海上平臺稠油熱采鍋爐結(jié)焦問題分析及解決方案

＊張輪亭 燕夏婧 黃堅 楊風(fēng)允

（1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司 天津 300452 2.中海石油（中國）有限公司北京研究中心 北京 100027 3.克雷登熱能設(shè)備（浙江）有限公司 浙江 310018）

稠油開發(fā)是目前渤海油田穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的重要措施之一，而熱采鍋爐則是稠油開發(fā)的關(guān)鍵核心設(shè)備，立式鍋爐體積小重量輕，通常作為海上熱采鍋爐的選擇之一，但是由于其緊湊式的盤管結(jié)構(gòu)，可能會在使用過程中產(chǎn)生結(jié)焦結(jié)垢現(xiàn)象，影響現(xiàn)場使用。目前在渤海區(qū)域，已開展立式鍋爐熱采應(yīng)用，在運行過程中發(fā)現(xiàn)，鍋爐對于天然氣燃料有較好的適應(yīng)性，而采用原油或稠油作為燃料時發(fā)現(xiàn)，鍋爐在運行一段時間后，燃燒狀況惡化，并報故障停機。檢查發(fā)現(xiàn)，鍋爐爐膛出現(xiàn)大量的結(jié)焦，尾部受熱面煙側(cè)結(jié)垢。為保證立式鍋爐在平臺運行的穩(wěn)定性，本文對已開展應(yīng)用的兩個平臺立式鍋爐結(jié)焦問題進(jìn)行分析，并給出改進(jìn)措施，也為鍋爐結(jié)焦問題給出預(yù)防方案。

1.鍋爐結(jié)焦結(jié)垢的主要危害

鍋爐結(jié)焦結(jié)垢產(chǎn)生的危害主要包括：（1）降低使用效率：結(jié)焦結(jié)垢后的鍋爐傳熱性能變差、熱量流失，鍋爐熱效率降低。（2）降低鍋爐使用壽命：影響鍋爐安全穩(wěn)定的運行，由于結(jié)焦物形成的熱阻，會導(dǎo)致金屬材料處于高溫下運行，進(jìn)而降低鍋爐使用壽命。（3）導(dǎo)致事故：結(jié)焦結(jié)垢的存在會導(dǎo)致受熱面溫度升高金屬過熱產(chǎn)生蠕變，嚴(yán)重時會使得爐管爆破，發(fā)生危害[1-3]。

2.案例一

(1)渤海某平臺鍋爐結(jié)垢情況

渤海某平臺位于渤海中南部海域，其上立式蒸汽鍋爐于2011年開始投入使用，經(jīng)過幾輪注采后，操作人員發(fā)現(xiàn)鍋爐效率降低，因此對爐膛進(jìn)行清理，發(fā)現(xiàn)鍋爐燃燒器及盤管有大量附著物（圖1），清理的附著物約30kg。清理后爐膛內(nèi)仍無自然吸風(fēng)，初步判斷鍋爐中盤管已經(jīng)全部結(jié)焦堵死，煙氣無通道。對結(jié)焦物進(jìn)行初步判斷，呈現(xiàn)鹽晶體狀，味咸，大部分溶于水，小部分鐵渣，近管壁側(cè)有暗紅色物質(zhì)，如圖2所示。

圖1 平臺1鍋爐結(jié)焦圖

圖2 平臺1盤管間的結(jié)焦結(jié)垢樣

(2)渤海某平臺鍋爐垢樣分析

由于結(jié)垢物部分可溶于水，對可溶物進(jìn)行離子成分分析，對不可溶物開展XRF和XRD分析[3]，結(jié)果分別如圖3和圖4所示。

圖3 平臺1垢樣可溶物離子分析

圖4 平臺1垢樣不可溶物分析

圖3a表明，可溶于水的垢樣多為鹽類，為探究離子來源，對原油進(jìn)行采樣分析（圖3b），判斷垢樣形成原因為：原油中含水量較大，且鈣鎂離子含量高，這些不能參與燃燒，且水會吸收熱量隨著煙氣蒸發(fā)排出，水中溶解的各種鹽因水分的蒸發(fā)而淅出，從而形成鹽類結(jié)晶[2]。

圖4可看出不可溶物多為鐵的氧化物，這是由于原油中含水，在燃燒中氧溶于水中，從而在金屬表面產(chǎn)生腐蝕，生成氧化鐵產(chǎn)物，在高溫的作用下逐漸在爐管上形成氧化鐵結(jié)垢。

綜上，原油含水是渤海某平臺立式蒸汽鍋爐結(jié)垢的主要原因。

(3)渤海某平臺鍋爐結(jié)垢結(jié)焦解決方案

渤海某平臺原鍋爐供油流程如圖5所示，從油井到進(jìn)鍋爐原油含水率為11%。

圖5 平臺1鍋爐原處理流程

為進(jìn)一步降低含水率，對平臺上原三相分離器進(jìn)行改造，提升其脫水能力，最終將產(chǎn)油含水脫至3%以下。目前該平臺鍋爐運行情況良好。

3.案例二

(1)渤海某平臺鍋爐結(jié)垢情況

本案例中平臺投產(chǎn)時間晚于案例一平臺，為避免再次出現(xiàn)因原油含水率高而導(dǎo)致的結(jié)垢情況，該平臺首先采取措施降低原油的含水率，但是運行一段時間后，鍋爐效率仍出現(xiàn)了降低的情況，為此也對該平臺上立式熱采鍋爐開展了清灰工作。圖6為該平臺上鍋爐結(jié)焦物圖，結(jié)焦物為黑灰狀，未發(fā)現(xiàn)晶體存在，不溶于水，膠質(zhì)含量高。

圖6 渤海某平臺立式鍋爐結(jié)焦物

(2)渤海某平臺垢樣分析

對垢樣進(jìn)行XRD分析（圖7）分析，發(fā)現(xiàn)垢樣中無明顯結(jié)晶存在且其中碳元素含量達(dá)到40%（圖8），即結(jié)焦物中含有大量可燃物，初步判斷結(jié)垢是由于原油不完全燃燒導(dǎo)致。

圖7 渤海某平臺垢樣XRD分析結(jié)果

圖8 渤海某平臺垢樣元素分析

為進(jìn)一步確定原油不充分燃燒的原因，對原油元素進(jìn)行檢測，從表1（B34和B36為油井編號）可看出碳元素含量大于85%，氫元素含量大于11%，熱值較高，具有很好的燃燒性。

表1 渤海某平臺原油分析（原油元素分析）

為使得其充分燃燒，首先加大空氣供給提高空燃比，運行一段時間后發(fā)現(xiàn)結(jié)焦問題仍然存在。對煙氣含氧量進(jìn)行檢測，結(jié)果為9.2%～13.4%，而常規(guī)煙氣為2%～4%，因此判斷無法充分燃燒的原因主要出現(xiàn)在原油上，對原油組分進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其中膠質(zhì)含量高（表2）。同時對原油在不同溫度下的黏度進(jìn)行測定，該平臺原油供給溫度為86～96℃，表3中可看出，該溫度下原油黏度較高。

表2 渤海某平臺原油分析（脫水原油四組分分析）

表3 渤海某平臺原油分析（黏度分析）

綜上，該平臺原油不能充分燃燒是因為原油即使加熱到96℃，但仍然黏度高，膠質(zhì)含量高，常規(guī)的空氣+壓力不能充分霧化，在立式鍋爐緊湊爐膛也就無法實現(xiàn)原油充分燃燒，以致結(jié)焦。

(3)渤海某平臺結(jié)垢解決方案

解決原油燃燒不充分的問題，主要是解決原油黏度高的問題，可通過兩種方式：提高原油進(jìn)鍋爐溫度或者通過摻混輕質(zhì)油來實現(xiàn)。

①提高鍋爐油嘴進(jìn)口油溫。提高油溫可降低黏度，如表3所示，提高至140～150℃可顯著降低原油黏度，提高空氣霧化比。但是平臺2由于整個供油系統(tǒng)中各設(shè)備耐溫等級不匹配，無法承受140～150℃的高溫，且溫度提升，霧化壓力與油壓也需同步提升，平臺不具備改造條件，那么必須從鍋爐燃燒器及其系統(tǒng)解決。如提高噴嘴前的油溫、改善燃燒配風(fēng)、以及結(jié)合鍋爐本體設(shè)計適當(dāng)加大爐膛。

②混合輕質(zhì)油，通過混配器保證混合效果，加單向閥保證流向。本項目由于采出的均為稠油，因此加柴油進(jìn)行混配，通過調(diào)和得到適合本平臺鍋爐燃用的原油。

混合柴油后流程如圖9所示。

圖9 渤海某平臺立式鍋爐原油摻混柴油改造流程

通過混合柴油進(jìn)行鍋爐燃料油供給，解決了該平臺鍋爐的結(jié)焦問題，目前該平臺上鍋爐運行情況良好。

4.結(jié)論

通過對兩個案例中海上平臺上鍋爐結(jié)焦情況的分析，對海上平臺以原油/稠油為燃料的立式鍋爐避免結(jié)焦結(jié)垢提出以下建議：

（1）原油需盡量將水脫除，避免因含水量過高而導(dǎo)致鹽類結(jié)垢的產(chǎn)生。（2）對于稠油油田，在沒有稀油產(chǎn)出的情況下，通過摻混柴油來保證原油充分燃燒的方式盡管有效，但成本較高，鍋爐設(shè)計時，從溫度、壓力等物理降黏措施著手，保持不同原油均有良好的霧化燃燒條件，加強配風(fēng)和適當(dāng)加大爐膛溫度保證充分燃燒，以避免因原油燃燒不充分而導(dǎo)致的結(jié)焦結(jié)垢問題。