傳統(tǒng)水套式加熱爐溫度自控裝置的研制與應(yīng)用

付穎 （中國(guó)石油遼河油田公司金馬油田開(kāi)發(fā)公司）

傳統(tǒng)水套式加熱爐溫度自控裝置的研制與應(yīng)用

付穎 （中國(guó)石油遼河油田公司金馬油田開(kāi)發(fā)公司）

為了使傳統(tǒng)水套式加熱爐燃燒穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)油田加熱爐的高效運(yùn)行，節(jié)氣挖潛，針對(duì)海外河油田天然氣氣壓不穩(wěn)等問(wèn)題，進(jìn)行加熱爐溫度自控裝置的研究。通過(guò)以膨脹系數(shù)較高的特種導(dǎo)熱油作為內(nèi)部介質(zhì)，利用感溫器檢測(cè)溫度的變化，從而使其容積發(fā)生相應(yīng)變化，來(lái)調(diào)控彈簧閥門(mén)進(jìn)行燃料氣流量的控制，實(shí)現(xiàn)加熱爐的穩(wěn)定燃燒。在金馬海外河油田現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用后，加熱爐溫度控制在設(shè)定溫度±3℃以內(nèi)，加熱爐熱效率提高了8%，節(jié)氣效果明顯。

傳統(tǒng)水套式加熱爐；溫度自控裝置；介質(zhì)；測(cè)試；效率

引言

海外河油田屬于普通稠油區(qū)塊，1989年投入開(kāi)發(fā)，隨著油田開(kāi)發(fā)的深入，天然氣產(chǎn)量逐步下降，而需求量又逐步上升，在溫度、風(fēng)力、油井產(chǎn)液量等變化影響下，該區(qū)目前天然氣供不應(yīng)求且氣壓不穩(wěn)。

傳統(tǒng)的水套式加熱爐主要由水套、火筒、火嘴和加熱盤(pán)管等部分組成。其工作原理是首先由火筒煙管內(nèi)的煙氣對(duì)其周圍的水進(jìn)行加熱，然后熱水對(duì)盤(pán)管內(nèi)的介質(zhì)進(jìn)行水浴加熱，提升盤(pán)管內(nèi)介質(zhì)的溫度，以便外輸[1]。而老式的加熱爐火嘴自動(dòng)化程度低，需要人工根據(jù)經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)調(diào)節(jié)閥門(mén)控制火嘴的供氣量，來(lái)調(diào)整加熱介質(zhì)的出口溫度[2]。目前海外河油田加熱爐使用的氣源主要是油井自產(chǎn)的伴生氣，氣壓變化較大（0.05～0.2 MPa），而巡井制度規(guī)定每4h正常巡井1次（圖1）。這樣，經(jīng)常會(huì)因氣壓變化來(lái)不及調(diào)整，造成加熱爐爐火忽高忽低。爐火變大，就會(huì)使?fàn)t子內(nèi)部加熱溫度過(guò)高，導(dǎo)致原油易結(jié)焦，對(duì)加熱爐造成損害，同時(shí)也降低加熱爐運(yùn)行熱效率，浪費(fèi)燃料，嚴(yán)重了還會(huì)燒穿爐管引發(fā)安全事故；爐火變小，就會(huì)使?fàn)t子燃燒不充分，達(dá)不到規(guī)定溫度，輸油阻力大，造成外輸離心泵抽空等狀況發(fā)生，容易損壞外輸離心泵[3]。同時(shí)，爐火不穩(wěn)定還容易使?fàn)t子產(chǎn)生積炭，氣壓太小時(shí)爐火易熄滅；如果重新點(diǎn)爐火，容易發(fā)生閃爆。

圖1 海外河油田天然氣壓力變化

1 自動(dòng)溫度控制器

1.1結(jié)構(gòu)

選擇膨脹系數(shù)高的介質(zhì)，利用溫度造成的容積變化來(lái)調(diào)控彈簧閥門(mén)，開(kāi)大或關(guān)小閥門(mén)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)溫控（圖2）。

圖2 自動(dòng)溫度控制器結(jié)構(gòu)

1.2膨脹介質(zhì)

當(dāng)介質(zhì)通過(guò)感溫器感受到溫度變低時(shí)，介質(zhì)體積變小，在復(fù)位彈簧組的作用下，閥芯與閥體之間的天然氣流通面積變大，送氣量變大，加熱爐出口溫度回升；溫度升高時(shí)，盒內(nèi)的介質(zhì)體積變大，在復(fù)位彈簧組的作用下，閥芯與閥體之間的天然氣流通面積變小，送氣量變小，加熱爐出口溫度下降。設(shè)計(jì)出該裝置后，在材質(zhì)的選擇上，根據(jù)介質(zhì)的常熟性，制定了PDPC決策法，按照PDPC法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)（圖3）。

圖3 加熱爐溫度自動(dòng)控制在設(shè)定溫度PDPC過(guò)程決策圖

1）選用水銀作為介質(zhì)，經(jīng)過(guò)5次測(cè)試，受物性影響，水銀感應(yīng)太快，平均3 s即開(kāi)始調(diào)整，易對(duì)內(nèi)部機(jī)械裝置造成損傷；同時(shí)，調(diào)控次數(shù)多，對(duì)各部件損害較大，結(jié)論不成功。

2）選用酒精作為介質(zhì)，經(jīng)過(guò)5次測(cè)試，受物性影響，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，酒精的沸點(diǎn)為78℃；如果超過(guò)這個(gè)溫度，將會(huì)沸騰，結(jié)論不成功。

3）選用煤油作為介質(zhì)，經(jīng)過(guò)8次測(cè)試，受物性影響，煤油的比熱比水銀大得多，反應(yīng)不夠靈敏，僅僅適合于精度要求不高的場(chǎng)合，結(jié)論不成功。

4）選用導(dǎo)熱油作為介質(zhì)，導(dǎo)熱油溫、黏度系數(shù)小，抗氧化，揮發(fā)性小，對(duì)金屬無(wú)腐蝕，膨脹系數(shù)較大。經(jīng)過(guò)10次測(cè)試，感應(yīng)相對(duì)平緩，平均為10～12 s即開(kāi)始調(diào)整，適合生產(chǎn)需要。該裝置在海8#站的1臺(tái)已停用的計(jì)量加熱爐上進(jìn)行了試驗(yàn)，能保持爐子溫度控制在設(shè)定范圍之內(nèi)。結(jié)論成功，此方案可采用。

通過(guò)對(duì)上述4個(gè)方案進(jìn)行試驗(yàn)并對(duì)比分析證明，利用導(dǎo)熱油容積變化符合設(shè)計(jì)的目標(biāo)，達(dá)到自動(dòng)控溫的效果。

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

將溫度控制裝置尺寸設(shè)計(jì)如下：上座外徑76 mm，高130 mm；內(nèi)部介質(zhì)盒外徑55 mm，長(zhǎng)度20 mm；傳動(dòng)桿外徑7.5 mm，長(zhǎng)度55 mm；壓力彈簧材質(zhì)選擇彈性指數(shù)為114的62Si2MnA（優(yōu)質(zhì)62硅2錳）。

在海11#站600 kW加熱爐和海1#站960 kW加熱爐上安裝并進(jìn)行試驗(yàn)。設(shè)定加熱爐溫度控制在±5℃以內(nèi)，通過(guò)監(jiān)測(cè)，溫度能夠控制在設(shè)定溫度±3℃以內(nèi)（表1）。

表1 天然氣壓力與加熱爐出口溫度對(duì)比數(shù)據(jù)

從表1可以看出，氣壓在0.05～0.2 MPa之間無(wú)規(guī)律波動(dòng)，但溫度上下變化不超過(guò)3℃。由此可以認(rèn)定，在天然氣氣壓仍然波動(dòng)的情況下，實(shí)現(xiàn)加熱爐溫度控制在設(shè)定溫度的±3℃以內(nèi)，達(dá)到設(shè)定溫度控制在±5℃以內(nèi)的工作目標(biāo)。

同時(shí)，對(duì)海11#站50×104kcal加熱爐進(jìn)行了自動(dòng)穩(wěn)控裝置安裝前后正反平衡測(cè)試（表2）。通過(guò)熱工正反平衡測(cè)試計(jì)算，得出加熱爐應(yīng)用溫度自動(dòng)控制裝置后，平均正平衡熱效率提高了8%，節(jié)能率提高了17.1%。

3 經(jīng)濟(jì)效益

1）創(chuàng)效。實(shí)施后，2臺(tái)加熱爐節(jié)氣7.23× 104m3，按每立方米氣0.52元計(jì)算，年可節(jié)約成本3.8萬(wàn)元；減少了因天然氣壓力不穩(wěn)而造成的安全隱患和間接發(fā)生的修泵、爐成本費(fèi)用和人工費(fèi)用2萬(wàn)元，合計(jì)5.8萬(wàn)元。

2）投入費(fèi)用。按單套溫控器0.3萬(wàn)元計(jì)算，2臺(tái)投入資金0.6萬(wàn)元，試驗(yàn)費(fèi)用0.5萬(wàn)元，合計(jì)1.1萬(wàn)元。

3）年經(jīng)濟(jì)效益4.7萬(wàn)元。經(jīng)濟(jì)效益可由下式求得：

式中：E為經(jīng)濟(jì)效益，萬(wàn)元；Ni為節(jié)約i種成本的數(shù)量；Ci為第i種成本的定額，萬(wàn)元；I為投資，萬(wàn)元。

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.04.002

付穎，工程師，2000年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院（石油與天然氣開(kāi)采專業(yè)），從事質(zhì)量管理、標(biāo)準(zhǔn)化管理工作，E-mail：lhjmfy@sina. com，地址：遼寧省盤(pán)錦市興隆臺(tái)區(qū)金馬油田開(kāi)發(fā)公司技術(shù)監(jiān)督中心，124010。

中國(guó)石油天然氣股份有限公司重大科技專項(xiàng)“低碳關(guān)鍵技術(shù)研究”（2011E24）