油田注汽鍋爐爐管結垢預警模型設計與應用

劉穎鵬

[摘 要] 油田注汽鍋爐采用80℃～110 ℃凈化污水，在高礦化度下運行注汽鍋爐結垢加快、爆管幾率增加，對鍋爐爐管過早或過晚清洗均不利于鍋爐運行。通過預估結垢狀態估算爐管清洗時間，實時判斷鍋爐運行狀態，防止鍋爐爆管。監測鍋爐出口蒸汽壓力和溫度，利用IAPWS-IF97算法模型，計算工況下飽和蒸汽壓力所對應的理論飽和蒸汽溫度值，監測鍋爐運行過熱狀態。預警模型的建立，實現了鍋爐運行過熱度實時監測預警、爐管結垢程度實時檢測功能，為鍋爐過熱運行狀態監測及爐管清洗計劃提供了數據參考，保障了鍋爐的安全運行。

[關鍵詞] 過熱診斷；結垢分析；算法模型

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2017. 23. 084

[中圖分類號] TK223 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673 - 0194（2017）23- 0167- 02

1 引 言

油田注汽鍋爐用水為高礦化度油田凈化污水，現有工況條件下鍋爐污水結垢現象嚴重，鍋爐運行時爆管幾率增加，給設備和人員帶來嚴重安全隱患。

注汽鍋爐安全運行關系著油田生產的安全，在高礦化度下運行注汽鍋爐結垢、爆管幾率增加，鍋爐爐管結垢后過早或過晚清洗對鍋爐的損耗和工況運行都有影響，過早清洗會加快爐管壁厚的磨損，過晚清洗會降低鍋爐的熱效率，帶來能量的損失，甚至會造成鍋爐爆管現象。對注汽鍋爐進行爆管預警及過熱診斷，將對設備的安全運行和提高實際生產效率具有十分重要的作用。

2 注汽鍋爐過熱與結垢預警技術簡介

鍋爐爆管主要是由于爐管結垢或鍋爐處于過熱運行狀態導致爐管超溫運行造成爐管塑性變形或破裂，目前預警通過監測鍋爐輻射段入口、輻射段出口、對流段入口、對流段出口和鍋爐蒸汽出口的蒸汽壓力值，根據各段蒸汽壓力，結合鍋爐結構參數計算各段額定阻力降、總阻力降和結垢總阻力降，實時評估計算爐管結垢速率和清管周期以及鍋爐運行過熱狀態。

鍋爐爐管結垢預測技術，鍋爐爐管結垢產生的阻力導致給水泵出口壓力與鍋爐蒸汽出口壓力差值大于注汽鍋爐在額定工況下運行時的壓力差值。通過監測鍋爐進出口壓力差與額定工況下鍋爐水摩擦阻力計算出鍋爐結垢阻力，通過結垢阻力推算鍋爐結垢狀態，估算爐管清洗周期。

鍋爐運行過熱狀態識別技術，注汽鍋爐實際蒸汽溫度與理論飽和蒸汽溫度的差值稱為“過熱度”，當水處于濕蒸汽區時，壓力、溫度等狀態參數有單一函數關系，通過測量和分析之間的關系，判斷鍋爐運行狀態（未飽和、安全運行、高干度運行、過熱）。

3 過熱與結垢診斷算法模型設計及應用

3.1 過熱診斷算法模型

實際蒸汽溫度由測溫儀表實測得到，飽和蒸汽溫度則由實測工況蒸汽壓力計算得出。

注汽鍋爐的過熱度是一個間接測量量，其計算公式如下：

過熱度=實際蒸汽溫度-飽和蒸汽溫度+不確定度

當過熱度小于“0”時，鍋爐爐管內的介質為欠飽和狀態；當過熱度等于“0”時，鍋爐爐管內的介質處于飽和狀態，即為飽和濕蒸汽；當過熱度大于“0”時，鍋爐爐管內的介質處于過飽和狀態，即為干蒸汽，此時鍋爐過熱。通過“過熱度”的監測即可監控注汽鍋爐是否處于過熱狀態。

水和蒸汽是注汽鍋爐的介質，對飽和蒸汽溫度計算時，要使用水和蒸汽的物理性質包括熱力學性質（溫度、壓力、比焓、比容，比定壓熱容）和遷移性質（動力粘度、導熱系數、普朗特數）。水和蒸汽物理性質計算的準確性和可靠性直接關系到注汽鍋爐的設計、使用及安全性等一系列問題。因此，準確計算水和水蒸汽的物理性質是飽和蒸汽溫度計算成功的依據。IAPWS-IF97將整個有效范圍劃分成5個區：1區為過冷水區，2區為過熱蒸汽，3區為臨界水區和汽區，4區為飽和區，5區為高溫區。由于注汽鍋爐的熱力計算中用不到第5區，所以只計算1-4區的水和蒸汽熱力學性質即可。

3.2 結垢診斷算法模型

注汽鍋爐在額定工況下的阻力降處在一定的范圍內。當爐管結垢后，阻力降開始上升，系統總阻力降計算如下：

總阻力=額定阻力+結垢阻力

總阻力降為給水泵出口壓力與鍋爐蒸汽出口壓力之差值，監測泵出口壓力和蒸汽出口壓力即可實時獲取此參數，額定阻力降可通過對鍋爐水阻力計算得出，之后根據公式即可計算得到結垢阻力降，再通過結垢阻力降與結垢狀態的關系計算清洗爐管的周期。

鍋爐爐管結垢產生的阻力導致給水泵出口壓力與鍋爐蒸汽出口壓力差值大于注汽鍋爐在額定工況下運行時的壓力差值。通過監測鍋爐進出口壓力差與額定工況下鍋爐水摩擦阻力計算出鍋爐結垢阻力，通過結垢阻力推算鍋爐結垢狀態，估算爐管清洗周期。

3.3 監控系統預警功能開發

將鍋爐運行參數接入作業區中控室現有SCADA系統，實現鍋爐原有功能與新增功能集中監控與管理。開發一套鍋爐爆管診斷與過熱運行監測預警軟件程序，在作業區辦公系統上實現鍋爐爆管診斷與過熱運行監測預警設備全部功能。

監控系統采用先進的HMI/SCADA自動化監控組態軟件IFIX，內嵌VBA程序設計語言。預警功能采用IFIX VBA程序開發，運用WinSock控件與現場控制器通信。WinSock控件是用來創建客戶端與服務器應用程序，WinSock控件與遠程設備建立連接，通過傳輸控制協議（TCP）進行數據交互。

3.4 應用效果

根據鍋爐結垢狀況制定合理的爐管清洗計劃，避免過多清洗造成爐管壽命縮短，具有一定的經濟效益。確立濕蒸汽鍋爐爆管預警關鍵監控參數，創建爆管預警監測方法。構建濕蒸汽鍋爐爐管結垢情況評估方法，實現鍋爐爐管結垢狀況實時預測、實時報警，集中監控；實現濕蒸汽鍋爐運行狀態實時跟蹤與直觀展示，直觀觀察蒸汽運行狀態，過熱時記錄過熱度值并及時報警；實現鍋爐運行過熱度實時監測預警、爐管結垢程度實時檢測等功能，為鍋爐過熱運行狀態監測及爐管清洗計劃提供了數據參考。

選取1臺鍋爐9月10日與11月11日運行數據進行比對分析：運行兩個月鍋爐入口壓力變化不大，出口蒸汽壓力明顯降低，結垢阻力降上升0.75 MPa，預估爐管清洗周期由原有的501天降至360天。結垢阻力降未增加至評估報警限值（1.9 MPa），系統未產生結垢爆管預警。

實施改造的20臺濕蒸汽鍋爐實現了爐管結垢實時診斷、過熱運行實時監測的功能，初步具備了鍋爐爆管預警能力。

4 結 論

改造后的鍋爐實現蒸汽溫度、過熱度、結垢阻力降實時監測、報警功能，實現清洗爐管時間實時預測，為鍋爐結垢預警、過熱運行狀態監測及爐管清洗計劃提供數據參考。濕蒸汽鍋爐過熱運行診斷與爐管結垢預警技術的研究與運用，實現了鍋爐運行過熱度實時監測預警、爐管結垢程度實時檢測等功能，為鍋爐過熱運行狀態監測及爐管清洗計劃提供了數據參考。實現中控室集中監控，現場故障巡檢管理，保障了鍋爐的安全運行。

主要參考文獻

[1]馬延彪，廖俊宇，潘華東.鍋爐過熱段爐管結垢原因分析及預防對策[J].化工設計，2016（26）：20-22.

[2]陳保東，申龍涉，晏永飛.采油注汽鍋爐的爆管預警和運行控制的方法及裝置[P].CN 101440703A，2009-05-27.

[3]王文，徐汀榮，邵偉峰.工控系統中實時數據庫關鍵技術研究與實現[J].微電子學與計算機，2007，24（1）.

[4]張亮，申龍涉，徐建普，等.結垢所導致的鍋爐爆管分析[J].當代化工，2011，40（1）：77-79.

[5]張言.鍋爐結垢原因分析[J]，學術縱橫，2013（7）.

[6]馮軍偉.油田注汽鍋爐爆管原因分析及預防措施[J].石油機械，1999，27（11）：26-27.endprint