加熱爐排煙溫度治理方法探討

孫立波（大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠）

加熱爐廣泛應(yīng)用于各油田內(nèi)的中轉(zhuǎn)站、聯(lián)合站，發(fā)揮著及其重要的作用。轉(zhuǎn)油站加熱爐主要用于摻水、熱洗，是轉(zhuǎn)油站的主要能耗設(shè)備，加熱爐加熱介質(zhì)流量經(jīng)常變化，導(dǎo)致運(yùn)行參數(shù)發(fā)生變化，直接影響轉(zhuǎn)油站的能耗，部分加熱爐存在排煙溫度超標(biāo)問題。油田公司要求各單位進(jìn)一步提高天然氣開發(fā)利用效益，將天然氣產(chǎn)量變成銷售量、銷售量變成效益，各生產(chǎn)單位要合理利用天然氣資源。

1 油田加熱爐現(xiàn)狀

喇嘛甸油田建有加熱爐308 臺(tái)，加熱爐總?cè)萘繛?12 MW。加熱爐主要以臥式圓筒爐為主，加熱爐功率在1.16～3.6 MW，加熱爐一般用于摻水、熱洗、外輸、升溫。目前有摻水、熱洗加熱爐202臺(tái)，占總數(shù)的65%，耗氣量占油田總耗氣的93.5%。因此需要強(qiáng)化加熱爐的運(yùn)行技術(shù)管理，研究加熱爐運(yùn)行參數(shù)的合理范圍，使加熱爐處于經(jīng)濟(jì)、安全運(yùn)行狀態(tài)。

2 排煙溫度對加熱爐的影響

排煙溫度高，煙氣帶走熱量多，熱損失大，熱效率低[1]。一般排煙溫度每升高10～15 ℃，熱效率降低1%[2]。臥式圓筒爐煙囪材料為Q235-A，該鋼材的允許工作溫度為350 ℃。碳鋼在高溫下的強(qiáng)度，有以下兩種不同狀態(tài)：一是當(dāng)超過某一溫度時(shí)，隨著溫度升高，鋼的強(qiáng)度開始明顯降低。二是鋼強(qiáng)度不僅隨溫度而變，而且超過某一溫度以后，隨著作用時(shí)間的增長，強(qiáng)度也會(huì)下降。在高溫下，即使壓力不大，由于作用時(shí)間的增長，鋼材也會(huì)斷裂。煙囪長期在350 ℃以上高溫狀態(tài)下運(yùn)行，鋼材疲勞蠕變，引起煙囪強(qiáng)度降低，存在安全隱患。排煙溫度進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，提高加熱爐熱效率[3]。

3 排煙溫度超標(biāo)原因分析

3.1 部分加熱爐超負(fù)荷運(yùn)行

全油田有9 臺(tái)熱洗爐排煙溫度超過350 ℃，最高達(dá)到391 ℃。排煙溫度超標(biāo)加熱爐數(shù)量占熱洗爐數(shù)量（57臺(tái)）的15.7%。通過計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)加熱爐處于超負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，超負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，燃燒器的提供熱量不能被爐管及時(shí)吸收，直接排入大氣，造成排煙溫度上升。當(dāng)加熱爐熱負(fù)荷過高時(shí)，較高的排煙溫度增加了排煙熱損失[4]。

3.2 加熱爐爐管結(jié)垢，導(dǎo)致排煙溫度升高

油田加熱爐工質(zhì)成分復(fù)雜、雜質(zhì)多、礦化度高、極易結(jié)垢，結(jié)垢后影響加熱爐換熱管的傳熱效果[5]。目前油田熱洗、回?fù)焦に嚮旧鲜褂玫亩际俏唇?jīng)凈化處理的水，在輸送過程中攜帶大量泥沙及其他混合物。同時(shí)水中含有大量鈣、鎂等礦物，受熱易結(jié)垢。從取樣分析情況看，污垢主要由鈣鎂的碳酸鹽、硫酸鹽，以及泥砂、油質(zhì)、膠質(zhì)、少量碳化物組成復(fù)合型垢。油田加熱爐常用材質(zhì)20R的導(dǎo)熱系數(shù)為46～52 W/(m·K)，而加熱爐受熱面上的含油無機(jī)鹽污垢的導(dǎo)熱系數(shù)只有0.1～2.3 W/(m·K)，僅是20R鋼的0.2%～5.0%左右。從表1金屬與垢層導(dǎo)熱系數(shù)的比較可以看出，結(jié)垢后的加熱爐換熱面，其復(fù)合導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)小于無垢時(shí)的數(shù)值。

表1 金屬與垢層導(dǎo)熱系數(shù)的比較

4 研究加熱爐運(yùn)行參數(shù)合理界限

熱洗系統(tǒng)主要由機(jī)泵、加熱爐、管道、井筒組成，轉(zhuǎn)油站集輸系統(tǒng)見圖1。

根據(jù)公式（1）得出管道經(jīng)濟(jì)流量，見表2。

式中：Q為管道輸送介質(zhì)流量，m3/s；V為管道輸送介質(zhì)流速，m/s；d為管道直徑，m。

表2 管道經(jīng)濟(jì)流量

因此需要研究喇嘛甸油田熱洗爐的合理運(yùn)行參數(shù)，在安全合理范圍內(nèi)選擇參數(shù)，再開展熱洗工作。

4.1 排煙溫度界限

加熱爐設(shè)計(jì)排煙溫度為260 ℃，臥式圓筒爐煙囪材料為Q235-A，該鋼材的允許工作溫度為350 ℃。排煙溫度超過350 ℃時(shí)，煙囪會(huì)產(chǎn)生熱疲勞，鋼材強(qiáng)度下降，因此加熱爐排煙溫度最高不得超過350 ℃。

4.2 介質(zhì)流量界限

加熱介質(zhì)流量過低時(shí)，加熱爐易結(jié)焦。管內(nèi)介質(zhì)的質(zhì)量流速宜為1 290～2 400 kg/(m2·s)，在最小流量情況下，管內(nèi)介質(zhì)的質(zhì)量流速不低于980 kg/(m2·s)[6]。結(jié)合加熱爐設(shè)計(jì)參數(shù)，在設(shè)計(jì)出口溫度為80 ℃的情況下，通過分析得出，1.16 MW熱洗加熱爐合理水量15～23 m3/h，1.74 MW熱洗加熱爐合理水量17～27 m3/h。

4.3 負(fù)荷率界限

當(dāng)燃?xì)饬吭黾訒r(shí)，介質(zhì)吸收的熱量多，出口溫度上升，負(fù)荷率提高；當(dāng)燃?xì)饬繙p少時(shí)，介質(zhì)吸收的熱量減少，出口溫度下降，負(fù)荷率降低。加熱爐運(yùn)行負(fù)荷75%～100%效率比較高[7]。1.16 MW 臥式圓筒爐最低負(fù)荷為額定負(fù)荷65.2%；1.74 MW 臥式圓筒爐最低負(fù)荷為額定負(fù)荷73.5%。

4.4 熱洗溫度范圍

調(diào)查了機(jī)采井的熱洗清蠟操作規(guī)程見表3，為熱洗工作提供操作規(guī)程。

為確定喇嘛甸油田機(jī)采井融蠟溫度和時(shí)間，借檢泵作業(yè)時(shí)機(jī)，分別選取不同區(qū)塊16口井（水驅(qū)4口、聚驅(qū)12 口）的油管附著物樣本，開展室內(nèi)融蠟實(shí)驗(yàn)，油井融蠟實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4。

機(jī)采井蠟完全融化溫度在49～60 ℃，融化時(shí)間在35～78 min，該參數(shù)為熱洗工作提供了依據(jù)。

圖1 轉(zhuǎn)油站集輸系統(tǒng)

表3 機(jī)采井熱洗清蠟操作規(guī)程

表4 油井融蠟試驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 排煙溫度治理措施

油田加熱爐是地面集輸、處理與輸送各個(gè)環(huán)節(jié)必不可少的重要生產(chǎn)設(shè)施之一[8]。由于油氣田加熱爐安裝區(qū)域分散，工作條件惡劣，管理難度較大，且存在一定程度的粗放管理，導(dǎo)致加熱爐運(yùn)行參數(shù)沒有隨著負(fù)荷、氣候及燃燒情況進(jìn)行及時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整，設(shè)備不能在始終在經(jīng)濟(jì)高效工作區(qū)運(yùn)行[9]。為此要及時(shí)優(yōu)化加熱爐運(yùn)行參數(shù)，采取清淤除垢等措施，保障加熱爐處于良好的運(yùn)行狀態(tài)。

5.1 優(yōu)化加熱爐流量、溫度參數(shù)

熱負(fù)荷加熱爐以下計(jì)算公式：

式中：W加熱爐熱負(fù)荷，MW；Q加熱介質(zhì)流量，m3/s；T2為加熱爐出口溫度，℃；T1加熱爐進(jìn)口溫度，℃；C 為常數(shù)，取值4.18。

當(dāng)加熱爐進(jìn)口溫度取值40 ℃時(shí)，在不同的出口溫度情況下，能夠得到加熱爐在額定熱負(fù)荷狀態(tài)時(shí)，不同溫升與流量之間的對應(yīng)關(guān)系，根據(jù)溫度和流量參數(shù)（表5），繪制1.5 MW 加熱爐熱負(fù)荷控制曲線見圖2。

表5 熱洗爐溫度、溶量參數(shù)

圖2 1.5 MW加熱爐熱負(fù)荷控制曲線

在滿足熱洗溫度要求的原則下，利用熱負(fù)荷控制曲線優(yōu)化加熱爐的流量、溫度，實(shí)現(xiàn)加熱爐的安全高效運(yùn)行。優(yōu)化后，喇XXX1#加熱爐平均排煙溫度由360 ℃降至270 ℃，喇XXX2#加熱爐平均排煙溫度由364 ℃降至281 ℃，加熱爐參數(shù)優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對比見表6[10]。

表6 加熱爐參數(shù)優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對比

通過喇XXX1#和喇XXX2#轉(zhuǎn)油站熱洗爐參數(shù)優(yōu)化效果可以看出，在加熱爐不超負(fù)荷情況下，優(yōu)選流量、溫度參數(shù)進(jìn)行熱洗，能夠滿足油井熱洗要求，排煙溫度平均降低86.5 ℃，2臺(tái)加熱爐月節(jié)氣1.27×104m3，預(yù)計(jì)年節(jié)氣15.24×104m3，取得了一定節(jié)能效果。

5.2 控制排煙溫度

某轉(zhuǎn)油站1#加熱爐容量為1.74 MW，原熱洗泵排量為48 m3/h。熱洗時(shí)1#加熱爐出口溫度為87 ℃，排煙溫度達(dá)到340 ℃。通過測算1#加熱爐熱負(fù)荷率達(dá)到112%，加熱爐處于超負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)。為合理匹配熱洗系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，該站將48 m3/h 熱洗泵更換25 m3/h熱洗泵。更換后1#加熱爐出口溫度為87 ℃時(shí)，排煙溫度為287 ℃，排煙溫度降低53 ℃，熱負(fù)荷率達(dá)到90%，在滿足熱洗要求的情況下，控制了1#加熱爐排煙溫度。措施后，某轉(zhuǎn)油站1#加熱爐預(yù)計(jì)年節(jié)氣1.35×104m3。

5.3 實(shí)施酸洗措施

定期酸洗可防止加熱爐的盤管結(jié)垢，對于提高加熱爐熱效率與節(jié)約能源起到關(guān)鍵的作用[11]。喇ZZZ4#加熱爐投產(chǎn)于2014年。措施前喇ZZZ4#加熱爐排煙溫度達(dá)到270 ℃，排煙溫度超出設(shè)計(jì)參數(shù)。通過分析判斷該加熱爐出現(xiàn)結(jié)垢問題，導(dǎo)致排煙溫度升高。臥式圓筒爐管徑114～219 mm，對流室管徑60～89 mm，輻射室和對流室管徑不同，比較適合采用泵車酸洗技術(shù)。酸洗過程中需要對酸洗液進(jìn)行跟蹤化驗(yàn)，判斷酸洗效果，控制酸洗時(shí)間。酸洗結(jié)束后，需要用清水進(jìn)行沖洗，消除殘留酸洗液，避免酸腐蝕。喇ZZZ4#加熱爐酸洗后排煙溫度由270 ℃降至240 ℃，排煙溫度降低30 ℃，排煙溫度控制在設(shè)計(jì)排煙溫度范圍內(nèi)，說明措施有效。加熱爐酸洗能夠在一定程度上減少管內(nèi)積存垢質(zhì)，酸洗費(fèi)用低。酸洗后，喇ZZZ4#加熱爐預(yù)計(jì)年節(jié)氣1.6×104m3。

5.4 實(shí)施大修措施

喇YYY1#、YYY2#爐投產(chǎn)于1999 年，調(diào)查發(fā)現(xiàn)2 臺(tái)加熱爐盤管結(jié)垢，煙箱盤管腐蝕嚴(yán)重，煙箱盤管結(jié)灰垢，影響翅片換熱效果。大修后喇YYY1#加熱爐排煙溫度由267 ℃降低為145 ℃。喇YYY2#爐大修后排煙溫度由270 ℃降低為141 ℃。喇YYY1#、YYY2#加熱爐預(yù)計(jì)年節(jié)氣9.97×104m3。加熱爐大修后能夠徹底消除加熱爐爐管內(nèi)積存垢質(zhì)和外側(cè)灰垢，效果顯著。

通過采取措施降低加熱爐的排煙溫度，6 臺(tái)加熱爐預(yù)計(jì)年節(jié)氣29.21×104m3。天然氣價(jià)格按照1.41元/m3計(jì)算，年節(jié)約成41.19萬元。

6 結(jié)論

1）通過研究熱洗爐溫度與流量關(guān)系，形成加熱爐熱洗溫度與流量控制曲線，為有效控制加熱爐排煙溫度提供技術(shù)依據(jù)。

2）根據(jù)加熱爐運(yùn)行年限、設(shè)備狀態(tài)選擇大修或酸洗措施，優(yōu)化熱洗設(shè)備參數(shù)，能夠降低加熱爐排煙溫度，降低轉(zhuǎn)油站運(yùn)行能耗。