油田水套加热炉火嘴设计【油田含聚介质加热炉结垢原因分析及技术进展】

　　【摘 要】油田含聚介质加热炉因被加热介质中含有浓度不一的聚合物使得其在使用过程中结垢、结焦现象更为严重，致使加热炉热效率低、温升不足，甚至由于结垢、结焦导致加热炉烟火管等部件变形、损坏，严重影响油田正常生产和安全生产。本文分析了含聚介质加热过程中的结垢原因，比较了不同炉型的适应性，探讨油田含聚介质加热炉的发展趋势。
　　【关键词】含聚介质;加热炉;结垢;分析;技术进展
　　引言
　　油田加热炉是重要的油田地面集输设备，由于被加热介质成分复杂（矿化度高、杂质多），加热炉结垢现象普遍，已经成为困扰油田生产的难题。在油田含聚介质的加热过程中因被加热介质中含有浓度不一的聚合物使得其在使用过程中结垢、结焦现象更为严重，致使加热炉热效率低、温升不足，火筒炉甚至由于结垢、结焦导致加热炉烟火管等部件变形、损坏，严重影响油田正常生产和安全生产。
　　一、含聚介质加热炉的结垢情况分析
　　聚合物驱和三元复合驱三次采油采出液含聚浓度因见聚时间长短不同，目前可达1000ppm甚至更高。聚合物胶体具有明显的挂壁现象，在加热过程中胶体性质发生变化变成凝胶，吸附于管路或容器壁上，形成有机物凝胶垢层。这种凝胶垢层吸附在管路或容器壁上，具有粘弹性，吸附力不大，遇冷或脱水时体积收缩，有一定的剥离现象。当壁面温度进一步升高时会出现焦化现象，焦化后牢固的吸附在管路或容器壁上，形成焦化垢层。这种两种垢层都具有非常大的热阻，严重影响热量传递效率，另外由于这两种垢层由有机物构成，对酸碱不敏感，无法通过化学清洗实现清垢的目的。
　　对于水套炉、相变炉等间接加热加热炉，靠中间介质加热炉换热管，中间介质的温度较低（一般低于150℃和120℃），加热炉换热管壁面温度也较低，一般只会发生聚合物的凝胶物理变化，而不会发生焦化现象。介质中的聚合物在流动过程中吸附于管路或容器壁上，加热时换热管壁面温度高于介质温度，吸附于壁面的聚合物发生物理变化变成软弹的凝胶，介质中的悬浮物颗粒吸附或沉降在凝胶表面，形成复合垢层，导致换热管热阻升高，加热效率降低。随着运行参数的周期性变化垢层成分也不断的变化，有非常明显的分层现象。传统设计的水套炉和常规设计的相变炉的清洗周期不超过三个月，严重影响加热炉的运行效率和油田正常生产。
　　火筒炉被加热介质与烟火管直接接触。当被加热介质含有聚合物时，前期现象同水套炉和相变炉相同，后因污垢热阻导致壁面温度升高聚合物凝胶就会发生焦化，形成内层焦化有机硬垢外层凝胶垢的复合垢层。另外，火筒炉介质流动速率小，其悬浮物杂质等沉积现象严重，最终在锅壳下部产生淤积，从而加速垢层的生长，在烟火管周围产生包覆现象，严重阻碍热量的传递，在长时间加热或强烧时经常会出现因烟火管过热而产生的变形、塌陷和开裂现象，产生加热炉运行故障甚至发生渗漏爆炸事故，给安全生产带来隐患。
　　二、含聚介质加热炉防垢阻垢技术进展
　　1、脉动燃烧火筒式加热炉
　　近几年新研究开发的脉动炉作为火筒炉的拓展产品，具有一定的防垢阻垢效果。这种加热炉采用新型脉动燃烧技术（属于间歇式燃烧技术），燃烧系统周期性工作。燃烧时定时按比例送气、风，通过点火系统定时点火，在一定的气/风比例情况下产生爆燃，燃烧时的爆燃对烟火管产生一个频率（50-60hz）相对固定的振动，被加热介质中的垢分难以附着在管壁上，即便是管壁上原有的垢层，也在连续不断的振动下逐渐疏松脱落，从而产生防垢阻垢效果。在大庆油田采油二厂进行的试验表明，该技术在水区（常规介质）加热炉上的效果比较明显，缺点是燃烧系统振动和噪音较大。在聚区和三元区的试验出现了多次烟火管焊缝撕裂现象。分析认为，火筒式加热炉烟火管内层聚合物高温结焦形成硬垢，外层挂聚合物凝胶软垢，燃烧产生的振动可以对硬垢产生作用，但当振动传递到外层时，粘弹的软垢会吸收振动能量，降低防垢阻垢效果，另外，粘弹的软垢象外套一样包覆在烟火管外面，阻碍硬垢的剥离，虽然振动使得硬垢变得疏松，但不能脱落，阻热效果犹在，致使烟火管局部过热变形产生撕裂现象。
　　2、工艺材料方面
　　随着材料技术和工艺的不断发展，加热炉制造商和油田用户也做了很多方面的努力，以期通过材料和工艺的改进缓解含聚介质加热炉的结垢结焦问题。包括进行新型材料、常规材料表面加工、防腐防垢处理等试验。结果表明，选择新型材料和工艺优化对换热管结垢有一定的效果，但同时也大幅度提高了产品的材料成本、增加了产品制造工艺难度和工艺成本，在一定程度上也增加了产品的制造周期，涂层工艺还存在热阻大、工艺质量难以保证、使用寿命受不确定等问题，难以适应规模生产的需求。
　　在油田工艺上也有在炉前增加加药工艺的试验，效果不是很明显，而且增加后续的处理的难度和成本。
　　3、辅助设备方面
　　合理的选用防垢阻垢辅助设备，能够延缓垢层的生长速度，延长加热炉清洗周期，提高加热炉的工作效率，降低生产维护费用。
　　⑴变频式除垢器
　　本装置采用电磁原理，安装于加热炉进口直管段。频率不规则变化的磁场使流过的被加热介质中的极性分子和换热管都带有相同的极性和因磁场强度变化而不同的磁场能量，利用同极相斥的物理原理，使极性分子与管壁分离，被加热介质的分子能量大大增强了，同时本装置磁场能在60-4000hz的范围内无规则变化，不同时间、不同分子获得的能量不同，获得能量的分子无规则运动，相互碰撞，极性分子从污垢中脱离出来，带动整体的分离，从而达到防垢除垢的效果。大庆油田装备制造集团在2010年采油一厂试验的8台加热炉进行试用，效果较好。
　　⑵电磁除垢器
　　本装置同样采用电磁原理，与变频除垢器不同之处在于频率固定，不能产生分子碰撞。电磁除垢器只产生单一频率的电磁波，不能使被加热介质的分子产生振荡，效果叫变频式除垢器差一些。
　　⑶超声波阻垢除垢器
　　本装置将超声波发生器固定在换热器进口，同脉动炉相似，其产生的超声波振动能量经换热管壁传递给被加热介质，延缓结垢速度。超声波阻垢除垢器产生的超声波能量一方面需经换热管传递能量会有所衰减，同时聚合物垢层粘弹性，会吸收掉超声波能量，影响阻垢除垢效果。
　　经过对含聚介质垢层的性质和对上述设备的工作原理及现场应用情况分析，我们认为三种设备对无机硬垢会有很好的效果，但变频式除垢器作为含聚介质加热炉防垢阻垢辅助设备比较合适。
　　4、新型含聚介质相变加热炉
　　新型含聚介质相变加热炉，这是大庆油田装备制造集团在继承传统相变加热炉高效、安全、环保等主要特点的前提下，针对油田含聚介质加热的实际问题，通过采取优化产品结构和设计及运行参数、配套变频除垢器作为防垢阻垢辅助设备等措施，研制开发的新型加热炉产品。2010年，在大庆油田采油一厂聚中501站的加热炉改造项目中进行首台新型含聚介质相变加热炉的试验应用，2010年6月9日投产，至今各项运行指标还能满足油田生产需要，已经得到油田用户的认可，目前已推广应用近70台。
　　三、油田含聚介质加热炉的发展趋势
　　油田含聚介质加热炉结垢严重是其应用的主要问题，解决聚合物结垢问题是其发展的必然趋势。
　　1、深入研究含聚介质加热过程中的结垢机理和发展规律，通过改进加热炉的结构、优化其运行参数，延缓垢层的生长速度，从而延长清垢周期，满足油田生产需要；
　　2、紧密跟踪材料技术及材料工艺的发展，优选新型经济适用的换热部件高效防垢阻垢材料和工艺，减少垢的吸附和积累，从而延长清垢周期；
　　3、选用高效的防垢阻垢设备，延缓结垢；
　　4、研究新型防垢阻垢加热炉。
　　参考文献
　　[1]鹿道志.工业锅炉司炉教程（第二版）M,北京:航空工业出版社，2005
　　[2]段芳英.锅炉压力容器安全技术,1998第一期,8页
　　杨敬彪（1969-），男，工程师，从事相变加热炉设计研发工作。