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    天津市英特節能技術有限公司

    TIANJIN INTENT ENERGY-SAVING TECHNOLOGY CO.,LTD

     

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    位置:技術論壇 〉工業清洗技術

    油田用加熱爐技術現狀及清洗技術


    油田用加熱爐是油田勘探開發中的重要設備之一,尤其是在我國東部油田大面積進入高含水期及稠油和天然氣的開發,加熱爐顯得更為重要。隨著油氣田勘探開發面積的增大、開發難度增大,油田用加熱爐的數量越來越多。截至2005年,中石油油田用加熱爐在用數量18460臺。加熱爐是油田的主要能耗設備,中石油油田用加熱爐每年能耗總量折合成原油約170多萬噸,耗能十分驚人。目前,油田用加熱爐主要存在設備老化(平均新度系數0.41)、小型加熱爐較多、效率偏低、燃燒不充分、爐內腐蝕結垢等問題。關注油田用加熱爐技術和發展對安全生產、節能和提高生產效率有著重要的意義。
    一、加熱爐的結構形式與技術分析
    1.管式加熱爐
          管式加熱爐的火焰直接加熱爐管中的生產介質,加熱溫差大,溫升快,允許介質壓力高,單臺功率可以很大,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垢介質時,管壁結垢快,嚴重影響換熱,且結垢不均勻,會導致管壁局部過熱、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火筒加熱爐殼內的生產介質。與管式加熱爐相比,火筒結垢的敏感性低、對換熱影響不太顯著。但是被加熱的生產介質在爐殼內流速緩慢,結構件上仍然容易結垢。因此,火筒式加熱爐一般不用于加熱易結垢生產介質,如稠油、三次采油污水等。
        上述加熱爐結構簡單,耗材少、一次性投資成本低,最大的隱患就是燃燒筒與生產介質直接接觸。
    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與火筒接觸的介質不是生產介質而是水,火筒加熱水,爐殼內增加了盤管,通過盤管的生產介質由水加熱。其優點就是避免或減輕了火筒的結垢和腐蝕,更主要的是火筒不直接與生產介質接觸,安全性好。近年來,水套加熱爐被廣泛應用于油田生產。但水套加熱爐傳熱效率偏低、結構復雜、爐體鋼耗量大,另外運行中易失水,需要經常補水。
    4.相變加熱爐
          相變加熱爐是近年來研制的一種新型加熱爐,主體結構包括火筒、爐體(蒸汽發生器)和換熱盤管。按蒸汽運行的壓力不同,可分為真空相變和承壓相變加熱爐,按換熱盤管結構的不同,分為一體式和分體式相變加熱爐。其基本原理是:燃燒產生的熱量使得爐體內(蒸汽發生器內)的水沸騰汽化,水蒸氣與盤管接觸加熱盤管內的生產介質,水蒸氣接觸盤管冷凝成液體再次在爐體內被加熱,由水變成水蒸氣,再由水蒸氣變成水的相變過程中產生熱交換,使得生產介質被加熱。相變加熱爐利用相變傳熱原理,具有很高的管外傳熱系數,約為4000W/(m2·℃)。
    二、加熱爐技術與分析
        加熱爐的核心部件和核心技術是燃燒器,加熱爐的燃燒效率、環保排放等很大程度上取決于燃燒器。過去無論是加熱爐生產廠家還是使用單位在加熱爐的技術改造和升級方面都不太重視燃燒器技術。當前國內生產加熱爐的廠家很多,但是生產燃燒器的廠家卻很少,關于燃燒器技術研究的單位就更少。油田加熱爐配套的燃燒器多為簡易的正壓鼓風燃燒器,其它形式的燃燒器較少,要么就是進口國外燃燒器。近年來,冀東石油機械有限責任公司研制的轉杯霧化燃燒器取得了較好的效果。燃燒器的關鍵技術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小的小滴并與氣流充分混合霧化,達到良好燃燒結果。
    2.外混合霧化器
        輔助的壓力噴氣機將空氣高速噴入霧化器,在霧化器端口經過渦旋發生器,產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不混合,所以空氣壓力波動對燃料油無影響。
    3.內混合霧化器
        蒸汽霧化器包括有一定數量的噴管,噴油孔和噴氣孔對應。油和空氣在內部混合,形成油和空氣的高壓乳化液,經混合的油氣混合物從最后的管口噴出被霧化后進入燃燒腔。
        德國的扎克系列燃燒器采用的就是外混合霧化器或內混合霧化器,單槍式結構。適合于輕油、重油和天然氣等燃料。燃燒效果好,達到低氮排放要求,燃燒輕油時,低氮排放低于250mg/m3,燃燒天然氣時,低氮排放低于2OOmg/m3。
    4.轉杯霧化器
        轉杯高速(大約5000r/min)旋轉,燃料油低壓進入轉杯,均勻分布于轉杯內表面并從轉杯的圓錐形外緣拋出。帶壓空氣從轉杯中心進入在被外觸及拋出的薄膜狀燃油使之霧化。轉杯的轉速可調。
        意大利的白得燃燒器、德國的威索燃燒器主要采用轉杯霧化器,適應于輕油、重油、天然氣和油氣混合型燃料。
    5.藍色火焰燃燒器
         藍色火焰燃燒器是一種節能、降低氮排放的環保型燃燒器。其主要特點是:在燃燒過程中,熱氣體從火焰口部分返回到入口參與混合,二次燃燒。這一過程使得燃燒完全,只產生藍色火焰,不見煙霧。意大利的意高節能燃燒器就是采用的藍色火焰燃燒器,具有安全、高效、寧靜的優點。
    三、加熱爐技術發展方向
        (1)高效的相變熱傳導技術的應用。相變熱傳導以水蒸氣作為傳熱介質,換熱效率高。水在封閉的爐殼內受熱蒸發、冷凝,水損失小,密閉爐殼內不易結垢,熱傳導系數穩定,使得加熱爐維持在較高換熱效率(大于90%),而且運行安全可靠。
        (2)加速國產化高效燃燒器研究,重點創新發展轉杯霧化和內部混合霧化、外部混合霧化技術。這些先進的霧化技術不僅霧化效果好、燃燒完全、火筒清潔,而且能適應各種輕油、重油和天然氣燃料。為了使燃燒器處于良好的工作狀態,建議增設燃料油處理系統,清除燃料油中的固體雜質。
        (3)換熱盤管結構形式和材料研究。換熱盤管是非常關鍵的部件之一,盤管設計必須考慮適應不同的生產介質,包括油類、氣類和污水類介質,考慮各種介質的腐蝕性和管體結垢。同時,在結構上要考慮方便清理、維護和更換。對于大功率加熱爐建議換熱盤管與爐殼為分體式結構。
        (4)自動化控制與監測技術的應用。自動化控制是流程設備的發展方向,加熱爐也不例外。實踐證明,自動化控制實現自動吹掃、供空氣、自動點火、燃燒、自動停機和啟動,自動控制運行參數,可使燃料利用率達99.5%以上,加熱爐效率達88%~91%,方便操作,生產介質溫度可以精確控制。應用監測技術實現熄火保護、低水位保護、超溫超壓保護等,保證設備安全運行。自動控制與監測技術將趨于遠程化,既能保證設備高效、安全運行,又能提高設備的管理水平。
        (5)專業化制造與供應。專業化生產制造似乎不關系到技術進步,但是我國生產油田用加熱爐的廠家很多,供應過于分散,難以形成大批量供應能力,專業性不強,且不注重技術創新,因此建議采取有效措施加強加熱爐的專業化制造與供應。
     ? 加熱爐是油田集輸過程中不可缺少的關鍵設備,擔負著油田油氣產品的加熱升溫任務,是油田生產過程中主要能耗設備。
    隨著油田勘探開發面積的增加、大面積進入高含水期以及稠油和天然氣開采量的增加,加熱爐的使用數量越來越多。截至2005年,中石油油田在用加熱爐數量為18460臺,每年能耗總量折合成原油約170多萬噸,等于燒掉了一個小油田。所以說,加熱爐換熱效率的高低,直接影響全油田的節能降耗工作,也影晌著全油田的經濟效益。
    對于正在運行的加熱爐,影響爐效的最大因素就是結垢。任何技術也不能完全阻止垢的生成。垢是熱的不良導體,導熱系數比鋼鐵的導熱系數小幾十倍甚至幾百倍,大大降低換熱效率,介質出口溫度隨之下降,管線流通截面因此減小,流量降低,流動阻力增大,壓降明顯,泵的耗功增加,從而造成能源浪費,提高運營成本,影響正常生產。
    據文獻稱,管線結垢每增加1mm,綜合能耗提高3-5%。
    積垢存在的另一個危害是加劇腐蝕,縮短加熱爐的使用壽命,威脅油田的安全生產,以至造成更大的經濟損失。
    為了保證油田加熱爐裝置安、穩、長、滿、優地運行,采取科學有效的清垢技術顯得尤為重要。
    四、加熱爐傳統的清洗技術及發展方向 
    迄今為止,油田加熱爐的清洗仍然在沿用化學方法,就是用酸堿浸泡洗滌等手段,施工人員大都沒有經過專業系統的培訓,施工過程中經常出現以下問題和事故:
    1、產生硫化氫等有毒有害氣體,在新疆油田、中原油田和延長油田發生過多起人員傷亡的嚴重事件;
    2、清洗時,垢塊大面積松動坍塌易堵塞管線;
    3、化學清洗具有腐蝕性。管線產生“氫脆”現象和硫化物應力開裂,減少了管線的使用壽命,存在安全隱患。爐內盤管一旦泄露,需從原地整體吊出,切割開爐體,抽出盤管,進行更換,難度大,損失也大;
    4、酸液處理不達標就排放的話,對環境污染大;
    5、無法清洗堵死管線。
    物理清洗克服了化學清洗腐蝕、污染等諸多缺點,擁有高效、環保等諸多優勢,在所有能夠替代化學清洗的領域中得到廣泛應用。
    清洗行業在人們的傳統觀念中并不受重視,再加上物理清洗出現較晚,所以在油田建設之初,整體規劃設計當中沒有融入物理清洗的理念,基本沒有安裝與物理清洗配套的專用設施,現在依然如此。國內各大油田正在逐步推廣應用,但范圍還是有限,優勢沒有完全發揮出來。時至今日,安全、環保、節能、減排的呼聲越來越高,常規化學清洗的問題日益突出。尤其是三次采油技術的廣泛應用,在提高原油產量的同時也帶來一系列新的課題,其中比較突出的是:集輸系統結垢的速度明顯加快,產生的聚合物垢酸堿不溶,做為最基本環節之一的加熱爐也不例外,但是用物理方式清洗盤管式加熱爐難度很大,因為:
    1、易結硬垢。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,很容易達到過飽和狀態而結晶析出,結垢致密堅硬;
    2、結垢速度快,垢厚。爐管采用 “U”形連接,管阻大,介質流速慢,在高溫加熱的情況下,結垢速度加快,積垢嚴重;
    3、爐內盤管回程多,彎頭的曲率半徑僅為1D;盤管自身還可能有變徑、變形、卡點、焊接問題等復雜因素,傳統清管儀器無法通過,必然卡阻,進退不得,取出的辦法是切割開爐體,切下盤管彎頭,由于盤管排布密集,電氣焊操作空間狹窄,甚至無法操作,難度很大,延誤生產,爐體有傷,存在隱患。
    上述問題都是傳統物理清洗技術難以逾越的障礙,所以油田加熱爐盤管的清垢工作歷來就是物理清洗的禁區。
    五、微射流物理清洗技術在加熱爐上的應用
    1、技術原理
    微射流清洗技術是天津英特節能技術有限公司應用流體力學領域中的相關原理而開發的,清洗器放入管路后,在壓力水流的推動下快速向前移動,由于積垢的阻擋,在葉片狹窄的縫隙間水流陡然加速,同時出現急速旋轉的渦流,形成了連續移動的低壓區。這個區域的流水始終呈汽化狀態,由此產生的細微汽泡,又迅速被壓縮直至崩裂,瞬時激射出強力的微射流,無數的微射流匯聚成沖擊波,徹底粉碎了沉積物。
    2、技術特色
    1)對復雜的U型管、螺旋管、變徑管等特殊管線都能進行徹底清洗;
    2)對油垢、化學垢、水垢、銹垢、軟性垢、硬性垢、粘性垢等多種垢質都能進行徹底清除;
    3)可在線清洗地下長距離管道;地上管線不用拆解;
    4)“微射流”技術一次性清洗的距離長達10公里,對管道的長度和管徑沒有限制;清洗過程中,無需提供輔助設施。
    六、建議
    1、鑒于物理清洗具有安全、環保、高效和對管線無腐蝕等諸多好處,建議油田更廣泛地推廣應用;
    2、深入挖掘加熱爐的節能潛力,定期對加熱爐和管線進行清垢,保證集輸系統安全運行,進一步降低能耗;
    3、掌握先進的清洗技術,建設油田自己的清洗隊伍,研制靈活機動的車載式多功能清洗設備,為油田生產提供切實的保障;
    4、如果將油田現有的真空加熱爐陸續改造,采用“微射流”物理清洗技術,節能降耗、安全環保的意義很大;
    5、今后定購加熱爐,應該要求生產廠家安裝與物理清洗配套的專用設備。如果投入生產運行后再改造,耗費的人力物力財力太大了。
    隨著時代的進步和科技的發展,綠色的物理清洗已經成為潮流。實踐證明,“微射流”物理清洗技術應用于加熱爐清洗,不腐蝕管線,無污染,安全環保;優勢突出,清垢徹底,節能降耗明顯;提高加熱爐運行的可靠性,為油田帶來更大的經濟效益,極具應用推廣價值。

     

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