一種自動(dòng)除垢式加熱爐節(jié)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(xué)石油工程學(xué)院；3.大慶油田有限責(zé)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(qū)油用化學(xué)劑就會(huì)沉積、黏結(jié)在加熱爐的煙火管表面上形成垢質(zhì)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(jié)能效果變差。當(dāng)壁溫超過其材料的溫度極限時(shí)，受熱金屬就會(huì)氧化、變形、穿孔，加熱爐維修頻率增加，既影響生產(chǎn)，又增加運(yùn)行成本。

針對(duì)上述聚驅(qū)采出液加熱過程中的加熱爐結(jié)垢嚴(yán)重問題，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用了一臺(tái)自動(dòng)除垢式加熱爐，該加熱爐于2011年4月在薩北51 號(hào)站投產(chǎn)使用，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后證實(shí)其節(jié)能效果良好。

1 技術(shù)原理

自動(dòng)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(jié)構(gòu)見圖1。

載熱體沉浸在煙火管中，并高于煙火管最高點(diǎn)50～100 mm。熱源部分采用天然氣作為燃料，通過燃燒器燃燒產(chǎn)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(nèi)的低溫介質(zhì)充分換熱，釋放大量汽化潛熱，變成冷凝液回流到熱源體內(nèi)繼續(xù)被加熱，反復(fù)循環(huán)，完成載熱體與被加熱介質(zhì)的熱交換過程。

1.1 優(yōu)質(zhì)高效加熱爐熱源

1.1.1 通過熱源結(jié)構(gòu)優(yōu)化，增大換熱面積

加熱爐熱源部分采用單火筒多根細(xì)煙管結(jié)構(gòu)，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(jié)能效果。

1.1.2 增加熱管數(shù)量，提高加熱爐傳熱效率

為了進(jìn)一步提高節(jié)能效果，熱源體的火筒上安裝70 余根熱管。當(dāng)熱管受熱后，將熱量傳遞到熱管的放熱端，達(dá)到對(duì)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(jìn)而增大加熱爐的熱效率，提高節(jié)能效果；另一方面減小了火筒的熱負(fù)荷，使火筒由傳統(tǒng)的層面對(duì)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(zhǎng)了加熱爐的使用壽命，有效地節(jié)省了維修費(fèi)用。

1.2 換熱體有效除垢

1）換熱體內(nèi)換熱器采用圓盤式設(shè)計(jì)以方便清垢，提高加熱爐運(yùn)行熱效率，增大節(jié)能效果?？紤]真空爐換熱管束內(nèi)容易結(jié)垢而不易清理的弊端，通過將被加熱介質(zhì)設(shè)計(jì)在管程外，載熱體流經(jīng)的管程改為圓盤式換熱器以方便清垢。換熱體有13 個(gè)平板式換熱器豎向串聯(lián)分布，載熱體通過連接管道由換熱體上部進(jìn)入圓平板換熱器的管程內(nèi)，再與被加熱介質(zhì)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(nèi)，往復(fù)循環(huán)完成熱量交換的工作。被加熱介質(zhì)通過管道泵進(jìn)入換熱體的下部，實(shí)現(xiàn)載熱體與被加熱介質(zhì)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(gè)均勻分布的圓形通孔，方便被加熱介質(zhì)向上流動(dòng)的同時(shí)增大換熱面積。平板間設(shè)置拉撐桿和多種異形折流板，既增加了換熱體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度，承受足夠的內(nèi)外壓，又可改變蒸汽的流向，提高載熱體與被加熱介質(zhì)的換熱效果。上述設(shè)計(jì)可有效地增大換熱面積，提高換熱系數(shù)，增大節(jié)能效果。加熱爐換熱體結(jié)構(gòu)見圖2。

圖1 自動(dòng)除垢式加熱爐示意圖

圖2 自動(dòng)除垢式加熱爐換熱體結(jié)構(gòu)示意圖

2）換熱體中安設(shè)自動(dòng)除垢裝置及時(shí)清垢。自動(dòng)除垢裝置由減速機(jī)、傳動(dòng)軸、清垢鋼刷等主要部件組成。在圓平板換熱體中心設(shè)置傳動(dòng)軸，傳動(dòng)軸上安裝清垢鋼刷，減速機(jī)帶動(dòng)固定在動(dòng)力軸上的多組清垢鋼刷，隨時(shí)或間歇的以360°全周轉(zhuǎn)動(dòng)或180°半周往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)的方式在每個(gè)換熱體的上下?lián)Q熱面上清掃，隨時(shí)清除將要結(jié)在換熱面上的污垢，提高換熱系數(shù)，提高加熱爐的節(jié)能效果。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2010年8月，開始設(shè)計(jì)、制造自動(dòng)除垢式加熱爐；2010年11月，在采油三廠薩北51 號(hào)站安裝，主要用作摻水爐。在運(yùn)行期間，設(shè)定自動(dòng)除垢裝置運(yùn)轉(zhuǎn)4 次/d，2 min/次。該加熱爐自2011年4月投產(chǎn)運(yùn)行至今，其節(jié)能效果良好。

運(yùn)行近3 個(gè)月的自動(dòng)除垢式加熱爐運(yùn)行情況如表1 所示。

表1 自動(dòng)除垢式加熱爐現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況

由表1 可知，在被加熱物質(zhì)入口溫度為39.4 ℃，流量為36 m3/h 的情況下，在1 個(gè)多小時(shí)的時(shí)間里可以將加熱爐加熱到70 ℃，基本可以滿足油田生產(chǎn)需求。

在裝置運(yùn)行4、18 個(gè)月時(shí)，兩次打開換熱器上部人孔檢查換熱體，在未經(jīng)自動(dòng)除垢器除垢的部位如接管表面等結(jié)垢嚴(yán)重，經(jīng)自動(dòng)除垢器除垢的部位光滑，未發(fā)現(xiàn)結(jié)垢現(xiàn)象。

自動(dòng)除垢式加熱爐運(yùn)行1年后，經(jīng)中國石油天然氣集團(tuán)公司節(jié)能監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)中心測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如下：排煙溫度為119 ℃；過剩空氣系數(shù)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(dòng)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(yùn)行300 天計(jì)算，單臺(tái)加熱爐每年可節(jié)省的燃?xì)饬繛?.84×104m3；自動(dòng)除垢裝置功率為4.0 kW，經(jīng)計(jì)算每年耗電為160 kWh。綜合計(jì)算單臺(tái)加熱爐每年可節(jié)省91 t 標(biāo)煤。

表2 自動(dòng)除垢式加熱爐爐效檢測(cè)數(shù)據(jù)

自動(dòng)除垢式加熱爐可按照設(shè)定指令進(jìn)行自動(dòng)除垢，減緩了換熱面介質(zhì)側(cè)結(jié)垢速度，大大延長(zhǎng)了加熱裝置的整體使用壽命，預(yù)計(jì)每年可節(jié)約加熱爐維護(hù)修理費(fèi)用5 萬元。

自動(dòng)除垢式加熱爐的熱源和換熱體分開獨(dú)立設(shè)計(jì)，載熱體與被加熱介質(zhì)采用間接換熱的加熱方式，不會(huì)出現(xiàn)因普通火筒爐的煙火管穿孔引燃被加熱介質(zhì)的現(xiàn)象，可以有效地減少不必要的損失；并且一個(gè)熱源可同時(shí)給多個(gè)換熱體加熱，可以有效地減少初期建設(shè)投資。

3 認(rèn)識(shí)及建議

1）通過設(shè)計(jì)有效地增大了自動(dòng)除垢式加熱爐換熱面積，而安設(shè)自動(dòng)除垢裝置及時(shí)除垢后，增大了運(yùn)行時(shí)換熱系數(shù)，致使加熱爐爐效提高了4.75%。按單臺(tái)加熱爐計(jì)算，每年可節(jié)省91t 標(biāo)煤。

2）自動(dòng)除垢式加熱爐可按照設(shè)定指令進(jìn)行自動(dòng)除垢，減緩了換熱面介質(zhì)側(cè)結(jié)垢速度，大大延長(zhǎng)了加熱裝置的整體使用壽命，預(yù)計(jì)每年可節(jié)約加熱爐維護(hù)修理費(fèi)用5 萬元。