立濕蒸汽鍋爐爆管預(yù)警關(guān)鍵監(jiān)控參數(shù)，創(chuàng)建爆管預(yù)警監(jiān)測(cè)方法。構(gòu)建濕蒸汽鍋爐爐管結(jié)垢情況評(píng)估方法，實(shí)現(xiàn)鍋爐爐管結(jié)垢狀況實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)、實(shí)時(shí)報(bào)警，集中監(jiān)控；實(shí)現(xiàn)濕蒸汽鍋爐運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)跟蹤與直觀展示，直觀觀察蒸汽運(yùn)行狀態(tài)，過(guò)熱時(shí)記錄過(guò)熱度值并及時(shí)報(bào)警；實(shí)現(xiàn)鍋爐運(yùn)行過(guò)熱度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警、爐管結(jié)垢程度實(shí)時(shí)檢測(cè)等功能，為鍋爐過(guò)熱運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)及爐管清洗計(jì)劃提供了數(shù)據(jù)參考。

選取1臺(tái)鍋爐9月10日與11月11日運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析：運(yùn)行兩個(gè)月鍋爐入口壓力變化不大，出口蒸汽壓力明顯降低，結(jié)垢阻力降上升0.75 MPa，預(yù)估爐管清洗周期由原有的501天降至360天。結(jié)垢阻力降未增加至評(píng)估報(bào)警限值（1.9 MPa），系統(tǒng)未產(chǎn)生結(jié)垢爆管預(yù)警。

實(shí)施改造的20臺(tái)濕蒸汽鍋爐實(shí)現(xiàn)了爐管結(jié)垢實(shí)時(shí)診斷、過(guò)熱運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的功能，初步具備了鍋爐爆管預(yù)警能力。

4 結(jié) 論

改造后的鍋爐實(shí)現(xiàn)蒸汽溫度、過(guò)熱度、結(jié)垢阻力降實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、報(bào)警功能，實(shí)現(xiàn)清洗爐管時(shí)間實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)，為鍋爐結(jié)垢預(yù)警、過(guò)熱運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)及爐管清洗計(jì)劃提供數(shù)據(jù)參考。濕蒸汽鍋爐過(guò)熱運(yùn)行診斷與爐管結(jié)垢預(yù)警技術(shù)的研究與運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)了鍋爐運(yùn)行過(guò)熱度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警、爐管結(jié)垢程度實(shí)時(shí)檢測(cè)等功能，為鍋爐過(guò)熱運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)及爐管清洗計(jì)劃提供了數(shù)據(jù)參考。實(shí)現(xiàn)中控室集中監(jiān)控，現(xiàn)場(chǎng)故障巡檢管理，保障了鍋爐的安全運(yùn)行。

主要參考文獻(xiàn)

[1]馬延彪，廖俊宇，潘華東.鍋爐過(guò)熱段爐管結(jié)垢原因分析及預(yù)防對(duì)策[J].化工設(shè)計(jì)，2016（26）：20-22.

[2]陳保東，申龍涉，晏永飛.采油注汽鍋爐的爆管預(yù)警和運(yùn)行控制的方法及裝置[P].CN 101440703A，2009-05-27.

[3]王文，徐汀榮，邵偉峰.工控系統(tǒng)中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2007，24（1）.

[4]張亮，申龍涉，徐建普，等.結(jié)垢所導(dǎo)致的鍋爐爆管分析[J].當(dāng)代化工，2011，40（1）：77-79.

[5]張言.鍋爐結(jié)垢原因分析[J]，學(xué)術(shù)縱橫，2013（7）.

[6]馮軍偉.油田注汽鍋爐爆管原因分析及預(yù)防措施[J].石油機(jī)械，1999，27（11）：26-27.endprint