真空相變加熱爐在大港南部油田的應用

劉碧峰 劉博洋

1大港油田采油三廠2西南石油大學

真空相變加熱爐在大港南部油田的應用

劉碧峰1 劉博洋2

1大港油田采油三廠2西南石油大學

真空相變加熱爐在大港南部油田的應用中存在許多問題，如結垢嚴重，壓差大，正壓運行，效率低，維護成本高，維修困難等，針對這些問題提出了相應的改進建議。為了發揮相變加熱爐安全性好、效率高的特點，解決其在使用過程中存在的問題，應采用承壓相變加熱爐。適當提高殼程的允許運行壓力，可提高到0.4MPa左右，承壓能力的提高可使蒸汽溫度提高，從而滿足更高生產溫度的需求。在換熱器設計上進行改進，減少盤管管程，適當加大管徑，從而減輕由于結垢帶來的負面影響。適當加厚管壁，同時采取相應的防腐、防垢措施，以延長爐管使用壽命。對于2000kW以上大功率真空爐，采用外置分體式結構盤管適應性更好些。優化參數設計，確定熱負荷時以實際運行參數為基準，避免追求大裕量，確保較高的負荷率；確定壓降值時，參考集輸設計手冊推薦的0.1～0.25MPa，避免片面追求低壓損，保持合理流速，降低垢、機雜的沉積速率。

真空相變加熱爐；換熱器；盤管；腐蝕結垢；問題分析

1 應用背景

大港南部油田共有聯合站9座，轉接站9座，擔負著130×104t/a原油集輸及處理任務。由于南部油田原油物性具有高凝、高黏特點，因此，集輸與處理過程的加熱環節尤為重要。南部油田共有600kW以上加熱爐61臺，用于原油外輸、脫水、穩定、伴熱摻水加熱。啟運加熱爐43臺，燃氣量1860×104m3/a，因天然氣量不足，需補充燃油量約2600t/d。

由于早期的管式爐大部分運行10年以上，盤管結焦燒損概率高，經常出現盤管穿孔現象，安全隱患大。另外，因結垢導致部分加熱爐管壓損大，運行耗能高，熱效率低（加熱爐平均熱效率79.8%）。為此，從2005年開始，陸續將部分年久失修的管式加熱爐更新為真空相變加熱爐。目前，共有相變爐31臺，管式爐28臺，熱媒爐2臺。

2 相變爐結構、原理及技術特點

真空相變加熱爐主體結構包括火筒、煙管、爐體(蒸汽發生器)、換熱盤管、煙囪及燃燒器等部分。換熱盤管分為內置的一體式和外置的分體式。

燃燒器將燃料充分燃燒，熱量通過加熱爐火筒及煙管傳遞給爐體內(蒸汽發生器)的中間介質（水），水受熱沸騰汽化，逐步充滿爐體的汽相空間。水蒸氣與換熱盤管接觸，加熱盤管內的生產介質。水蒸氣失去熱量后，冷凝成液體回流到爐體內，再次在爐體內被加熱蒸發。被加熱介質源源不斷地帶走熱量，冷凝成液體的水又吸收燃料燃燒熱量而汽化，如此循環往復，通過相變方式完成傳熱。

相變爐的技術特點：

（1）相變加熱爐利用熱管相變傳熱原理，具有較高的導熱性。

（2）以水和水蒸氣作為傳熱介質，水在封閉的爐殼內受熱蒸發、冷凝，熱傳導系數穩定。

（3）在負壓下工作，運行安全可靠。

（4）相同功率下，真空爐比傳統管式加熱爐節約鋼材，爐體小。

3 問題分析

大港南部油田自2005年開始試用真空相變加熱爐至今已歷時10年，試用臺數超過30臺，然而大部分真空相變加熱爐沒有體現出高效的優點，而且還帶來了許多管理問題。

3.1 結垢嚴重

由于南部油田礦化度高（約23000～31000L/mg），造成換熱器盤管結垢，使介質流動受阻，管損增大。另外，為提高換熱效果及減少換熱器的體積，真空相變加熱爐換熱器盤管采用多管程、小管徑，在生產過程中容易結垢造成壓損增大。據統計，南部油田90%真空相變爐存在壓差過大問題，換熱器進出口壓差達到0.4～0.6MPa。先后進行化學清洗23臺次，更換盤管17臺次，化學清洗效果僅能維持10～30天，更換盤管的效果短則數月，長則半年，之后又恢復到先前狀態。因換熱器盤管結垢、壓損大、換熱效率低，嚴重影響了系統的正常運行。

3.2 正壓運行

真空相變加熱爐在微負壓狀態下具有高效、安全的性能，在投產初期基本能正常運行。但使用一段時間后，因換熱器結垢、機雜沉積等原因，使換熱效果變差，被加熱介質溫度達不到要求；同時，水蒸氣熱量不能被帶走，冷凝效果變差，造成加熱爐正壓運行，甚至超過安全壓力，安全閥經常打開，失去了高效、安全性能。例如：自一聯2＃摻水加熱爐，額定功率2500kW，盤管內徑DN50mm。該加熱爐于2007年6月30日投產運行，運行3個月后工作壓力升到0.1MPa以上，造成安全閥經常打開排汽，需定期補加清水。2009年6月進行洗爐，但運行一段時間后又開始正壓運行。目前，該加熱爐只能停止運行。

3.3 負載能力低

由于大部分真空相變爐采用水作為中間換熱介質，且在微負壓狀態下運行，此時換熱盤管周圍蒸汽最高溫度低于100℃。當工作介質需要得到較高溫度時（大于80℃），真空相變爐因兩種換熱介質間溫差較小難以使工作介質提高到理想的溫度，加熱爐負載能力受限。例如：當棗一聯外輸加熱爐出口溫度要求85℃時，采用管式加熱爐能夠輕松達到此溫度，而真空相變爐無法實現。

3.4 盤管及煙管腐蝕

真空相變爐雖然不直接加熱換熱器盤管，但仍然沒有從根本上解決換熱器盤管內部腐蝕結垢問題。在介質本身腐蝕嚴重的情況下，加上結垢影響，盤管內腐蝕漏失現象仍很普遍。例如：棗一聯合站2＃摻水相變加熱爐，額定功率3000kW。該爐于2007年11月6日投產運行，2010年6月25日發現盤管腐蝕滲漏，盤管內壁底部垢下腐蝕嚴重，而盤管外表及內壁其它部位基本無腐蝕現象，分析原因為該站摻水中含Cl-成分。2010年8月對換熱器進行了更換；2011年10月盤管結垢嚴重，進行清洗；2012年7月因換熱盤管腐蝕漏失更換換熱器；2015年1月換熱盤管腐蝕漏失更新換熱器。

同樣的問題，在煙管及煙囪也頻繁出現。一方面是由于真空加熱爐負載能力低，為提高負載能力，往往采取“大馬拉小車”的辦法解決。另一方面，由于油田燃氣使用的是未經處理的伴生氣，煙氣中含硫等腐蝕成分，加上排煙溫度過低造成煙氣凝結，從而造成管內腐蝕。

3.5 可維修性差

真空相變加熱爐的盤管或火筒、煙管等一旦發生腐蝕漏失，現場維修很困難，需將換熱器返廠解體。如果是內置式盤管結構，則需把整個加熱爐返廠解體，工作量近于制造一臺新加熱爐。另外，火筒積灰清除以及真空負壓值的調節和維持都非常困難，很難保持高效狀態運行。

4 結論

（1）通過多年的礦場應用效果來看，真空相變加熱爐在加熱介質礦化度高、機雜多、腐蝕結垢嚴重的油田適應性較差，尤其是對出口溫度要求較高的摻水系統加熱，難以滿足生產需要。為此，真空相變加熱爐質量需要提高。

（2）在換熱器設計上進行改進，減少盤管管程，適當加大管徑，從而減輕由于結垢帶來的負面影響。

（3）為了發揮相變加熱爐安全性好、效率高的特點，解決其在使用過程中存在的問題，應采用承壓相變加熱爐，其主要結構、原理、技術特點與真空相變加熱爐相同。

（4）適當提高殼程的允許運行壓力，可提高到0.4MPa左右，承壓能力的提高可使蒸汽溫度提高，從而滿足更高生產溫度的需求。

（5）適當加厚管壁，同時采取相應的防腐、防垢措施，以延長爐管使用壽命。

（6）從維修的簡便性看，內置式盤管結構更換比較困難，而外置分體式結構盤管更換相對簡便。因此對于2000kW以上大功率真空爐，采用外置分體式結構盤管適應性更好些。

（7）優化參數設計，確定熱負荷時以實際運行參數為基準，避免追求大裕量，確保較高的負荷率；確定壓降值時，參考集輸設計手冊推薦的0.1～0.25MPa，避免片面追求低壓損，保持合理流速，降低垢、機雜的沉積速率。

（022）25944894、lbf_123456@163.com

（欄目主持樊韶華）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.6.027

劉碧峰：高級工程師，1988年畢業于中國石油大學（華東）采油工程專業，現主要從事油田地面工藝技術管理。