油田注汽鍋爐清垢周期算法研究與應用

張 匯

（新疆油田公司數據公司，新疆 克拉瑪依 834000）

油田注汽鍋爐用水為高礦化度油田凈化污水，給水溫度為80～110 ℃。油田凈化污水中含有大量Ca2+、Mg2+，常溫下通常以Ca（HCO3）2、Mg（HCO3）2等重碳酸鹽溶解形式存在。高溫工況下，重碳酸鹽化學性質不穩定，易分解成難溶的CaCO3、MgCO3等難溶碳酸鹽，以沉淀的形式形成爐管結垢。水垢的導熱系數為爐管導熱系數的數十至數百分之一，結垢后的爐管易受熱面兩側溫差增大，金屬壁溫升高，強度下降，在鍋內壓力作用下產生鼓包，嚴重時會引起爆管等事故［1］。

1 油田注汽鍋爐結垢程度判斷

注汽鍋爐安全運行關系著油田生產的安全高效。鍋爐爐管結垢后過早或過晚清洗對鍋爐的損耗和工況運行都有影響，過早清洗會加快爐管壁厚的磨損，過晚清洗會降低鍋爐的熱效率，帶來能量的損失，甚至會造成鍋爐爆管現象。研究濕蒸汽鍋爐結垢規律、設計濕蒸汽鍋爐清垢周期算法，對設備的安全運行和提高生產實際效率具有十分重要的作用［2］。

在注汽鍋爐運行過程中，鍋爐蒸汽出口壓力總小于給水泵出口壓力。兩者的差值稱為鍋爐系統阻力降。當爐管結垢后，系統阻力降開始上升，系統阻力降的值越大，則鍋爐結垢程度越嚴重。結垢造成的阻力降可由式（1）計算得出。

其中，系統阻力降為給水泵出口壓力與鍋爐蒸汽出口壓力的差值，通過監測泵出口壓力和蒸汽出口壓力獲取。額定阻力降為鍋爐在額定工況下的系統阻力降，通過鍋爐水阻力計算得出。

因此，油田注汽鍋爐結垢不可避免，為進一步緩解注汽鍋爐的結垢現象，一方面使用污水硬度深度處理技術、高含硅稠油污水回收利用技術，提供更高標準的鍋爐給水，水質改善后將降低整體稠油熱采能耗［3］；另一方面，需要對鍋爐進行清垢處理，對注汽鍋爐清垢周期算法進行研究。

2 油田注汽鍋爐清垢周期算法研究

2.1 結垢阻力與鍋爐運行時長關系

隨著鍋爐運行時間的增加，爐管結垢程度越來越大，結垢阻力呈上升趨勢，鍋爐結垢阻力與運行時間關系如圖1 所示。通過對注汽鍋爐結垢阻力降隨運行時間關系進行3 次多項式回歸函數計算，可得出鍋爐結垢阻力與鍋爐運行時間呈近似線性關系，即運行時間越長，結垢阻力越大。

2.2 鍋爐清垢周期計算公式研究

通過結垢阻力推算鍋爐結垢狀態，估算爐管清洗周期。清垢周期與鍋爐結垢阻力降呈近似對數函數關系，鍋爐清管周期計算公式可簡化為：

式中，A 為鍋爐允許最高阻力降，B 為鍋爐結垢速率系數，C 為清管周期時間單位系數，根據現場運行數據，可確定公式（2）中的各系數。上文提到，結垢阻力降是系統阻力降與額定阻力降的差值，為能夠實時掌握鍋爐的結垢情況，需要對鍋爐運行狀態的重點參數進行實時監測。

2.3 鍋爐結垢狀態與爐管清洗時間集中監測

某油田2017-2019 年分三期進行建設與研究，在注汽鍋爐下位機程序中完成注汽鍋爐清垢算法部署，累計部署27 臺鍋爐，并將相關監控點接入SCADA 系統，實時集中監測結垢狀態與清垢時間，通過監測鍋爐進、出口壓力差值，結合額定工況下鍋爐阻力，計算鍋爐結垢阻力，判斷鍋爐爐管結垢狀態，掌握最佳清垢時期。

鍋爐爐管結垢監測功能顯示鍋爐入口壓力、結垢阻力降、總阻力降和清管周期評估值，同時動態顯示爐管結垢狀態。當結垢阻力降值達到上限時，結垢報警指示由灰色變成紅色，并不停地交替閃爍，同時系統外部聲光報警器啟動，發出聲光報警。具體如圖2 所示。

SCADA 系統中開發鍋爐預警功能，實現鍋爐爐管結垢狀態、鍋爐清垢時間實時、集中監控。根據結垢狀態發出預警信號，并推算鍋爐清洗時間，為鍋爐過熱運行狀態監測及實施爐管清洗計劃提供數據參考。

3 應用效果

選取某臺鍋爐2018 年10 月至2019 年7 月的運行數據進行比對分析：2018 年10 月至2019 年6 月，隨著運行時間增加，鍋爐結垢阻力降上升、剩余清管天數減少，6 月14 日安排清管后，結垢阻力降下降至0.37 MPa 以下，剩余清管天數增加至850 天（系統最大值），且超過2 年的時間間隔。從圖3 的應用效果可以看出，通過濕蒸汽鍋爐清垢周期算法的研究、建立與實施運行，可以為鍋爐的清垢、酸洗工作以及清管后鍋爐安全運行提供有力保障。

基于鍋爐清垢周期算法所得結果，對結垢狀況嚴重、結垢阻力降接近安全限值的鍋爐進行清垢，可防止鍋爐爆管，提高鍋爐熱效率。

4 結論及認識

鍋爐是稠油生產的生命線，在當前高溫、高礦化度鍋爐用水的生產條件下，爐管結垢不可避免，過早清洗鍋爐會縮短爐管壽命、過晚清洗會增加爆管概率。應用濕蒸汽鍋爐清垢周期算法研究，確定評估鍋爐爐管結垢狀態的關鍵指標、明確鍋爐結垢規律、建立清垢周期準確的算法，能夠實現鍋爐結垢程度實時監測、鍋爐爐管清垢時間實時預估，對設備的安全運行和提高生產實際效率具有十分重要的作用。