一種自動除垢式加熱爐節能效果分析

孫金鳳 畢航銘 王巖

（1.大慶油田工程有限公司；2.東北石油大學石油工程學院；3.大慶油田有限責任公司第三采油廠）

在油田加熱爐使用過程中，采出液中的鈣、鎂離子（Ca2+、Mg2+）及聚合物等驅油用化學劑就會沉積、黏結在加熱爐的煙火管表面上形成垢質或淤積物，既降低了加熱爐的效率，又增加了天然氣的消耗，節能效果變差。當壁溫超過其材料的溫度極限時，受熱金屬就會氧化、變形、穿孔，加熱爐維修頻率增加，既影響生產，又增加運行成本。

針對上述聚驅采出液加熱過程中的加熱爐結垢嚴重問題，現場應用了一臺自動除垢式加熱爐，該加熱爐于2011年4月在薩北51 號站投產使用，經現場應用后證實其節能效果良好。

1 技術原理

自動除垢式加熱爐分為熱源部分和換熱體部分，兩者之間通過載熱體完成熱量的交換，具體結構見圖1。

載熱體沉浸在煙火管中，并高于煙火管最高點50～100 mm。熱源部分采用天然氣作為燃料，通過燃燒器燃燒產生熱量使煙火管外的載熱體沸騰汽化，水蒸氣通過連接管道與換熱體內的低溫介質充分換熱，釋放大量汽化潛熱，變成冷凝液回流到熱源體內繼續被加熱，反復循環，完成載熱體與被加熱介質的熱交換過程。

1.1 優質高效加熱爐熱源

1.1.1 通過熱源結構優化，增大換熱面積

加熱爐熱源部分采用單火筒多根細煙管結構，可以有效增大煙管的換熱面積，將火管尺寸縮小，換熱面積增大可以有效地提高加熱爐爐效，提高節能效果。

1.1.2 增加熱管數量，提高加熱爐傳熱效率

為了進一步提高節能效果，熱源體的火筒上安裝70 余根熱管。當熱管受熱后，將熱量傳遞到熱管的放熱端，達到對載熱體快速升溫的目的。在熱源體的火筒上安裝熱管后，一方面能夠增加加熱爐換熱面積，提高加熱速度，進而增大加熱爐的熱效率，提高節能效果；另一方面減小了火筒的熱負荷，使火筒由傳統的層面對流改為表面層流傳熱加上徑向立體傳熱，防止加熱爐火筒由于局部過熱而鼓包、裂紋、氧化穿孔，延長了加熱爐的使用壽命，有效地節省了維修費用。

1.2 換熱體有效除垢

1）換熱體內換熱器采用圓盤式設計以方便清垢，提高加熱爐運行熱效率，增大節能效果。考慮真空爐換熱管束內容易結垢而不易清理的弊端，通過將被加熱介質設計在管程外，載熱體流經的管程改為圓盤式換熱器以方便清垢。換熱體有13 個平板式換熱器豎向串聯分布，載熱體通過連接管道由換熱體上部進入圓平板換熱器的管程內，再與被加熱介質充分換熱后，冷凝液通過連接管道由換熱體的下部回流到熱源體內，往復循環完成熱量交換的工作。被加熱介質通過管道泵進入換熱體的下部，實現載熱體與被加熱介質的逆流充分換熱。

圓盤式換熱器由上下兩塊鋼板焊接而成，中間上面有多個均勻分布的圓形通孔，方便被加熱介質向上流動的同時增大換熱面積。平板間設置拉撐桿和多種異形折流板，既增加了換熱體的結構強度和剛度，承受足夠的內外壓，又可改變蒸汽的流向，提高載熱體與被加熱介質的換熱效果。上述設計可有效地增大換熱面積，提高換熱系數，增大節能效果。加熱爐換熱體結構見圖2。

圖1 自動除垢式加熱爐示意圖

圖2 自動除垢式加熱爐換熱體結構示意圖

2）換熱體中安設自動除垢裝置及時清垢。自動除垢裝置由減速機、傳動軸、清垢鋼刷等主要部件組成。在圓平板換熱體中心設置傳動軸，傳動軸上安裝清垢鋼刷，減速機帶動固定在動力軸上的多組清垢鋼刷，隨時或間歇的以360°全周轉動或180°半周往復轉動的方式在每個換熱體的上下換熱面上清掃，隨時清除將要結在換熱面上的污垢，提高換熱系數，提高加熱爐的節能效果。

2 現場應用

2010年8月，開始設計、制造自動除垢式加熱爐；2010年11月，在采油三廠薩北51 號站安裝，主要用作摻水爐。在運行期間，設定自動除垢裝置運轉4 次/d，2 min/次。該加熱爐自2011年4月投產運行至今，其節能效果良好。

運行近3 個月的自動除垢式加熱爐運行情況如表1 所示。

表1 自動除垢式加熱爐現場運行情況

由表1 可知，在被加熱物質入口溫度為39.4 ℃，流量為36 m3/h 的情況下，在1 個多小時的時間里可以將加熱爐加熱到70 ℃，基本可以滿足油田生產需求。

在裝置運行4、18 個月時，兩次打開換熱器上部人孔檢查換熱體，在未經自動除垢器除垢的部位如接管表面等結垢嚴重，經自動除垢器除垢的部位光滑，未發現結垢現象。

自動除垢式加熱爐運行1年后，經中國石油天然氣集團公司節能監測評價中心測試，測試結果如下：排煙溫度為119 ℃；過剩空氣系數為1.4；排煙處三原子含量為12.8%；排煙處過剩氧氣含量為6.2%；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%；加熱爐爐體外表溫度為41.5℃（表2）。目前薩北油田二合一加熱爐平均熱效率約為80.93%，相較之下自動除垢式加熱爐效率高出4.75%，以加熱爐耗氣量為200 m3/h、年運行300 天計算，單臺加熱爐每年可節省的燃氣量為6.84×104m3；自動除垢裝置功率為4.0 kW，經計算每年耗電為160 kWh。綜合計算單臺加熱爐每年可節省91 t 標煤。

表2 自動除垢式加熱爐爐效檢測數據

自動除垢式加熱爐可按照設定指令進行自動除垢，減緩了換熱面介質側結垢速度，大大延長了加熱裝置的整體使用壽命，預計每年可節約加熱爐維護修理費用5 萬元。

自動除垢式加熱爐的熱源和換熱體分開獨立設計，載熱體與被加熱介質采用間接換熱的加熱方式，不會出現因普通火筒爐的煙火管穿孔引燃被加熱介質的現象，可以有效地減少不必要的損失；并且一個熱源可同時給多個換熱體加熱，可以有效地減少初期建設投資。

3 認識及建議

1）通過設計有效地增大了自動除垢式加熱爐換熱面積，而安設自動除垢裝置及時除垢后，增大了運行時換熱系數，致使加熱爐爐效提高了4.75%。按單臺加熱爐計算，每年可節省91t 標煤。

2）自動除垢式加熱爐可按照設定指令進行自動除垢，減緩了換熱面介質側結垢速度，大大延長了加熱裝置的整體使用壽命，預計每年可節約加熱爐維護修理費用5 萬元。