水套爐露點(diǎn)腐蝕原因及防治策略

胡江川，韓玉杰，張 洪，孔雨晗，張 偉

（1.中國石油大學(xué) （華東） 新能源學(xué)院，山東 青島 266580；2.黑龍江農(nóng)業(yè)工程職業(yè)學(xué)院 信息工程系，黑龍江 哈爾濱 150088）

近年來隨著石油產(chǎn)量的減少，油氣田生產(chǎn)中大量使用的水套加熱爐出現(xiàn)了尾部換熱面腐蝕現(xiàn)象，嚴(yán)重縮減了其使用壽命并增加了維護(hù)費(fèi)用[1]。為確保水套爐的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，減少腐蝕停爐，有必要研究水套爐腐蝕原因并提出防腐措施。

基于現(xiàn)場實(shí)際情況與理論分析，一些研究者對加熱爐的腐蝕進(jìn)行了研究。董江潔等[2]針對現(xiàn)場水套爐煙道冷凝水腐蝕進(jìn)行原因分析，認(rèn)為系生產(chǎn)負(fù)荷低、排煙溫度低所致，提出爐群一體化改造措施，實(shí)施改造后水套爐負(fù)荷和煙氣溫度得到提升，減少了水套爐煙道腐蝕現(xiàn)象的產(chǎn)生。成強(qiáng)等[3]對實(shí)際運(yùn)行加熱爐進(jìn)行了腐蝕檢測，發(fā)現(xiàn)了高硬度水腐蝕、燃料氣對煙管內(nèi)表面的腐蝕、二氧化碳對爐體的腐蝕、吸氧腐蝕及停爐腐蝕等5種腐蝕，并提出了軟化水處理、加強(qiáng)燃?xì)獾膬艋幚硪约俺檎婵者M(jìn)行保養(yǎng)等防腐措施。梁金強(qiáng)等[4]針對水套加熱爐存在的嚴(yán)重盤管腐蝕進(jìn)行研究，結(jié)果表明腐蝕的主要原因不是原油中含酸有機(jī)物，而是油田采出液中的氯化物、硫化物及溶解氧，提出了加注緩蝕劑、提高材質(zhì)、套管內(nèi)外壁做特殊防腐、加強(qiáng)對燃料和煙氣成分的監(jiān)測以及預(yù)防水套爐排煙溫度過高等改進(jìn)措施?；⒄裆降萚5]將水套加熱爐腐蝕總結(jié)為爐內(nèi)腐蝕、盤管腐蝕與煙道腐蝕3種類別，提出了清理煙道來降低酸腐蝕的防治措施。鄔忠國等[6]對水套爐低溫硫腐蝕現(xiàn)象進(jìn)行分析，提出了對煙囪實(shí)施外保溫和內(nèi)涂防護(hù)層的改造辦法，減弱了水套爐的酸腐蝕。蘇海鵬[7]提出通過減少煙氣中的水和三氧化硫含量、控制排煙溫度、提高受熱面尾部金屬壁面溫度等措施來減輕和防止水套爐受熱面尾部腐蝕。

上述研究中，部分學(xué)者提出了水套爐排煙溫度過低是造成腐蝕的直接原因，但未能深入研究排煙溫度過低原因，以及排煙溫度與可調(diào)運(yùn)行參數(shù)間的關(guān)系，因而未能提出露點(diǎn)腐蝕的預(yù)防和根治措施。王堅(jiān)等[8]建立了水套加熱爐模型的三維實(shí)體模型，對水套加熱爐熱場分布進(jìn)行了分析。孫立君[9]探討了排煙溫度、過量空氣系數(shù)及散熱損失對水套爐熱效率的影響。梁光川等[10]改進(jìn)了鍋爐熱效率計(jì)算方法，介紹了改進(jìn)算法的實(shí)際應(yīng)用。鄭煒博等[11]編程比選了水套加熱爐熱力計(jì)算方法，為計(jì)算排煙溫度等與腐蝕相關(guān)的熱力參數(shù)提供了參考。文中基于現(xiàn)場采集的水套爐運(yùn)行測試數(shù)據(jù)，編寫了水套爐熱力計(jì)算程序，理論計(jì)算了加熱爐排煙溫度的影響因素，提出了露點(diǎn)腐蝕防治措施。

1 水套爐運(yùn)行現(xiàn)狀分析

從某采油廠1#～9#水套爐采集露點(diǎn)腐蝕理論計(jì)算及分析需要的現(xiàn)場運(yùn)行測試參數(shù)，見表1。

由表1可知，9臺(tái)水套爐負(fù)荷率均低于25%，其中有3臺(tái)負(fù)荷率低于10%。SY/T 6275—2007《油田生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測規(guī)范》中要求煙氣過量空氣系數(shù)不能高于1.8，排煙溫度不能高于200℃[12]。而現(xiàn)場水套爐實(shí)際過量空氣系數(shù)普遍偏高，最高達(dá)到2.9；排煙溫度大都較低，其中有4臺(tái)低于100℃。煙氣中有含有一定量的SO2，存在酸腐蝕隱患[13]。由此可以初步推斷，排煙溫度低、負(fù)荷率小、過量空氣系數(shù)大以及燃料含硫可能是造成水套爐煙管腐蝕的重要原因。

2 水套爐計(jì)算編程及驗(yàn)證

2.1 影響因素分析

水套爐（圖1）主要由燃燒設(shè)備和傳熱部件組成，傳熱部件包括火筒、煙管及盤管[12]。水套爐工作時(shí)，燃燒器燃燒產(chǎn)生的熱煙氣先通過火筒輻射放熱、再流經(jīng)多根截面較小的煙管對流放熱，加熱殼體下部分的液態(tài)水。水蒸發(fā)的蒸汽加熱殼體上部盤管中的油氣等介質(zhì)，水蒸氣放熱后凝結(jié)成水落回水層中。

圖1 水套加熱爐結(jié)構(gòu)示圖

表1所列的煙氣中CO含量很低，說明燃料可以充分燃燒，因此決定排煙溫度（露點(diǎn)腐蝕）的是傳熱過程。排煙溫度與煙氣露點(diǎn)溫度是理論計(jì)算及深入分析的核心內(nèi)容。利用傳熱原理及模型，可研究排煙溫度隨負(fù)荷率、過量空氣系數(shù)等的變化規(guī)律。根據(jù)燃料含水、含硫及含灰量等參數(shù)，運(yùn)用露點(diǎn)溫度計(jì)算模型可計(jì)算露點(diǎn)溫度。

2.2 計(jì)算程序設(shè)計(jì)

水套爐排煙溫度及露點(diǎn)溫度計(jì)算程序框圖見圖2。首先進(jìn)行煙氣露點(diǎn)溫度計(jì)算，即運(yùn)用煙氣露點(diǎn)溫度經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，根?jù)給定的燃料成分、燃料低位熱值進(jìn)行計(jì)算。然后基于盤管結(jié)構(gòu)、被加熱介質(zhì)的流量及溫度、污垢熱阻進(jìn)行盤管熱平衡與傳熱計(jì)算，得出水浴溫度與水套爐負(fù)荷率的關(guān)系，為計(jì)算排煙溫度奠定基礎(chǔ)?；谒囟取⑺谞t負(fù)荷率及水套爐火筒煙管結(jié)構(gòu)等，進(jìn)行水套爐火筒及煙管的熱力校核計(jì)算，最終得到排煙溫度與水套爐負(fù)荷率的關(guān)系。計(jì)算完成后，進(jìn)行排煙溫度與煙氣露點(diǎn)溫度的比較，確定出該工況是否會(huì)出現(xiàn)露點(diǎn)腐蝕問題。

圖2 水套爐熱力計(jì)算及露點(diǎn)溫度計(jì)算程序框圖

2.3 程序驗(yàn)證

水套爐排煙溫度及露點(diǎn)溫度計(jì)算過程比較復(fù)雜，運(yùn)用計(jì)算機(jī)C語言將計(jì)算思路編寫成應(yīng)用程序可以提高計(jì)算的準(zhǔn)確性和計(jì)算速度。在編寫出程序后，對計(jì)算程序的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證過程為，選用2臺(tái)額定功率分別為200 kW及50 kW的水套爐，將其設(shè)計(jì)書中的爐體結(jié)構(gòu)參數(shù)、燃料和介質(zhì)數(shù)據(jù)輸入程序，計(jì)算水浴溫度、熱效率及排煙溫度，將計(jì)算值與設(shè)計(jì)值進(jìn)行對比，結(jié)果見2。從表2可以看出，3個(gè)對比指標(biāo)相對誤差絕對值最大為2.04%，最小為1.25%，符合度均很好，說明計(jì)算程序可靠。

表2 水套爐設(shè)計(jì)值與程序計(jì)算值對比

3 水套爐露點(diǎn)腐蝕原因探討

3.1 負(fù)荷率對排煙溫度的影響

3.1.1 理論公式分析

對于水套爐而言，加熱負(fù)荷就是盤管傳熱量，計(jì)算如下。

式中，Qpg為盤管傳熱量，kW；Kpg為盤管內(nèi)工質(zhì)與管外水蒸氣間的傳熱系數(shù)，kW/(m2·K)；Spg為盤管傳熱面積，m2；Ts為水蒸氣（水?。囟?，Tgz為盤管內(nèi)工質(zhì)的平均溫度，K。

對于給定的水套爐，傳熱面積Spg和被加熱工質(zhì)的溫度是定值，傳熱系數(shù)Kpg變化也不大，應(yīng)用式（1）進(jìn)行分析可知，當(dāng)水套爐負(fù)荷增大，即傳熱量Qpg增大時(shí)，水浴溫度Ts隨之增大，這意味著水套爐為盤管供應(yīng)的水蒸氣的溫位更高。

對于水套爐，加熱負(fù)荷等于火筒與煙管向水浴的傳熱量，用對流傳熱公式粗略計(jì)算如下：

式中，Qhy為火筒和煙管傳熱量，kW；Khy為火筒和煙管傳熱系數(shù)，kW/(m2·K)；Shy為火筒和煙管傳熱面積，m2；T11為燃料理論燃燒溫度，Tpy為排煙溫度，K。

由式（2）可知，因理論燃燒溫度Tll和傳熱面積Shy不變，而傳熱系數(shù)Khy隨負(fù)荷變化較小，再考慮水浴溫度Ts隨負(fù)荷增加而增大，所以需要顯著提升排煙溫度Tpy，才能實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的增大。

3.1.2 計(jì)算程序分析

為了準(zhǔn)確描述水套爐負(fù)荷對排煙溫度的影響，針對額定功率200 kW、以收到基含硫量為0.8%的燃油（Sar=0.8）為燃料的水套爐，應(yīng)用編寫的計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序計(jì)算排煙溫度和露點(diǎn)溫度，將數(shù)據(jù)繪制成排煙溫度、露點(diǎn)溫度隨負(fù)荷率變化曲線，結(jié)果見圖3。圖3中，露點(diǎn)溫度td采用式（3）進(jìn)行計(jì)算[14-15]：

圖3 水套爐排煙溫度和露點(diǎn)溫度隨負(fù)荷率變化曲線

由圖3可以看出，排煙溫度隨著負(fù)荷率的增大而增大，與理論分析是一致的。露點(diǎn)溫度受負(fù)荷率的影響較小。在負(fù)荷率為26%時(shí)，排煙溫度等于露點(diǎn)溫度，若負(fù)荷再進(jìn)一步降低，排煙溫度將低于露點(diǎn)溫度，發(fā)生露點(diǎn)腐蝕。因此，水套爐實(shí)際運(yùn)行時(shí)，一定要保證負(fù)荷率不能過低，或者采取必要措施，避免露點(diǎn)腐蝕發(fā)生。

3.2 過量空氣系數(shù)對排煙溫度的影響

3.2.1 理論公式分析

表1測得數(shù)據(jù)顯示，過量空氣系數(shù)可能與排煙溫度有一定關(guān)系，如果過量空氣系數(shù)增大會(huì)導(dǎo)致排煙溫度降低，那么過量空氣系數(shù)就是影響露點(diǎn)腐蝕的重要因素。由式（2）可知，在負(fù)荷一定時(shí)，水浴溫度Ts不變，過量空氣系數(shù)引起排煙溫度的變化，需借鑒單位質(zhì)量參與燃燒燃料的理論溫度計(jì)算式分析[16]：

3.2.2 計(jì)算程序分析

通過編程計(jì)算結(jié)果曲線圖進(jìn)一步分析過量空氣系數(shù)對排煙溫度的影響。額定功率200 kW水套爐排煙溫度隨過量空氣系數(shù)的變化曲線見圖4，可以看出過量空氣系數(shù)嚴(yán)重影響排煙溫度，兩者幾乎呈正比關(guān)系，過量空氣系數(shù)越大，排煙溫度越高。由此看來，表1中的較大過量空氣系數(shù)不是導(dǎo)致露點(diǎn)腐蝕的參量，反而是避免露點(diǎn)腐蝕的因素。

圖4 200 kW水套爐排煙溫度隨過量空氣系數(shù)變化曲線

3.3 火筒煙管傳熱面積對排煙溫度的影響

火筒和煙管承擔(dān)著將煙氣的熱量傳遞給水的任務(wù)，即加熱負(fù)荷，兩傳熱部件的面積對傳熱過程有極大影響。從式（2）可以看出，在給定熱負(fù)荷下，傳熱面積增加，傳熱溫差就要減??；熱負(fù)荷恒定，水浴溫度不變，煙氣平均溫度就必須降低；理論燃燒溫度又不變，所以排煙溫度必然要降低。因此，增大火筒和煙管傳熱面積會(huì)降低排煙溫度。

針對額定功率200 kW水套爐，應(yīng)用編寫的計(jì)算程序計(jì)算傳熱面積與排煙溫度，將計(jì)算結(jié)果繪制成排煙溫度隨傳熱面積變化曲線，見圖5。從圖5可以看出，計(jì)算出的排煙溫度隨傳熱面積增大而減小，這與上述理論分析結(jié)果一致。因此，為了確保排煙溫度不低于酸露點(diǎn)溫度，水套爐就需有足夠大的傳熱面積。從另一個(gè)角度說，表1中部分水套爐傳熱面積相較于加熱負(fù)荷明顯偏大，因而導(dǎo)致排煙溫度過低，出現(xiàn)了露點(diǎn)腐蝕情況。

圖5 200 kW水套爐排煙溫度隨傳熱面積變化曲線

4 水套爐露點(diǎn)腐蝕防治策略

通過前面的研究發(fā)現(xiàn)，水套爐熱負(fù)荷率越低，對應(yīng)的排煙溫度也越低；過量空氣系數(shù)越低，對應(yīng)的排煙溫度越低；煙管傳熱面積越大，對應(yīng)的排煙溫度越低。這說明，這3個(gè)因素都可能導(dǎo)致水套爐酸露點(diǎn)腐蝕的發(fā)生。在這3個(gè)因素中，負(fù)荷率是無法任意調(diào)節(jié)的，由現(xiàn)場加熱需求決定。因此，為了避免露點(diǎn)腐蝕，可以通過對過量空氣系數(shù)和煙管傳熱面積的調(diào)控來提升排煙溫度，使其高于露點(diǎn)溫度。

4.1 臨界過量空氣系數(shù)

從表1可以看出，低負(fù)荷運(yùn)行已經(jīng)是水套爐的運(yùn)行常態(tài)。在煙管傳熱面積和過量空氣系數(shù)不變的情況下，負(fù)荷率低至一定程度時(shí)，排煙溫度與露點(diǎn)溫度相等，如果負(fù)荷進(jìn)一步降低，則必然發(fā)生低溫露點(diǎn)腐蝕。前面的研究表明，過量空氣系數(shù)與排煙溫度呈正相關(guān)關(guān)系，則可通過提高過量空氣系數(shù)提升排煙溫度，彌補(bǔ)負(fù)荷下降引起的排煙溫度降低。因此，一定存在一組或多組負(fù)荷率與過量空氣系數(shù)配組合，能保證排煙溫度不低于露點(diǎn)溫度，將此時(shí)的過量空氣系數(shù)定義為臨界過量空氣系數(shù)。

針對額定功率200 kW水套爐，應(yīng)用編寫的計(jì)算程序計(jì)算水套爐在熱負(fù)荷率在12%～108.3%、過量空氣系數(shù)在1.1～2.2條件下的排煙溫度，結(jié)果見表3。根據(jù)燃料的硫含量，計(jì)算得到煙氣露點(diǎn)溫度為117.3℃，基于此酸露點(diǎn)溫度和表3的計(jì)算結(jié)果，在表3中劃出了1條用虛線表示的界區(qū)線，虛線上部區(qū)域的排煙溫度均低于露點(diǎn)溫度，處于腐蝕區(qū)域；虛線下部區(qū)域的排煙溫度高于露點(diǎn)溫度，處于安全區(qū)域。

表3 不同熱負(fù)荷率及過量空氣系數(shù)下200 kW水套爐排煙溫度 ℃

由表3可以發(fā)現(xiàn)，臨界過量空氣系數(shù)與負(fù)荷率是相關(guān)聯(lián)的，負(fù)荷率越低，臨界過量空氣系數(shù)越大，將兩者進(jìn)行關(guān)聯(lián)擬合，得到臨界過量空氣系數(shù)隨熱負(fù)荷率變化曲線，見圖6。此擬合關(guān)系曲線可以作為一個(gè)參考用于指導(dǎo)水套爐的生產(chǎn)操作。根據(jù)已知熱負(fù)荷率，應(yīng)用此擬合關(guān)系曲線確定臨界過量空氣系數(shù)，調(diào)節(jié)過量空氣系數(shù)大于臨界值，即可避免露點(diǎn)腐蝕的發(fā)生。

圖6 200 kW水套爐臨界過量空氣系數(shù)隨熱負(fù)荷率變化曲線

4.2 臨界煙管傳熱面積

水套爐的火筒和煙管傳熱面積在設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)確定好，實(shí)際應(yīng)用中是不能隨意改變的。當(dāng)運(yùn)行負(fù)荷低于設(shè)計(jì)值時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)傳熱面積相對過剩導(dǎo)致的排煙溫度過低和進(jìn)一步的煙氣酸露點(diǎn)腐蝕現(xiàn)象。雖然爐體的傳熱面積不能改變，但是可以設(shè)法封堵一部分煙管，不讓煙氣流過所有煙管，這就等同于減小了傳熱面積。根據(jù)傳熱面積與排煙溫度的反相關(guān)關(guān)系可知，減小傳熱面積能提升排煙溫度，因此可以推斷，對于特定的加熱負(fù)荷，一定存在類似于臨界過量空氣系數(shù)、可以確保排煙溫度高于露點(diǎn)溫度的臨界傳熱面積。

針對額定功率200 kW水套爐，應(yīng)用編寫的計(jì)算程序計(jì)算水套爐在熱負(fù)荷率在12%～108.3%、煙管傳熱面積在21～31 m2條件下的排煙溫度，結(jié)果見表4?；?17.3℃的酸露點(diǎn)溫度和表4的計(jì)算結(jié)果，在表4中劃出了1條用虛線表示的界區(qū)線，虛線上部區(qū)域?yàn)楦g區(qū)域，虛線下部區(qū)域?yàn)榘踩珔^(qū)域。

從表4可以看出，臨界傳熱面積與負(fù)荷率呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，負(fù)荷率越高，臨界傳熱面積越大。繪制兩者之間的關(guān)系規(guī)律，得到臨界傳熱面積隨熱負(fù)荷率變化曲線，結(jié)果見圖7。此擬合關(guān)系曲線可以作為一個(gè)參考用于指導(dǎo)水套爐的生產(chǎn)操作。運(yùn)行人員只需根據(jù)負(fù)荷率計(jì)算出臨界傳熱面積，據(jù)此決定封堵煙管數(shù)量，使得傳熱面積小于臨界值，就可以確保煙管不發(fā)生露點(diǎn)腐蝕。

表4 不同熱負(fù)荷率及煙管傳熱面積下200 kW水套爐排煙溫度 ℃

圖7 200 kW水套爐臨界煙管傳熱面積隨負(fù)荷率變化曲線

5 結(jié)論

對水套爐測試數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，低負(fù)荷、高過量空氣系數(shù)、低排煙溫度運(yùn)行是普遍存在的現(xiàn)象，存在極大的露點(diǎn)腐蝕隱患。為了從理論上分析負(fù)荷率、過量空氣系數(shù)及火筒煙管傳熱面積對排煙溫度的影響，以及提出切實(shí)可行的露點(diǎn)腐蝕防治策略，編寫了水套爐熱力及露點(diǎn)計(jì)算程序，研究得到的結(jié)論有：

（1）水套爐的負(fù)荷率降低、過量空氣系數(shù)減小、火筒煙管傳熱面積增加，均會(huì)引起排煙溫度的降低，當(dāng)其低于煙氣露點(diǎn)溫度時(shí)，尾部受熱面就會(huì)發(fā)生露點(diǎn)腐蝕。

（2）鑒于負(fù)荷率不是人為可控量的現(xiàn)實(shí)，只能調(diào)整過量空氣系數(shù)和煙管傳熱面積，以確保排煙溫度不低于露點(diǎn)溫度。為此，提出了臨界過量空氣系數(shù)與臨界煙管傳熱面積的概念。在一定的負(fù)荷下，運(yùn)行的過量空氣系數(shù)大于臨界值，或者煙管傳熱面積小于臨界值，即可以防止露點(diǎn)腐蝕。

（3）因露點(diǎn)溫度與燃料組分有關(guān)，不同的水套爐設(shè)計(jì)參數(shù)也不同，所以臨界過量空氣系數(shù)和臨界煙管傳熱面積的大小因情況而異。本文提出的這2個(gè)概念，拓展了防治露點(diǎn)腐蝕的思路，對指導(dǎo)水套爐安全運(yùn)行有重要意義。