油田用加熱爐是油田勘探開(kāi)發(fā)中的重要設(shè)備之一，尤其是在我國(guó)東部油田大面積進(jìn)入高含水期及稠油和天然氣的開(kāi)發(fā)，加熱爐顯得更為重要。隨著油氣田勘探開(kāi)發(fā)面積的增大、開(kāi)發(fā)難度增大，油田用加熱爐的數(shù)量越來(lái)越多。截至2005年，中石油油田用加熱爐在用數(shù)量18460臺(tái)。加熱爐是油田的主要能耗設(shè)備，中石油油田用加熱爐每年能耗總量折合成原油約170多萬(wàn)噸，耗能十分驚人。目前，油田用加熱爐主要存在設(shè)備老化(平均新度系數(shù)0.41)、小型加熱爐較多、效率偏低、燃燒不充分、爐內(nèi)腐蝕結(jié)垢等問(wèn)題。關(guān)注油田用加熱爐技術(shù)和發(fā)展對(duì)安全生產(chǎn)、節(jié)能和提高生產(chǎn)效率有著重要的意義。
一、加熱爐的結(jié)構(gòu)形式與技術(shù)分析
1.管式加熱爐
管式加熱爐的火焰直接加熱爐管中的生產(chǎn)介質(zhì)，加熱溫差大，溫升快，允許介質(zhì)壓力高，單臺(tái)功率可以很大，能以較小的換熱面積獲得較大的加熱功率;但在加熱原油和易結(jié)垢介質(zhì)時(shí)，管壁結(jié)垢快，嚴(yán)重影響換熱，且結(jié)垢不均勻，會(huì)導(dǎo)致管壁局部過(guò)熱、失效等，這樣可能引起爆炸事故。
2.火筒式加熱爐
燃燒的熱量直接通過(guò)火筒加熱爐殼內(nèi)的生產(chǎn)介質(zhì)。與管式加熱爐相比，火筒結(jié)垢的敏感性低、對(duì)換熱影響不太顯著。但是被加熱的生產(chǎn)介質(zhì)在爐殼內(nèi)流速緩慢，結(jié)構(gòu)件上仍然容易結(jié)垢。因此，火筒式加熱爐一般不用于加熱易結(jié)垢生產(chǎn)介質(zhì)，如稠油、三次采油污水等。
上述加熱爐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，耗材少、一次性投資成本低，最大的隱患就是燃燒筒與生產(chǎn)介質(zhì)直接接觸。
3.水套加熱爐
水套加熱爐與火筒式加熱爐的不同之處在于爐殼內(nèi)與火筒接觸的介質(zhì)不是生產(chǎn)介質(zhì)而是水，火筒加熱水，爐殼內(nèi)增加了盤(pán)管，通過(guò)盤(pán)管的生產(chǎn)介質(zhì)由水加熱。其優(yōu)點(diǎn)就是避免或減輕了火筒的結(jié)垢和腐蝕，更主要的是火筒不直接與生產(chǎn)介質(zhì)接觸，安全性好。近年來(lái)，水套加熱爐被廣泛應(yīng)用于油田生產(chǎn)。但水套加熱爐傳熱效率偏低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、爐體鋼耗量大，另外運(yùn)行中易失水，需要經(jīng)常補(bǔ)水。
4.相變加熱爐
相變加熱爐是近年來(lái)研制的一種新型加熱爐，主體結(jié)構(gòu)包括火筒、爐體(蒸汽發(fā)生器)和換熱盤(pán)管。按蒸汽運(yùn)行的壓力不同，可分為真空相變和承壓相變加熱爐，按換熱盤(pán)管結(jié)構(gòu)的不同，分為一體式和分體式相變加熱爐。其基本原理是:燃燒產(chǎn)生的熱量使得爐體內(nèi)(蒸汽發(fā)生器內(nèi))的水沸騰汽化，水蒸氣與盤(pán)管接觸加熱盤(pán)管內(nèi)的生產(chǎn)介質(zhì)，水蒸氣接觸盤(pán)管冷凝成液體再次在爐體內(nèi)被加熱，由水變成水蒸氣，再由水蒸氣變成水的相變過(guò)程中產(chǎn)生熱交換，使得生產(chǎn)介質(zhì)被加熱。相變加熱爐利用相變傳熱原理，具有很高的管外傳熱系數(shù)，約為4000W/(m2·℃)。
二、加熱爐技術(shù)與分析
加熱爐的核心部件和核心技術(shù)是燃燒器，加熱爐的燃燒效率、環(huán)保排放等很大程度上取決于燃燒器。過(guò)去無(wú)論是加熱爐生產(chǎn)廠家還是使用單位在加熱爐的技術(shù)改造和升級(jí)方面都不太重視燃燒器技術(shù)。當(dāng)前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)加熱爐的廠家很多，但是生產(chǎn)燃燒器的廠家卻很少，關(guān)于燃燒器技術(shù)研究的單位就更少。油田加熱爐配套的燃燒器多為簡(jiǎn)易的正壓鼓風(fēng)燃燒器，其它形式的燃燒器較少，要么就是進(jìn)口國(guó)外燃燒器。近年來(lái)，冀東石油機(jī)械有限責(zé)任公司研制的轉(zhuǎn)杯霧化燃燒器取得了較好的效果。燃燒器的關(guān)鍵技術(shù)在于空氣與燃料的混合，也就是燃燒器的燃油霧化方法。下面介紹兒種燃油霧化方法。
1.壓力噴氣霧化器
壓力噴氣霧化器就是在帶壓氣流作用下，使燃料被分散成為細(xì)小的小滴并與氣流充分混合霧化，達(dá)到良好燃燒結(jié)果。
2.外混合霧化器
輔助的壓力噴氣機(jī)將空氣高速噴入霧化器，在霧化器端口經(jīng)過(guò)渦旋發(fā)生器，產(chǎn)生渦使之與燃料油充分混合霧化，這種霧化器可保證空氣和燃料油在通道內(nèi)不混合，所以空氣壓力波動(dòng)對(duì)燃料油無(wú)影響。
3.內(nèi)混合霧化器
蒸汽霧化器包括有一定數(shù)量的噴管，噴油孔和噴氣孔對(duì)應(yīng)。油和空氣在內(nèi)部混合，形成油和空氣的高壓乳化液，經(jīng)混合的油氣混合物從最后的管口噴出被霧化后進(jìn)入燃燒腔。
德國(guó)的扎克系列燃燒器采用的就是外混合霧化器或內(nèi)混合霧化器，單槍式結(jié)構(gòu)。適合于輕油、重油和天然氣等燃料。燃燒效果好，達(dá)到低氮排放要求，燃燒輕油時(shí)，低氮排放低于250mg/m3，燃燒天然氣時(shí)，低氮排放低于2OOmg/m3。
4.轉(zhuǎn)杯霧化器
轉(zhuǎn)杯高速(大約5000r/min)旋轉(zhuǎn)，燃料油低壓進(jìn)入轉(zhuǎn)杯，均勻分布于轉(zhuǎn)杯內(nèi)表面并從轉(zhuǎn)杯的圓錐形外緣拋出。帶壓空氣從轉(zhuǎn)杯中心進(jìn)入在被外觸及拋出的薄膜狀燃油使之霧化。轉(zhuǎn)杯的轉(zhuǎn)速可調(diào)。
意大利的白得燃燒器、德國(guó)的威索燃燒器主要采用轉(zhuǎn)杯霧化器，適應(yīng)于輕油、重油、天然氣和油氣混合型燃料。
5.藍(lán)色火焰燃燒器
藍(lán)色火焰燃燒器是一種節(jié)能、降低氮排放的環(huán)保型燃燒器。其主要特點(diǎn)是:在燃燒過(guò)程中，熱氣體從火焰口部分返回到入口參與混合，二次燃燒。這一過(guò)程使得燃燒完全，只產(chǎn)生藍(lán)色火焰，不見(jiàn)煙霧。意大利的意高節(jié)能燃燒器就是采用的藍(lán)色火焰燃燒器，具有安全、高效、寧?kù)o的優(yōu)點(diǎn)。
三、加熱爐技術(shù)發(fā)展方向
(1)高效的相變熱傳導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用。相變熱傳導(dǎo)以水蒸氣作為傳熱介質(zhì)，換熱效率高。水在封閉的爐殼內(nèi)受熱蒸發(fā)、冷凝，水損失小，密閉爐殼內(nèi)不易結(jié)垢，熱傳導(dǎo)系數(shù)穩(wěn)定，使得加熱爐維持在較高換熱效率(大于90%)，而且運(yùn)行安全可靠。
(2)加速國(guó)產(chǎn)化高效燃燒器研究，重點(diǎn)創(chuàng)新發(fā)展轉(zhuǎn)杯霧化和內(nèi)部混合霧化、外部混合霧化技術(shù)。這些先進(jìn)的霧化技術(shù)不僅霧化效果好、燃燒完全、火筒清潔，而且能適應(yīng)各種輕油、重油和天然氣燃料。為了使燃燒器處于良好的工作狀態(tài)，建議增設(shè)燃料油處理系統(tǒng)，清除燃料油中的固體雜質(zhì)。
(3)換熱盤(pán)管結(jié)構(gòu)形式和材料研究。換熱盤(pán)管是非常關(guān)鍵的部件之一，盤(pán)管設(shè)計(jì)必須考慮適應(yīng)不同的生產(chǎn)介質(zhì)，包括油類(lèi)、氣類(lèi)和污水類(lèi)介質(zhì)，考慮各種介質(zhì)的腐蝕性和管體結(jié)垢。同時(shí)，在結(jié)構(gòu)上要考慮方便清理、維護(hù)和更換。對(duì)于大功率加熱爐建議換熱盤(pán)管與爐殼為分體式結(jié)構(gòu)。
(4)自動(dòng)化控制與監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用。自動(dòng)化控制是流程設(shè)備的發(fā)展方向，加熱爐也不例外。實(shí)踐證明，自動(dòng)化控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)吹掃、供空氣、自動(dòng)點(diǎn)火、燃燒、自動(dòng)停機(jī)和啟動(dòng)，自動(dòng)控制運(yùn)行參數(shù)，可使燃料利用率達(dá)99.5%以上，加熱爐效率達(dá)88%～91%，方便操作，生產(chǎn)介質(zhì)溫度可以精確控制。應(yīng)用監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)熄火保護(hù)、低水位保護(hù)、超溫超壓保護(hù)等，保證設(shè)備安全運(yùn)行。自動(dòng)控制與監(jiān)測(cè)技術(shù)將趨于遠(yuǎn)程化，既能保證設(shè)備高效、安全運(yùn)行，又能提高設(shè)備的管理水平。
(5)專(zhuān)業(yè)化制造與供應(yīng)。專(zhuān)業(yè)化生產(chǎn)制造似乎不關(guān)系到技術(shù)進(jìn)步，但是我國(guó)生產(chǎn)油田用加熱爐的廠家很多，供應(yīng)過(guò)于分散，難以形成大批量供應(yīng)能力，專(zhuān)業(yè)性不強(qiáng)，且不注重技術(shù)創(chuàng)新，因此建議采取有效措施加強(qiáng)加熱爐的專(zhuān)業(yè)化制造與供應(yīng)。
? 加熱爐是油田集輸過(guò)程中不可缺少的關(guān)鍵設(shè)備，擔(dān)負(fù)著油田油氣產(chǎn)品的加熱升溫任務(wù)，是油田生產(chǎn)過(guò)程中主要能耗設(shè)備。
隨著油田勘探開(kāi)發(fā)面積的增加、大面積進(jìn)入高含水期以及稠油和天然氣開(kāi)采量的增加，加熱爐的使用數(shù)量越來(lái)越多。截至2005年，中石油油田在用加熱爐數(shù)量為18460臺(tái)，每年能耗總量折合成原油約170多萬(wàn)噸，等于燒掉了一個(gè)小油田。所以說(shuō)，加熱爐換熱效率的高低，直接影響全油田的節(jié)能降耗工作，也影晌著全油田的經(jīng)濟(jì)效益。
對(duì)于正在運(yùn)行的加熱爐，影響爐效的最大因素就是結(jié)垢。任何技術(shù)也不能完全阻止垢的生成。垢是熱的不良導(dǎo)體，導(dǎo)熱系數(shù)比鋼鐵的導(dǎo)熱系數(shù)小幾十倍甚至幾百倍，大大降低換熱效率，介質(zhì)出口溫度隨之下降，管線流通截面因此減小，流量降低，流動(dòng)阻力增大，壓降明顯，泵的耗功增加，從而造成能源浪費(fèi)，提高運(yùn)營(yíng)成本，影響正常生產(chǎn)。
據(jù)文獻(xiàn)稱，管線結(jié)垢每增加1mm，綜合能耗提高3-5%。
積垢存在的另一個(gè)危害是加劇腐蝕，縮短加熱爐的使用壽命，威脅油田的安全生產(chǎn)，以至造成更大的經(jīng)濟(jì)損失。
為了保證油田加熱爐裝置安、穩(wěn)、長(zhǎng)、滿、優(yōu)地運(yùn)行，采取科學(xué)有效的清垢技術(shù)顯得尤為重要。
四、加熱爐傳統(tǒng)的清洗技術(shù)及發(fā)展方向
迄今為止，油田加熱爐的清洗仍然在沿用化學(xué)方法，就是用酸堿浸泡洗滌等手段，施工人員大都沒(méi)有經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)系統(tǒng)的培訓(xùn)，施工過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)以下問(wèn)題和事故：
1、產(chǎn)生硫化氫等有毒有害氣體，在新疆油田、中原油田和延長(zhǎng)油田發(fā)生過(guò)多起人員傷亡的嚴(yán)重事件；
2、清洗時(shí)，垢塊大面積松動(dòng)坍塌易堵塞管線；
3、化學(xué)清洗具有腐蝕性。管線產(chǎn)生“氫脆”現(xiàn)象和硫化物應(yīng)力開(kāi)裂，減少了管線的使用壽命，存在安全隱患。爐內(nèi)盤(pán)管一旦泄露，需從原地整體吊出，切割開(kāi)爐體，抽出盤(pán)管，進(jìn)行更換，難度大，損失也大；
4、酸液處理不達(dá)標(biāo)就排放的話，對(duì)環(huán)境污染大；
5、無(wú)法清洗堵死管線。
物理清洗克服了化學(xué)清洗腐蝕、污染等諸多缺點(diǎn)，擁有高效、環(huán)保等諸多優(yōu)勢(shì)，在所有能夠替代化學(xué)清洗的領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。
清洗行業(yè)在人們的傳統(tǒng)觀念中并不受重視，再加上物理清洗出現(xiàn)較晚，所以在油田建設(shè)之初，整體規(guī)劃設(shè)計(jì)當(dāng)中沒(méi)有融入物理清洗的理念，基本沒(méi)有安裝與物理清洗配套的專(zhuān)用設(shè)施，現(xiàn)在依然如此。國(guó)內(nèi)各大油田正在逐步推廣應(yīng)用，但范圍還是有限，優(yōu)勢(shì)沒(méi)有完全發(fā)揮出來(lái)。時(shí)至今日，安全、環(huán)保、節(jié)能、減排的呼聲越來(lái)越高，常規(guī)化學(xué)清洗的問(wèn)題日益突出。尤其是三次采油技術(shù)的廣泛應(yīng)用，在提高原油產(chǎn)量的同時(shí)也帶來(lái)一系列新的課題，其中比較突出的是：集輸系統(tǒng)結(jié)垢的速度明顯加快，產(chǎn)生的聚合物垢酸堿不溶，做為最基本環(huán)節(jié)之一的加熱爐也不例外，但是用物理方式清洗盤(pán)管式加熱爐難度很大，因?yàn)椋?
1、易結(jié)硬垢。采出液中碳酸鹽、硫酸鹽和硅酸鹽成分具有反常溶解度，不是隨著溫度的升高而升高，而是隨著溫度的升高而降低，很容易達(dá)到過(guò)飽和狀態(tài)而結(jié)晶析出，結(jié)垢致密堅(jiān)硬；
2、結(jié)垢速度快，垢厚。爐管采用 “U”形連接，管阻大，介質(zhì)流速慢，在高溫加熱的情況下，結(jié)垢速度加快，積垢嚴(yán)重；
3、爐內(nèi)盤(pán)管回程多，彎頭的曲率半徑僅為1D；盤(pán)管自身還可能有變徑、變形、卡點(diǎn)、焊接問(wèn)題等復(fù)雜因素，傳統(tǒng)清管儀器無(wú)法通過(guò)，必然卡阻，進(jìn)退不得，取出的辦法是切割開(kāi)爐體，切下盤(pán)管彎頭，由于盤(pán)管排布密集，電氣焊操作空間狹窄，甚至無(wú)法操作，難度很大，延誤生產(chǎn)，爐體有傷，存在隱患。
上述問(wèn)題都是傳統(tǒng)物理清洗技術(shù)難以逾越的障礙，所以油田加熱爐盤(pán)管的清垢工作歷來(lái)就是物理清洗的禁區(qū)。
五、微射流物理清洗技術(shù)在加熱爐上的應(yīng)用
1、技術(shù)原理
微射流清洗技術(shù)是天津英特節(jié)能技術(shù)有限公司應(yīng)用流體力學(xué)領(lǐng)域中的相關(guān)原理而開(kāi)發(fā)的，清洗器放入管路后，在壓力水流的推動(dòng)下快速向前移動(dòng)，由于積垢的阻擋，在葉片狹窄的縫隙間水流陡然加速，同時(shí)出現(xiàn)急速旋轉(zhuǎn)的渦流，形成了連續(xù)移動(dòng)的低壓區(qū)。這個(gè)區(qū)域的流水始終呈汽化狀態(tài)，由此產(chǎn)生的細(xì)微汽泡，又迅速被壓縮直至崩裂，瞬時(shí)激射出強(qiáng)力的微射流，無(wú)數(shù)的微射流匯聚成沖擊波，徹底粉碎了沉積物。
2、技術(shù)特色
1）對(duì)復(fù)雜的U型管、螺旋管、變徑管等特殊管線都能進(jìn)行徹底清洗；
2）對(duì)油垢、化學(xué)垢、水垢、銹垢、軟性垢、硬性垢、粘性垢等多種垢質(zhì)都能進(jìn)行徹底清除；
3）可在線清洗地下長(zhǎng)距離管道；地上管線不用拆解；
4）“微射流”技術(shù)一次性清洗的距離長(zhǎng)達(dá)10公里，對(duì)管道的長(zhǎng)度和管徑?jīng)]有限制；清洗過(guò)程中，無(wú)需提供輔助設(shè)施。
六、建議
1、鑒于物理清洗具有安全、環(huán)保、高效和對(duì)管線無(wú)腐蝕等諸多好處，建議油田更廣泛地推廣應(yīng)用；
2、深入挖掘加熱爐的節(jié)能潛力，定期對(duì)加熱爐和管線進(jìn)行清垢，保證集輸系統(tǒng)安全運(yùn)行，進(jìn)一步降低能耗；
3、掌握先進(jìn)的清洗技術(shù)，建設(shè)油田自己的清洗隊(duì)伍，研制靈活機(jī)動(dòng)的車(chē)載式多功能清洗設(shè)備，為油田生產(chǎn)提供切實(shí)的保障；
4、如果將油田現(xiàn)有的真空加熱爐陸續(xù)改造，采用“微射流”物理清洗技術(shù)，節(jié)能降耗、安全環(huán)保的意義很大；
5、今后定購(gòu)加熱爐，應(yīng)該要求生產(chǎn)廠家安裝與物理清洗配套的專(zhuān)用設(shè)備。如果投入生產(chǎn)運(yùn)行后再改造，耗費(fèi)的人力物力財(cái)力太大了。
隨著時(shí)代的進(jìn)步和科技的發(fā)展，綠色的物理清洗已經(jīng)成為潮流。實(shí)踐證明，“微射流”物理清洗技術(shù)應(yīng)用于加熱爐清洗，不腐蝕管線，無(wú)污染，安全環(huán)保；優(yōu)勢(shì)突出，清垢徹底，節(jié)能降耗明顯；提高加熱爐運(yùn)行的可靠性，為油田帶來(lái)更大的經(jīng)濟(jì)效益，極具應(yīng)用推廣價(jià)值。
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