機械除垢式加熱爐站場應用實驗與性能評價

史亮　（大慶油田有限責任公司第四采油廠）

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機械除垢式加熱爐站場應用實驗與性能評價

史亮（大慶油田有限責任公司第四采油廠）

針對常規火筒式加熱爐在加熱三采采出水過程中出現的淤積結垢嚴重、燒損頻率高等問題，在三采區塊試驗了一種新型分體式加熱爐（分體式加熱爐）。通過對分體式加熱爐的運行參數、結構及機理進行分析，并對比常規加熱爐在現場的實際應用，在優化運行的基礎上，客觀評價了分體式加熱爐除垢效果和能耗情況。現場實驗表明分體式加熱爐除垢效果明顯，加熱三采采出液具有較好的適應性，同時對比相同功率常規加熱爐可節省天然氣用量，節能效果較好。

分體式加熱爐；火筒加熱爐；結構機理；機械除垢；性能評價

目前，大慶油田在對采出水進行摻水、熱洗回摻單井過程中采取的是常規火筒爐加熱的方式。在生產運行過程中，特別是在加熱三元、聚驅采出水時，火筒式加熱爐煙、火管結垢嚴重，加熱爐鼓包、燒損現象比較突出。以杏北油田杏六區東部三元復合驅區塊為例，該區塊建設轉油站2座，火筒式加熱爐6臺，在見劑高峰期，煙、火管外側結垢淤積達到35 mm/a，年燒損加熱爐達到11臺。同時，由于結垢影響造成加熱爐提升速度慢，加大了日常生產運行管理難度。因此，在新建三元復合驅區塊現場實驗應用了分體式機械式自動除垢加熱爐（分體式加熱爐），研究在機械除垢、耗氣量方面的現場應用效果，為解決三采區塊加熱爐存在的運行問題提供參考依據。

1　分體式加熱爐運行機理

該裝置與火筒式加熱爐最大的區別是將加熱、換熱由同腔式改為分腔式，并利用蒸汽加熱代替了明火直接加熱，從而提高了爐體傳熱效率，降低運行能耗。同時，為避免三元采出液中碳酸鹽、硅酸鹽類垢晶核在高溫下析出、結晶引發的局部過熱現象，該裝置設計在換熱器表面安裝除垢鋼刷，定時清理沉積的污垢，避免因局部過熱引發的鼓包現象，達到延長加熱爐使用壽命，降低后期維護投資的目的。

1.1參數及應用范圍

分體式加熱爐由臥式加熱爐以及立式換熱器

（配有除垢刷）兩部分組成（表1）。

表1　分體式加熱爐設計參數

該裝置適合應用在油田轉油站、聯合站的泵前加熱爐流程中，加熱原油和含有各種雜質（聚合物、顆粒物）污水，尤其是在加熱聚合物驅、三元復合驅采出水時具有明顯的優勢。

1.2主要結構及工作原理

分體式加熱爐工作時，載熱體由出口2通過管道進入換熱器管程，同時被加熱介質由入口7進入換熱器殼程，在換熱器內載熱體與被加熱介質充分換熱，冷卻后的熱載體通過回口8流回加熱爐重新加熱升溫，被加熱介質吸熱升溫后由出口4流出（圖1）。在工作中換熱器上的自動除垢裝置的減速機驅動主軸帶動除垢鋼刷在換熱器內的換熱體上下表面運動，除掉或防止污垢沉積在換熱體的換熱面上，從而達到除防垢的目的。

圖1　分體式加熱爐主要結構

2　現場使用效果及評價

2.1除垢效果

杏北油田三元-2轉油站建有分體式加熱爐1臺，二合一加熱爐3臺，在保證來水水質一致的情況下，通過現場實際應用情況，對比分體式加熱爐與常規加熱爐的除垢效果（表2）。

表2　2014年兩種加熱爐淤積結垢情況對比

通過數據可以看出，分體式加熱爐換熱體表面光滑，未結垢，鋼刷無損壞，除垢效果明顯。目前杏北油田三元-2轉油站分體式加熱爐已運行2.5年，未出現淤積燒損問題。與同期對比的常規二合一加熱爐相比，年維護費用減少30萬元。

2.1.1優化除垢周期

結合分體式加熱爐運行，進一步摸索確定了刮垢周期。分體式加熱爐在刮垢過程中會造成水中懸浮物的變化，因此通過對比不同刮垢周期內的出水含懸浮物情況，可確定最佳刮垢周期。

現場分別試驗了6次/d、3次/d、2次/d和1次/d的刮垢周期下的水質含懸浮物變化情況（表3），對比不同刮垢周期2次刮垢時間間隔內的出水水樣化驗，發現刮垢周期為3次/d的刮垢后出水水樣含懸浮物最低，并與2次/d、1次/d的出水水樣懸浮物相差不多，考慮到刮垢周期延長，會造成換熱體表面結垢增厚，刮垢刷不易刮下來，降低加熱爐爐效。因此，現場摸索確定了最佳的刮垢周期為3次/d。

表3　刮垢周期水質懸浮固體含量

2.1.2改進垢質截留設計

試驗初期，對比了杏北油田三元-2轉油站站內的分體式加熱爐和常規二合一加熱爐出水水質效果。

對轉油站沉降罐出水、分體式加熱爐出水及二合一加熱爐出水取樣化驗，從化驗結果看（表4），自動除垢加熱爐比常規二合一加熱爐出水含懸明顯偏高。經分析，分體式加熱爐的污水進口在爐體的下端，出口在上端，污水上行過程中將除垢裝置刮下的固相物質帶入摻水管道所致（圖2）。

針對分體爐出水水質差的問題，在最上層換熱體的通孔處設計安裝了過濾網，濾網目數為40目，實現對管路垢質的截留，過濾網的下端面與換熱體的下端面平齊，以便旋轉的鋼刷對過濾網的清掃，使下層刮下的垢質截留沉降在爐體底部，不隨水流帶入下游摻水管道。

表4　加熱爐出水水質情況對比

圖2　分體爐換熱體原理

對9月1—28日運行情況進行改造，運行后分體式加熱爐出水水質得到改善，含懸浮物平均為67 mg/L，較常規二合一加熱爐降低23 mg/L（圖3）。

圖3　分體式加熱爐垢質截留技術改進前后效果對比

2.2能耗效果評價

為保證試驗參數對等，選取杏北油田杏三-四區東部三元-5轉油放水站分體式加熱爐和二合一加熱爐進行能耗效果評價，基礎參數見表5。

表5　分體式加熱爐與常規二合一加熱爐能耗參數情況

從升溫效果看，在進口溫度為35℃時，分體式加熱爐在1.5 h可將溫度升至80℃，而常規二合一加熱爐需要4 h（圖4）。

圖4　分體式加熱爐與火筒式加熱爐提溫曲線

實驗選取5月1—12日的耗氣量作為參數進行對比（圖5），分體式加熱爐平均每天可節省耗氣276 m3。經中國石油天然氣集團公司節能監測評價中心測試，加熱爐正平衡效率為87.75%；加熱爐反平衡效率為85.68%；加熱爐平均熱效率為86.71%［1］。

圖5　分體式加熱爐與火筒式加熱爐自耗氣對比

3　經濟效益

由于分體式加熱爐耗氣量低于傳統火筒式加熱爐，且其購進花費與后者相當，使得其在經濟效益方面有顯著的效果。以三元-5轉油放水站單臺分體爐進行經濟效益計算：設備價差分體式加熱爐比二合一加熱爐高27萬元。降低運行成本年節氣約2.95×104m3，年減少清淤、大修費用30萬元，當年即可收回差價成本。

4　結論

1）分體式加熱爐采取熱蒸汽對流加熱設計，傳熱效率高，較火筒式加熱爐提溫速度快，同時避免了含油污水直接火管加熱，降低了加熱爐燒損概率。

2）分體式加熱爐采用機械式除垢方式，運行1年后換熱體表面光滑，鋼刷無損壞，除垢效果明顯。

3）分體式加熱爐運行過程中根據采出水的物性變化，合理優化刮垢周期，同時采用垢質截留技術，對三元復合驅地面工藝適應性較強。

4）在同等參數條件下，與常規火筒式加熱爐相比，分體式加熱爐具有能耗低、溫升快、經濟效益高的特點。

［1］孫金鳳，畢航銘，王巖.一種自動除垢式加熱爐節能效果分析［J］.石油石化節能，2015（8）：41-43.

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.09.012

2016-04-05

（編輯張馨怡）

史亮，工程師，2003年畢業于大慶石油學院（石油工程專業），從事地面工程生產管理和運行工作，E-mail：xuwenhui@petrochina.com.cn，地址：黑龍江省大慶市紅崗區第四采油廠規劃設計研究所，163511。