相變加熱爐的應用

武喜懷

（長慶油田公司第九采油廠，寧夏　銀川　750001）

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相變加熱爐的應用

武喜懷

（長慶油田公司第九采油廠，寧夏銀川750001）

從長慶油田第九采油廠在用的15臺相變加熱爐的結構與工作原理入手，對運行中存在的故障進行分析，總結了排除方法，提出了在選型和運行中應注意的問題。

相變加熱爐；故障；節能減排

相變加熱爐是近年來根據相變傳熱學原理、將加熱爐技術與熱管技術相結合而創新發展起來的新一代高效、低壓油田用新型爐類間接加熱設備。

長慶油田第九采油廠自2008年底以來，已投用了15臺相變加熱爐，其中整體式真空相變加熱爐5臺，分體式相變加熱爐10臺。

一、相變加熱爐的結構與工作原理

1.相變加熱爐的結構（圖1）。

圖1　整體式真空相變加熱爐的結構圖

2.相變加熱爐的工作原理。

加熱爐采用相變換熱技術，通過燃料在爐膛內燃燒，鍋殼內的中間介質水受熱沸騰，在負壓至微正壓狀態下，由液相產生的飽和蒸汽上升到相變換熱空間，與低于飽和溫度的換熱盤管接觸，凝結放出相變熱，將熱量通過換熱盤管傳遞給管內的被加熱工質，如此蒸發→冷凝→再蒸發→再冷凝的循環往復，完成相變換熱過程。

在工程上，一般將整體式微壓相變加熱爐稱作真空加熱爐，將分體式微壓相變加熱爐稱作分體式相變加熱爐。

3.相變加熱爐的特點。

相變加熱爐的特點：（1）安全。加熱爐采用相變換熱技術，額定工作壓力通常在-0.20～0.04MPa的負壓與微正壓之間，無容器爆炸危險；（2）可靠。爐內液位處于煙管和盤管之間，在密閉狀態下循環，加的是軟化水，筒內壁無氧腐蝕和結垢現象。爐內其它部件無裂紋、鼓包、腐蝕、爆管等問題，設備使用壽命長；（3）節能效果好，熱效率高。采用沸騰和冷凝兩種傳熱方式，熱效率可達到90%；（4）單位體積功率大。體積小、重量輕；（5）自動化程度高。系統操作可手動及遠程自動控制。

二、主要故障和排除方法

1.原油加熱出口溫度達不到要求。

10臺相變加熱爐原設計燃用油井伴生氣。冬季普遍出現混合油一次盤管出口溫度達不到要求，沉降脫水不徹底、外輸含水高，要打站內循環。

原因：超低滲透油藏開發的侏羅系油藏氣油比相對較低,原油含水高,伴生氣不穩定，冬季伴生氣量少，燃燒器供氣壓力低；供氣管線冬季凍堵。

解決方法：（1）為其供氣的站點安裝了4臺伴生氣壓縮機；（2）在供氣管線最低端加裝了壓力缸，增加排液次數；（3）10臺加熱爐全部更換為油氣兩用自動燃燒器，冬季伴生氣不夠用時，燃油作為備用。

2.進出口壓差大、換熱效果差。

姬三聯1號加熱爐2012年1月出現混合油盤管進出口壓差大的現象，換熱效果差，系統回壓高。拆檢總機關和換熱器盤管法蘭，發現管內結垢和積渣嚴重，化驗為鋇鍶垢，垢樣不溶于酸，清理困難，吹掃了換熱器盤管后，效果不明顯。

原因：（1）混合油流速低、加熱后垢渣沉積；（2）原油中的結垢物質含量高，不同層系原油混進，不配伍，起化學反應，產生堵塞性鋇鍶垢。

解決方法：（1）更換總機關，清理過濾器；（2）更換了新換熱器；（3）分層系進油。對不配伍層系的混合油，就地脫水后再進流程。

3.加熱爐氣化，爐體內缺水。

原因：因卸油臺不能連續卸油，造成進加熱爐的液量和負荷不穩定，生產波動較大。當進液量大、含水高時，脫水溫度上不去，加熱爐經常在大負荷工況下工作，加熱爐蒸汽溫度上限調整較高。當進液流量減少或不走液時，易造成加熱爐高溫，鍋水氣化，真空閥動作，蒸汽外泄。

解決方法：（1）監控卸油量，及時根據進液量調低停機蒸汽溫度；（2）加強巡回檢查，發現溫度偏高，立即手動停爐；（3）及時檢修和校驗真空閥的密封性；（4）及時補水，保持水位在規定的液位內，防止事故擴大。

4.煙囪根部流水、腐蝕。

原因：（1）加熱爐效率高，排煙溫度低，伴生氣燃燒后，在冬季易冷凝，在煙囪中產生大量的冷凝水，順煙囪內壁流到煙囪底部，造成筒壁腐蝕；（2）若伴生氣燃料中含有硫化氫氣體，則腐蝕更加嚴重；（3）自動控制失靈，不能根據生產負荷（進液量）自動調整燃燒器的大小火連續運行。

解決方法：（1）煙囪外壁做保溫；（2）降低煙囪高度；（3）檢修自動控制系統，燃燒器能根據進液量的多少自動調整燃燒器的大小火，保證加熱爐連續運行，不能頻繁啟停。

5.煙筒冒黑煙，爐效降低。

原因：由于相變加熱爐爐效高，排煙速度慢。若煙囪較低，燃油燃燒器過剩空氣系數小，則燃料燃燒不充分，灰分和煙塵易吸附在煙管的管壁上，堵塞煙管。

解決方法：（1）每年夏季檢修時，打開煙箱前蓋清理煙管。然后關閉煙箱，啟動燃燒器對煙管進行吹掃；（2）調大燃燒器的進風量。

6.換熱器盤管進出油管線振動。

原因：因卸油臺的流程直接連在加熱爐混合油盤管上進油，運行時距離太短，排量過大，對加熱爐盤管的沖擊大，易振開焊口，損壞加熱爐。

解決方法：將卸油臺的流程改連在總機關上再進加熱爐。

7.真空度無法保持。

原因：真空閥和放氣閥關閉不嚴、蒸發器與換熱器連通的金屬軟管泄漏、爆破膜破損、管路密封不嚴。

解決方法：檢修真空閥和放氣閥、更換金屬軟管和爆破膜，檢查管路密封性。

8.燃氣管路故障。

原因：加熱爐自動燃燒器要求使用干氣，但油田現場使用的是油井伴生氣，未經過凈化處理，特別是冬天，壓力低，不穩定，脫水不徹底，雜質含量高，易造成燃氣過濾器堵塞、調壓閥失靈、管路凍堵、燃燒器電磁閥損壞、點不著火等現象。

解決方法：（1）定期對伴生氣管線壓力缸放空清理確保氣管線暢通不凍堵；（2）縮短清洗燃氣過濾器的時間；（3）吳四聯3臺加熱爐加裝了伴生氣簡易分離器定期排污和脫水。

9.燃燒器大小火無法轉換，不能自動點火，沒有大火或沒有小火。

原因：燃燒器長期處在高溫狀態，且使用未經處理的濕氣，雜質多，含水高，電磁閥易損壞，保養不當是造成燃燒器故障的主要原因。燃油時齒輪油泵易卡死，預熱器不加熱也是原因之一。

解決方法：每年4月和10月設備換季保養時，請專業人員對燃燒器進行一次維修。重點檢查：（1）燃燒頭、穩焰盤、探針在長期高溫條件下工作是否有燒損，點火管是否有被濕氣腐蝕現象；（2）高壓接頭是否有漏電現象；（3）點火電極和點火變壓器是否可以產生電弧；（4）電機是否有異常響動、軸承磨損情況（5）電磁閥是否有被污垢堵塞情況。

凈化原油含水高、雜質多是造成燃油燃燒器齒輪油泵損壞的主要原因。

10.控制面板上停爐溫度和啟爐溫度設置不合理，加熱爐啟動頻繁。

原因：姬三聯2臺分體式相變加熱爐啟爐和停爐溫度設置過低，鍋水未達到氣化溫度，造成熱效率低，加熱效果差。

吳三聯2臺分體式相變加熱爐啟動和停爐溫度設置太接近，造成加熱爐啟動頻繁。

解決方法：加強操作人員的技術培訓，嚴格落實設備操作規程，達到“四懂三會”的要求。按照設備說明書的要求，正確設置啟、停溫度，實現連續運行。

三、安裝和使用中應注意的事項

1.排氣操作。

在運行過程中最重要的是排除鍋內的不凝結氣體。

（1）打開放空閥和補水閥，加水至水位計中間水位以上50mm處后，關閉放空閥和補水閥；（2）關閉三組換熱盤管的進、出口閥門；（3）將停爐溫度設定在110℃、停機壓力設定在0.05MPa；（4）在自動小火狀態下啟動燃燒器；（5）當有大量蒸汽從真空閥溢出，約5～8min后，迅速打開盤管的進出口閥門，使真空閥快速復位。以建立鍋筒內的真空度，保證在負壓至微正壓狀態下運行；（6）調整設置參數至正常值。

為了獲得較好的換熱效果，每運行一段時間，應重復一次排氣操作。

2.密封性檢查。

要定期檢查加熱爐的密封性。

3.水位檢查。

水位要控制在中間線±50mm范圍內。不允許水位低于下線。當水位低于下線時，要立即補水，一次補水至上線。

4.鍋筒用軟化水要合格。

相變加熱爐雖然對鍋水品質的適應性較強，但還應集中配套水處理設備，加入的鍋水和補水的水質應符合GB1576-2001《低壓鍋爐水質標準》的要求，硬度要≤0.6mmol/L、pH≥7,不能使用生水或處理不合格的水，并每季度檢測一次水質，以延長設備的使用壽命。

5.要做好管線的保溫。

與爐體連接的補水管線、水位計管線和排污管線冬天易凍，要做好保溫。

6.爐膛要保持微正壓燃燒。

燃料過剩空氣系數控制在1.1～1.2之間，以增多空氣的吸入量，提高燃燒效率。

7.自動運行時，可適當調低上限停機溫度，減小燃燒器的出力，以達到不停機或極少停機的連續運行狀態。

8.每月要活動防爆門，以防粘接，失去防爆作用。

9.補水管路上必須安裝止回閥、水過濾器和截止閥。

10.停爐后，若盤管不修理，可不關進出口閘門，以防管內存油凝結。

11.新加熱爐投用前應打開人孔，按每立方米水2～3kg量，用磷酸三鈉煮爐4h，再用清水沖洗鍋筒。

12.要根據進液量和含水，及時調整鍋筒內蒸汽的上、下限設定溫度，以控制工質（原油）的加熱溫度。鍋筒內溫度的設置優先于負荷（盤管加熱工質）溫度的設置。

四、選型、設計時應注意的問題

1.從結構上考慮選型時，應首先選擇分體式相變加熱爐。

2.按負荷選型時，負荷≤600kW，宜選擇常壓臥式加熱爐；600kW≤負荷＜1250kW，應選擇整體式真空加熱爐；1250kW≤負荷，應選擇分體式相變加熱爐。

3.為了提高熱效率，分體式相變加熱爐煙管應采用三回程式結構，煙囪在后部位置。整體式真空加熱爐應采用兩回程式結構，煙囪在前側位置。

4.訂貨時，分體式相變加熱爐應要求換熱器盤管為可抽出式，以法蘭與換熱器殼體形成可拆卸式連接，以保證換熱盤管維護和更換方便。

5.換熱器頂部應設計安裝真空閥和爆破膜雙安全措施，以防真空閥閥芯卡死后，鍋筒超壓造成事故。

6.燃料為伴生氣時，應設計和安裝簡易的濕氣加熱、脫水和分離（器）裝置，以防燃燒器電磁閥因濕氣銹蝕、卡死。

7.換熱盤管結垢是相變加熱爐的主要失效形式。要根據換熱盤管內被加熱工質的結垢傾向，配套設計和安裝電磁等防垢器，以延長換熱盤管的使用壽命。

8.在北方使用時，冬季氣溫低，排煙溫度低，易冷凝，煙囪外壁要設計保溫。

9.防爆門應設計在爐體的下部，不應設計在前部和后部，以防造成人身傷害。

五、結語

相變加熱爐運行安全、可靠、節能，并具有體積小、升溫快、熱效率高、能高低，節能效果好、自動化程度高的特點，不但可替代傳統的筒式加熱爐和管式加熱爐，還可應用于對在用的常壓臥式水套加熱爐進行節能技術改造，具有較好的經濟效益和社會效益。

參考資料：

[1]GB/T21435-2009.相變加熱爐.北京：中國標準出版社，2008.

[2]陳學俊，陳聽款.鍋爐原理（第二版）[M].北京：機械工業出版社，1991.

[3]鄧壽祿，王貴生.油田加熱爐[M].北京：中國石化出版社，2011.

[4]張志英，陳國巖.相變換熱熱水鍋爐[J].工業鍋爐，2005（5）.

（三等獎獲獎征文）

TK175

B

1671-0711（2015）06-0060-03