相變加熱爐機(jī)械自動清垢技術(shù)研究

韋振光 劉繼剛 辛?xí)F 葉鑫銳 武達(dá)峰

大慶油田工程有限公司

加熱爐作為油田上使用十分廣泛的勘探開發(fā)設(shè)備之一，在大慶油田的開發(fā)歷史上占據(jù)著舉足輕重的地位。隨著油田的不斷開采，各種驅(qū)油技術(shù)的廣泛應(yīng)用，造成被加熱介質(zhì)物性越來越差，且其內(nèi)攜帶大量的泥沙和驅(qū)油用化學(xué)試劑等，最終導(dǎo)致每年有80余臺加熱爐燒損，給油田生產(chǎn)帶來了極大的安全隱患。通過對加熱爐現(xiàn)狀及其結(jié)構(gòu)進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，研發(fā)出一種新型的相變加熱爐機(jī)械自動清垢裝置，從而使加熱裝置可長期高效運行，降低燃?xì)庀?，具有廣泛的推廣應(yīng)用前景。

1 加熱爐現(xiàn)狀

截至目前，大慶油田已建各類加熱爐2 830余臺，主要用于油田地面系統(tǒng)的集油、摻水、熱洗、脫水、外輸、站內(nèi)管線和設(shè)備伴熱、采暖以及氣田加熱等生產(chǎn)環(huán)節(jié)，其內(nèi)部被加熱介質(zhì)主要有油氣水混合物、含油污水、高含水油、低含水乳化油、凈化油、清水和含水天然氣等。根據(jù)地質(zhì)條件的不同和開發(fā)方式的變化，部分被加熱介質(zhì)中攜帶大量泥沙，還有些被加熱介質(zhì)中含有驅(qū)油用化學(xué)試劑，造成了在用加熱爐被加熱介質(zhì)成分復(fù)雜、潔凈度差。尤其是在油田聚驅(qū)、高濃度聚驅(qū)和三元復(fù)合驅(qū)區(qū)塊，因被加熱介質(zhì)成分復(fù)雜，造成每年燒損的加熱爐多達(dá)80臺，約占加熱爐總數(shù)的3%，嚴(yán)重影響了站場加熱爐的日常運行，給油田生產(chǎn)帶來了較大的安全隱患，容易引發(fā)加熱爐火災(zāi)事故；同時還因其熱效率降低，增加了燃料氣的消耗。加熱爐現(xiàn)場燒損情況見圖1至圖3。

圖1 爐管變形鼓包Fig.1 Deformation and swelling of furnace tube

圖2 爐管燒裂Fig.2 Burning crack of furnace tube

2 工作原理

根據(jù)相變加熱爐機(jī)械自動清垢技術(shù)研發(fā)的機(jī)械自動清垢式相變加熱裝置，主要由正壓相變加熱爐、自動除垢換熱器和中間連接組件三部分構(gòu)成[1]。

圖3 爐管燒穿孔Fig.3 Burning hole of furnace tube

正壓相變加熱爐以天然氣為燃料，將爐內(nèi)軟化水沸騰汽化，形成的蒸汽通過中間連接組件進(jìn)入自動除垢換熱器的管程內(nèi)，蒸汽與換熱器殼程內(nèi)的被加熱介質(zhì)進(jìn)行冷凝相變換熱，冷凝后的蒸汽由氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)的冷凝水，在重力作用下沿著傾斜的換熱管流入換熱器管箱，再由中間連接組件進(jìn)入正壓相變加熱爐的殼體內(nèi)，往復(fù)循環(huán)換熱，完成對被加熱介質(zhì)的加熱。

自動除垢換熱器由滑動管板式填料函換熱器、驅(qū)動系統(tǒng)、中間傳動系統(tǒng)、除垢組件和控制系統(tǒng)五部分組成。除垢組件和中間傳動系統(tǒng)通過連接部件安裝在換熱器的換熱管束間，驅(qū)動系統(tǒng)通過法蘭連接安裝在換熱器殼體外部。驅(qū)動系統(tǒng)通過聯(lián)軸器與中間傳動系統(tǒng)相連，帶動除垢組件沿著換熱管的外壁往復(fù)運動。除垢組件刮下的垢質(zhì)，部分隨被加熱介質(zhì)排出，部分沉積到換熱器底部由排污管排出。驅(qū)動系統(tǒng)由控制系統(tǒng)中的PLC控制器控制，實現(xiàn)除垢組件的間歇工作，正、反向運行，還可調(diào)整運行周期。被加熱介質(zhì)在換熱器的殼程內(nèi)流動，壓降較小，適用于泵前加熱工藝。機(jī)械自動清垢式相變加熱裝置工作原理見圖4。

3 結(jié)構(gòu)分析

3.1 正壓相變加熱爐結(jié)構(gòu)研究與優(yōu)化

正壓相變加熱爐的煙火管由1根火管和多根細(xì)煙管分層排列組成，細(xì)煙管束緊密排列，以便騰出更大的氣相空間。因煙管的傳熱系數(shù)主要取決于煙氣側(cè)的對流換熱系數(shù)，煙氣在管內(nèi)縱向沖刷時，對流放熱系數(shù)與煙氣流速的0.8次方成正比，與直徑的0.2次方成反比，故采用小直徑煙管以提高煙氣流速，強(qiáng)化對流傳熱[2]。

火管及細(xì)煙管束通過焊接方式與煙火管箱相連，組成了煙火管結(jié)構(gòu)。煙火管箱的受力比較復(fù)雜，除承受外壓外，還承受火管及煙管因軸向膨脹力不同而產(chǎn)生的熱應(yīng)力。通過現(xiàn)場應(yīng)用及理論試驗對比驗證，采用煙管與火管通過火管管箱連接的結(jié)構(gòu)，火管管箱使二者焊縫在同一個平面上，便于現(xiàn)場施焊，更易保證焊接質(zhì)量。同時，管箱孔板法向柔性較好，可以部分消除煙火管因軸向受熱產(chǎn)生的熱應(yīng)力。

正壓相變加熱爐爐體內(nèi)的軟化水是在密閉的正壓環(huán)境下循環(huán)使用，日常無需補水，在每年例行停爐時補水即可。爐體內(nèi)的軟化水是在無氧狀態(tài)下工作，水質(zhì)較為穩(wěn)定，不需經(jīng)常排污；不會因礦物質(zhì)而發(fā)生結(jié)垢，導(dǎo)致火管過燒和鼓包等現(xiàn)象發(fā)生；不會產(chǎn)生氧腐蝕，且安全性能良好。

圖4 機(jī)械自動除垢式相變加熱裝置工作原理簡圖Fig.4 Working principle schematic diagram of the automatic mechanical descaling type of phase change heating device

3.2 自動除垢換熱器的無動力管內(nèi)相變換熱軟件開發(fā)及優(yōu)化

常用的換熱器管程和殼程中的介質(zhì)流動均靠外界動力驅(qū)動，且管程內(nèi)的介質(zhì)冷凝時均為單向流傳熱（液相或氣相），現(xiàn)在還沒有管內(nèi)蒸汽自然冷凝、管外介質(zhì)對流換熱的計算模型。蒸汽在管程內(nèi)流動時，運動狀態(tài)比較復(fù)雜，項目組根據(jù)相關(guān)的參考文獻(xiàn)進(jìn)行了換熱器熱負(fù)荷和總傳熱系數(shù)計算[3-4]。

3.2.1 熱負(fù)荷計算

換熱器一般要求熱負(fù)荷大于冷負(fù)荷，且相對誤差應(yīng)在±10%以內(nèi)，該項目的換熱器熱負(fù)荷Q值取1.15倍被加熱介質(zhì)熱負(fù)荷Q′值，即Q=1.15 Q′。

3.2.2 以管外面積為基準(zhǔn)的管外膜傳熱系數(shù)計算

熱負(fù)荷確定后，可由總傳熱速率方程( )

Q=KSΔt求得換熱面積，最后根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定換熱器的型式。以光管外表面積為基準(zhǔn)的管外膜傳熱系數(shù)可用下式計算

式中：h0為以管外面積為基準(zhǔn)的管外膜傳熱系數(shù)，W/(m2·K)； λ2為工作介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；de為換熱管的當(dāng)量直徑，m；JH2為殼程傳熱因子；Pr2為工作介質(zhì)的普朗特準(zhǔn)數(shù)；Φ2為殼層壁溫校正系數(shù)； ξh為旁路擋板傳熱校正系數(shù)。

3.2.3 流型參數(shù)Jtf的確定

對管內(nèi)蒸汽冷凝進(jìn)行分析前，要先定義一個流型參數(shù)Jtf，它是無量綱氣體速度，用此參數(shù)來判斷冷凝過程中是重力控制還是剪力控制。

式中：Jtf為水平管內(nèi)流型參數(shù)； y為汽相分率（質(zhì)量）；G1為管內(nèi)流體質(zhì)量流速，G1=WV/S1（WV為管內(nèi)介質(zhì)的質(zhì)量流量，kg/s；S1為管程流通面積，m2）；di為管子內(nèi)徑，mm； g為重力加速度，m/s2； ρν為相應(yīng)溫度下對應(yīng)管內(nèi)介質(zhì)的氣相密度，kg/m3； ρ1為相應(yīng)溫度下對應(yīng)管內(nèi)介質(zhì)的液相密度，kg/m3。

當(dāng) Jtf≤0.5時，為重力控制流動；當(dāng) Jtf≥1.5時，為剪力控制流動；當(dāng)0.5＜Jtf＜1.5時，為過渡區(qū)。

3.2.4 水平管內(nèi)重力控制下的冷凝液膜傳熱系數(shù)計算

換熱管內(nèi)的水蒸氣在室內(nèi)進(jìn)行模擬流動試驗時，換熱管內(nèi)流經(jīng)的介質(zhì)為0.2 MPa以下的過熱飽和水蒸氣，同時考慮到被加熱介質(zhì)與飽和水蒸氣的充分換熱，將換熱管設(shè)置成一定的傾斜角度。水蒸氣在換熱管內(nèi)流動時，與被加熱介質(zhì)冷凝相變換熱，變成冷凝水在重力作用下自動流動，無其他推動力。

通過相關(guān)的理論計算和室內(nèi)模擬實驗均證明：蒸汽在水平管或傾斜管內(nèi)流動時，都是重力控制著液體的流動。當(dāng)重力控制流動起主導(dǎo)地位時，以努塞爾特冷凝模型為基礎(chǔ)?？紤]到水平管內(nèi)冷凝時管子下部將有凝液聚積，形成液池而淹沒部分換熱面積，對此進(jìn)行修正即得到水平管內(nèi)重力控制下的冷凝液膜傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式。

式中：h10為水平管內(nèi)重力控制下的冷凝液膜傳熱系數(shù)，W/(m2·K)； Re1為管內(nèi)流體雷諾準(zhǔn)數(shù)；CLR為水平管內(nèi)重力控制區(qū)波動流修正因子；λ1為相應(yīng)溫度下對應(yīng)的管內(nèi)介質(zhì)的液相導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；μ1為相應(yīng)溫度下對應(yīng)的管內(nèi)介質(zhì)的液相動力黏度，m2/s；NTP為管程數(shù)；n為管子根數(shù)； L為管長，m。

3.2.5 總傳熱系數(shù)K的確定

式中： K為總傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；h0為以管外面積為基準(zhǔn)的管外膜傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；γi為管內(nèi)流體的結(jié)垢熱阻，(m2·K)/W；d0為換熱管外徑，mm；di為換熱管內(nèi)徑，mm； γ0為管外流體的結(jié)垢熱阻，(m2·K)/W；h10為水平管內(nèi)重力控制下的冷凝液膜傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；λw為換熱管管壁導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)。

項目組根據(jù)上述理論計算進(jìn)行室內(nèi)模擬試驗，對部分換熱參數(shù)進(jìn)行修正，最終開發(fā)出無動力管內(nèi)相變換熱軟件，從而為本項目的成功奠定了理論基礎(chǔ)。

3.2.6 換熱器各部件尺寸的確定

根據(jù)編制的無動力管內(nèi)相變換熱軟件進(jìn)行相關(guān)計算，計算出換熱管的外徑、長度，拉桿的直徑、長度，管束中心至最外層管中心距離，管束外緣直徑和布管限定圓直徑等尺寸。確定的換熱器各部件主要技術(shù)參數(shù)[5-6]如下：換熱面積159.7 m2；換熱管規(guī)格為Φ57 mm×3.5 mm；換熱管數(shù)量119根；換熱管排列方式為轉(zhuǎn)角正三角形；換熱管中心距100 mm。

3.3 自動除垢換熱器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)研究與優(yōu)化

3.3.1 換熱器結(jié)構(gòu)選型

目前油田分體式相變加熱爐中的換熱器均采用固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)（圖5）。當(dāng)換熱器換熱效率達(dá)不到用戶要求時，只能將整臺設(shè)備更換，更換完成后必須重新做防腐保溫，不但維修費用高，而且停產(chǎn)時間長。對于滑動管板式填料函換熱器結(jié)構(gòu)，換熱管束可以抽出，不需現(xiàn)場動火，也不會破壞換熱體的防腐和保溫層結(jié)構(gòu)，具有維修費用低、停產(chǎn)時間短的特點。

圖5 固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)原理示意圖Fig.5 Schematic diagram of the structure principle of fixed rubeplate heat exchanger

通常換熱器內(nèi)的兩相流均靠動力驅(qū)動進(jìn)行換熱，若本換熱器水平安裝，蒸汽在水平管內(nèi)冷凝時，會在換熱管內(nèi)壁形成一層連續(xù)的液膜，阻礙蒸汽在管內(nèi)流動，降低蒸汽與換熱管外介質(zhì)的換熱效果。為了使蒸汽在管內(nèi)自然循環(huán)，項目組進(jìn)行換熱器傾斜角度模擬計算和優(yōu)化設(shè)計，并在工廠通過大量試驗確定將換熱器以一定的傾斜角度安裝（圖6）。

圖6 自動除垢換熱器現(xiàn)場安裝圖片F(xiàn)ig.6 Installation drawing of automatic descaling heat exchanger

當(dāng)換熱器設(shè)置成一定的傾斜角度（3°～5°）后，換熱管末端大量水蒸氣冷凝成的液態(tài)水，在重力作用下就自動流到微正壓相變加熱爐的爐體內(nèi)，減少液態(tài)水與被加熱介質(zhì)的換熱，提高了被加熱介質(zhì)與蒸汽的冷凝換熱效率。

3.3.2 除垢組件研究

項目組經(jīng)過大量的室內(nèi)模擬實驗，開發(fā)出安裝方便、易于更換的刮板毛刷除垢器（圖7）。刷毛固定在刮板上，通過刮板的往復(fù)運動對換熱管外表面進(jìn)行刷削除垢。先后考慮用合金鋼絲、鋼絲、尼龍絲、豬鬃和劍麻等材料作刷毛，通過強(qiáng)度、耐疲勞性、耐熱性、耐腐蝕性和耐磨性等五個方面進(jìn)行實驗分析，最終選取增強(qiáng)纖維尼龍絲為刷毛。

圖7 換熱管采用刮板毛刷除垢模擬實驗示意圖Fig.7 Scaling removal simulation experimental diagram of heat exchange pipe with scraper brush

3.3.3 中間傳動系統(tǒng)研究

銷輪、銷齒傳動組件（圖8）主要用于低速、重載和潤滑條件差的場合，具有結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、傳動平穩(wěn)、傳動比精確、調(diào)節(jié)方便、中心距安裝要求低和適用性強(qiáng)等優(yōu)點。采用此傳動組件將大大提高除垢裝置的可靠性。銷輪與銷齒平滑嚙合，嚙合面均勻光滑，無咬齒現(xiàn)象。整套除垢系統(tǒng)運行噪聲低，無卡死現(xiàn)象出現(xiàn)[7]。

圖8 銷輪、銷齒傳動組件的現(xiàn)場安裝示意圖Fig.8 On-site installation diagram of drive modules such as pin wheel and pin tooth

3.3.4 驅(qū)動系統(tǒng)研究

驅(qū)動系統(tǒng)（圖9）采用伺服電動機(jī)、減速機(jī)等直接帶動中間傳動系統(tǒng)進(jìn)行動力傳輸。伺服電動機(jī)可絕對值運行、可剎車、速度調(diào)整、電流電壓高低報警、過載保護(hù)、扭矩顯示、位置記憶和其他數(shù)據(jù)的保存支持下載，也具有控制精度高、抗過載能力強(qiáng)、低速運行平穩(wěn)和發(fā)熱、噪音低的特點。

圖9 驅(qū)動機(jī)構(gòu)在殼體上的安裝結(jié)構(gòu)Fig.9 Installation structure of drive mechanism on the shell structure

3.3.5 控制系統(tǒng)研究

控制系統(tǒng)（圖10）由伺服電動機(jī)、減速機(jī)、編碼器、可編程PLC控制器和觸摸屏等組成。其工作原理為：可編程PLC發(fā)出指令給編碼器的伺服電動機(jī)，伺服電動機(jī)進(jìn)行工作，伺服電動機(jī)帶動減速機(jī)運行，最后驅(qū)動除垢系統(tǒng)運行。

圖10 伺服電動機(jī)的現(xiàn)場屏幕截屏Fig.10 Screen shot of servo motor

4 應(yīng)用

4.1 應(yīng)用效果

到目前為止，共設(shè)計了52臺機(jī)械自動清垢式相變加熱裝置，現(xiàn)場已成功投產(chǎn)應(yīng)用41臺。以采油一廠某站為例，該站于2015年8月13日建成并投產(chǎn)，本站共應(yīng)用9臺2.5 MW、2臺1.5 MW機(jī)械自動除垢加熱緩沖裝置（收油）。本站的11臺除垢加熱裝置連續(xù)運行3年，期間一直運行平穩(wěn)、無事故發(fā)生，被加熱介質(zhì)出口溫度滿足現(xiàn)場工藝需要。以該站的3#2.5 MW機(jī)械自動除垢加熱緩沖裝置（收油）為例，在設(shè)備運行過程中，項目組委托中國石油天然氣集團(tuán)公司節(jié)能技術(shù)監(jiān)測評價中心對其進(jìn)行熱工測試，測試結(jié)果見表1。

表1 自動除垢加熱緩沖裝置四種負(fù)荷下測試的加熱爐爐效Tab.1 Heating furnace efficiency under four loads of automatic descaling heating buffer device

節(jié)能技術(shù)檢測中心測得數(shù)據(jù)表明，該除垢加熱裝置熱效率高，與同負(fù)荷的火筒式加熱爐運行1年后的加熱爐熱效率（81%以下）相比提高5%以上。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益

以采油一廠某站運行的兩種類型的加熱裝置為例，2.5 MW機(jī)械自動除垢加熱緩沖裝置（收油）和2.5 MW加熱緩沖裝置（收油）在同一個檢修周期（2年）內(nèi)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益對比（普通加熱緩沖裝置每年3次清罐、局部維修3次和2年大修1次；機(jī)械自動除垢加熱緩沖裝置2年停爐1次，對換熱器例行檢查、清垢和更換易損件），具體對比情況見表2。

2.5 MW加熱緩沖裝置（收油）設(shè)備費用132萬元，每年運行及維修費用121.192萬元；2.5 MW機(jī)械自動清垢式相變加熱裝置設(shè)備費用146萬元，每年運行及維護(hù)費用79.617萬元。2.5 MW機(jī)械自動清垢式相變加熱裝置每年每臺可節(jié)省費用40.175萬元，按設(shè)計的52臺進(jìn)行計算，每年可節(jié)省費用2 089.1萬元。

表2 兩種類型的加熱裝置經(jīng)濟(jì)效益對比Tab.2 Comparison of economic benefits of two types of heaters

4.3 應(yīng)用前景

機(jī)械自動清垢式相變加熱裝置可以解決火筒式加熱爐煙火管鼓包、穿孔和燒壞的問題，延長煙火管使用壽命，降低維修費用，減少加熱爐火災(zāi)事故發(fā)生的概率。同時該裝置可以長期高效運行，燃?xì)庀牡?，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。該技術(shù)將成為今后油田聚驅(qū)、高濃度聚驅(qū)和三元復(fù)合驅(qū)區(qū)塊加熱爐的替代技術(shù)。