燃料氣含水高對熱介質(zhì)鍋爐的影響及處理

趙 威，張 寧，周 勇，姜文卓，鮑 倩

（中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司，天津 300452）

0 引言

渤海某油田FPSO（Floating Production Storage and Offloading，海上浮式生產(chǎn)儲油船）熱介質(zhì)系統(tǒng)由熱介質(zhì)鍋爐、小循環(huán)泵、膨脹罐、大循環(huán)泵、熱介質(zhì)換熱器、熱介質(zhì)油管線以及壓力平衡閥等組成[1]。其中熱介質(zhì)鍋爐可以分別采用原油、柴油和天然氣以及混合燃料為燃料。目前由于FPSO 沒有天然氣的存儲和外輸設(shè)備，多余的伴生氣將無法回收利用，因此FPSO 使用天然氣作為熱介質(zhì)鍋爐的主燃料。

熱介質(zhì)鍋爐是海上原油生產(chǎn)設(shè)施中的關(guān)鍵設(shè)備之一，熱介質(zhì)油的可利用熱量將決定被處理原油的換熱效果，而熱油的換熱效果直接影響井口產(chǎn)液的油、氣、水三相分離的效果，因此熱介質(zhì)鍋爐的穩(wěn)定運行對于FPSO 生產(chǎn)流程的穩(wěn)定性有著重要意義。結(jié)合現(xiàn)場實際情況，該油田目前屬于中晚期開采階段，一方面開采量受客觀條件制約，另一方面設(shè)備設(shè)施的老化問題與日俱增，因此降低燃料氣含水對鍋爐系統(tǒng)的穩(wěn)定性起著決定性作用，研究該課題有助于幫助老舊油田及老舊設(shè)備實現(xiàn)安全穩(wěn)定運行。

1 熱介質(zhì)鍋爐燃料氣流程簡介

渤海某油田FPSO 利用井口平臺開采的天然氣作為熱介質(zhì)鍋爐的主燃料。熱介質(zhì)鍋爐燃燒使用的天然氣主要來源于原油處理系統(tǒng)2 個一級分離器（壓力約為0.4 MPa），這些天然氣經(jīng)過1個燃料氣洗滌器處理后，直接分配到2 臺熱介質(zhì)鍋爐中，減壓后作為熱介質(zhì)鍋爐的燃料氣，燃料氣流程設(shè)計如圖1 所示。

圖1 熱介質(zhì)鍋爐燃料氣流程

2 故障描述

熱介質(zhì)鍋爐在使用天然氣作為燃料時，鍋爐爐膛內(nèi)發(fā)生爆燃。爆燃時燃燒器輕微向外膨脹，并聽到來自爐膛內(nèi)部的物體墜落聲，隨后有白色纖維狀物質(zhì)自煙囪噴出。對熱介質(zhì)鍋爐進行內(nèi)部檢查結(jié)果表明，爐膛耐火層有裂縫，部分脫落。且爐膛的非燃燒端面有連續(xù)的十字形裂縫，爐膛燃燒端連接盤管的耐火材料脫落。綜合分析認為，自煙囪噴出的白色纖維狀物質(zhì)為耐火層間的填充物[2]。熱介質(zhì)鍋爐爐膛內(nèi)部燒塌、外殼燒壞情況如圖2、圖3 所示。

圖2 熱介質(zhì)鍋爐爐膛內(nèi)部耐火層燒塌、燒裂

圖3 熱介質(zhì)鍋爐后端蓋、外殼燒壞

3 故障分析

經(jīng)現(xiàn)場分析研判，確認爐膛爆燃的原因為燃料氣含水較高。通過對熱介質(zhì)鍋爐燃料氣流程分析發(fā)現(xiàn)，燃料氣的處理環(huán)節(jié)比較簡單，僅僅依靠燃氣洗滌器，只能進行相對簡單的脫水。對進入熱介質(zhì)鍋爐的燃料氣進行化驗分析，發(fā)現(xiàn)存在著大量的水分（表1）。

表1 熱介質(zhì)鍋爐燃料氣含水率 %

燃料中的水分不利于燃料的燃燒，會降低燃料的燃燒溫度，水分多的燃料甚至使著火發(fā)生困難。在燃料燃燒后，燃料中的水分吸熱變成水蒸氣并隨煙氣排入大氣，使鍋爐效率降低。水蒸氣增加煙氣的體積，使引風(fēng)機的電耗增加。同時，水分給低溫受熱面的腐蝕創(chuàng)造了外部條件。此外，過多的水分會使燃料供給設(shè)備負荷增加，易造成輸送燃料氣的管道阻塞。

對于熱介質(zhì)鍋爐燃料氣來說，極少量水的存在是允許的，燃料中含水含量一般不超過5%，對鍋爐內(nèi)殼和盤管無影響，但是目前燃料氣含水最高已經(jīng)達到了6.2%。含水量較大的天然氣作為鍋爐的燃料氣，帶來的最突出的問題便是鍋爐燃燒狀況不穩(wěn)定，經(jīng)常發(fā)生后燃、爆燃等現(xiàn)象；火焰燃燒溫度低；爐膛耐火層容易被燒壞、炸裂；爐膛加熱管容易局部受熱。

4 處理辦法

針對鍋爐爆燃情況，降低燃料氣含水，對天然氣進一步脫水是關(guān)鍵。鑒于此狀況，通過一系列的計劃和論證，決定對該燃料氣流程進行改造，增加燃料氣脫水設(shè)施來增強脫水效果。結(jié)合油田發(fā)展歷程及現(xiàn)代油田現(xiàn)場設(shè)計施工標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)要求，改造鍋爐脫水裝置是一項必要的技術(shù)突破，不僅可以徹底解決燃料氣含水低問題，另一方面解決了設(shè)備設(shè)施的本質(zhì)安全，針對3 臺鍋爐，結(jié)合現(xiàn)場實際采用了兩種裝置解決燃料氣含水高問題。

4.1 增加CYCLONE 燃料氣脫水裝置

在燃料氣洗滌器后增加一個CYCLONE 燃料氣脫水裝置。燃料氣通過設(shè)備入口進入設(shè)備內(nèi)旋風(fēng)分離區(qū)，當(dāng)含雜質(zhì)氣體沿軸向進入旋風(fēng)分離管后，氣流受導(dǎo)向葉片的導(dǎo)流作用而產(chǎn)生強烈旋轉(zhuǎn)，氣流沿筒體呈螺旋形向下進入旋風(fēng)筒體，密度大的液滴和塵粒在離心力作用下被甩向器壁，并在重力作用下沿筒壁下落流出旋風(fēng)管排塵口至設(shè)備底部儲液區(qū)，從設(shè)備底部的出液口流出。旋轉(zhuǎn)的氣流在筒體內(nèi)收縮向中心流動，向上形成二次渦流經(jīng)導(dǎo)氣管流至凈化天然氣室，再經(jīng)設(shè)備頂部出口流出。CYCLONE 燃料氣脫水裝置原理如圖4 所示。此裝置結(jié)構(gòu)簡單、操作彈性大、效率較高、管理維修方便，價格低廉，有類似水力旋流器的作用效果，利用燃料氣在作高速旋轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生的離心力，對產(chǎn)生的冷凝水進行收集和排放，確保進一步脫水。

圖4 CYCLONE 燃料氣脫水裝置原理

4.2 增加小型緩沖收集罐

為使脫水效果達到更好，在每臺鍋爐的燃料氣進口各增加1 個小型緩沖收集罐和1 臺電子式的自動排水閥，確保對燃料氣在進入鍋爐的最后一個環(huán)節(jié)再次進行脫水。小型緩沖收集罐利用重力沉降和篩網(wǎng)過濾原理，分離出燃料氣中的水，并通過自動排水閥排出積累的游離水，緩沖收集罐原理如圖5 所示。

圖5 小型緩沖收集罐原理

改造后基本可以確保給鍋爐提供合格的燃料氣，有效地解決了燃料氣含水多的問題，改造后的燃氣流程如圖6 所示。再次取樣鍋爐入口燃料氣化驗發(fā)現(xiàn)，燃料氣含水率降低了90%，完全滿足熱介質(zhì)鍋爐穩(wěn)定運行需求（表2）。通過數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，增加脫水裝置后鍋爐的穩(wěn)定性顯著改善，并且爐膛內(nèi)未見任何多余積水，通過實際化驗數(shù)據(jù)對比，改良效果顯著。

表2 改造后熱介質(zhì)鍋爐燃料氣含水率 %

圖6 改造后的燃氣流程

5 結(jié)論

針對熱介質(zhì)鍋爐使用伴生氣作為燃料氣導(dǎo)致鍋爐爆燃故障，通過在燃料氣處理流程中增加CYCLONE 燃料氣脫水裝置和型緩沖收集罐進一步脫水，降低燃料氣含水，保證熱介質(zhì)鍋爐的穩(wěn)定運行，解決了鍋爐燃氣爆燃的問題。

當(dāng)然，此次改造過程只是從技術(shù)手段上暫時緩解鍋爐燃燒氣含水高這一現(xiàn)場，流程里的天然氣含水量與分離器的分離效果與井下油藏含量及類別息息相關(guān)，為了從根本上解決燃料氣含水高對鍋爐的影響，在以后的生產(chǎn)工作中需要對開采方式及一二級分離器分離效果做進一步的優(yōu)化升級，再結(jié)合現(xiàn)有改造手段實現(xiàn)雙重保障，確保熱介質(zhì)鍋爐的穩(wěn)定性。