机械除垢式加热炉站场应用实验与性能评价

史亮　（大庆油田有限责任公司第四采油厂）



机械除垢式加热炉站场应用实验与性能评价

史亮（大庆油田有限责任公司第四采油厂）

针对常规火筒式加热炉在加热三采采出水过程中出现的淤积结垢严重、烧损频率高等问题，在三采区块试验了一种新型分体式加热炉（分体式加热炉）。通过对分体式加热炉的运行参数、结构及机理进行分析，并对比常规加热炉在现场的实际应用，在优化运行的基础上，客观评价了分体式加热炉除垢效果和能耗情况。现场实验表明分体式加热炉除垢效果明显，加热三采采出液具有较好的适应性，同时对比相同功率常规加热炉可节省天然气用量，节能效果较好。

分体式加热炉；火筒加热炉；结构机理；机械除垢；性能评价

目前，大庆油田在对采出水进行掺水、热洗回掺单井过程中采取的是常规火筒炉加热的方式。在生产运行过程中，特别是在加热三元、聚驱采出水时，火筒式加热炉烟、火管结垢严重，加热炉鼓包、烧损现象比较突出。以杏北油田杏六区东部三元复合驱区块为例，该区块建设转油站2座，火筒式加热炉6台，在见剂高峰期，烟、火管外侧结垢淤积达到35 mm/a，年烧损加热炉达到11台。同时，由于结垢影响造成加热炉提升速度慢，加大了日常生产运行管理难度。因此，在新建三元复合驱区块现场实验应用了分体式机械式自动除垢加热炉（分体式加热炉），研究在机械除垢、耗气量方面的现场应用效果，为解决三采区块加热炉存在的运行问题提供参考依据。

1　分体式加热炉运行机理

该装置与火筒式加热炉最大的区别是将加热、换热由同腔式改为分腔式，并利用蒸汽加热代替了明火直接加热，从而提高了炉体传热效率，降低运行能耗。同时，为避免三元采出液中碳酸盐、硅酸盐类垢晶核在高温下析出、结晶引发的局部过热现象，该装置设计在换热器表面安装除垢钢刷，定时清理沉积的污垢，避免因局部过热引发的鼓包现象，达到延长加热炉使用寿命，降低后期维护投资的目的。

1.1参数及应用范围

分体式加热炉由卧式加热炉以及立式换热器

（配有除垢刷）两部分组成（表1）。

表1　分体式加热炉设计参数

该装置适合应用在油田转油站、联合站的泵前加热炉流程中，加热原油和含有各种杂质（聚合物、颗粒物）污水，尤其是在加热聚合物驱、三元复合驱采出水时具有明显的优势。

1.2主要结构及工作原理

分体式加热炉工作时，载热体由出口2通过管道进入换热器管程，同时被加热介质由入口7进入换热器壳程，在换热器内载热体与被加热介质充分换热，冷却后的热载体通过回口8流回加热炉重新加热升温，被加热介质吸热升温后由出口4流出（图1）。在工作中换热器上的自动除垢装置的减速机驱动主轴带动除垢钢刷在换热器内的换热体上下表面运动，除掉或防止污垢沉积在换热体的换热面上，从而达到除防垢的目的。

图1　分体式加热炉主要结构

2　现场使用效果及评价

2.1除垢效果

杏北油田三元-2转油站建有分体式加热炉1台，二合一加热炉3台，在保证来水水质一致的情况下，通过现场实际应用情况，对比分体式加热炉与常规加热炉的除垢效果（表2）。

表2　2014年两种加热炉淤积结垢情况对比

通过数据可以看出，分体式加热炉换热体表面光滑，未结垢，钢刷无损坏，除垢效果明显。目前杏北油田三元-2转油站分体式加热炉已运行2.5年，未出现淤积烧损问题。与同期对比的常规二合一加热炉相比，年维护费用减少30万元。

2.1.1优化除垢周期

结合分体式加热炉运行，进一步摸索确定了刮垢周期。分体式加热炉在刮垢过程中会造成水中悬浮物的变化，因此通过对比不同刮垢周期内的出水含悬浮物情况，可确定最佳刮垢周期。

现场分别试验了6次/d、3次/d、2次/d和1次/d的刮垢周期下的水质含悬浮物变化情况（表3），对比不同刮垢周期2次刮垢时间间隔内的出水水样化验，发现刮垢周期为3次/d的刮垢后出水水样含悬浮物最低，并与2次/d、1次/d的出水水样悬浮物相差不多，考虑到刮垢周期延长，会造成换热体表面结垢增厚，刮垢刷不易刮下来，降低加热炉炉效。因此，现场摸索确定了最佳的刮垢周期为3次/d。

表3　刮垢周期水质悬浮固体含量

2.1.2改进垢质截留设计

试验初期，对比了杏北油田三元-2转油站站内的分体式加热炉和常规二合一加热炉出水水质效果。

对转油站沉降罐出水、分体式加热炉出水及二合一加热炉出水取样化验，从化验结果看（表4），自动除垢加热炉比常规二合一加热炉出水含悬明显偏高。经分析，分体式加热炉的污水进口在炉体的下端，出口在上端，污水上行过程中将除垢装置刮下的固相物质带入掺水管道所致（图2）。

针对分体炉出水水质差的问题，在最上层换热体的通孔处设计安装了过滤网，滤网目数为40目，实现对管路垢质的截留，过滤网的下端面与换热体的下端面平齐，以便旋转的钢刷对过滤网的清扫，使下层刮下的垢质截留沉降在炉体底部，不随水流带入下游掺水管道。

表4　加热炉出水水质情况对比

图2　分体炉换热体原理

对9月1—28日运行情况进行改造，运行后分体式加热炉出水水质得到改善，含悬浮物平均为67 mg/L，较常规二合一加热炉降低23 mg/L（图3）。

图3　分体式加热炉垢质截留技术改进前后效果对比

2.2能耗效果评价

为保证试验参数对等，选取杏北油田杏三-四区东部三元-5转油放水站分体式加热炉和二合一加热炉进行能耗效果评价，基础参数见表5。

表5　分体式加热炉与常规二合一加热炉能耗参数情况

从升温效果看，在进口温度为35℃时，分体式加热炉在1.5 h可将温度升至80℃，而常规二合一加热炉需要4 h（图4）。

图4　分体式加热炉与火筒式加热炉提温曲线

实验选取5月1—12日的耗气量作为参数进行对比（图5），分体式加热炉平均每天可节省耗气276 m3。经中国石油天然气集团公司节能监测评价中心测试，加热炉正平衡效率为87.75%；加热炉反平衡效率为85.68%；加热炉平均热效率为86.71%［1］。

图5　分体式加热炉与火筒式加热炉自耗气对比

3　经济效益

由于分体式加热炉耗气量低于传统火筒式加热炉，且其购进花费与后者相当，使得其在经济效益方面有显著的效果。以三元-5转油放水站单台分体炉进行经济效益计算：设备价差分体式加热炉比二合一加热炉高27万元。降低运行成本年节气约2.95×104m3，年减少清淤、大修费用30万元，当年即可收回差价成本。

4　结论

1）分体式加热炉采取热蒸汽对流加热设计，传热效率高，较火筒式加热炉提温速度快，同时避免了含油污水直接火管加热，降低了加热炉烧损概率。

2）分体式加热炉采用机械式除垢方式，运行1年后换热体表面光滑，钢刷无损坏，除垢效果明显。

3）分体式加热炉运行过程中根据采出水的物性变化，合理优化刮垢周期，同时采用垢质截留技术，对三元复合驱地面工艺适应性较强。

4）在同等参数条件下，与常规火筒式加热炉相比，分体式加热炉具有能耗低、温升快、经济效益高的特点。

［1］孙金凤，毕航铭，王岩.一种自动除垢式加热炉节能效果分析［J］.石油石化节能，2015（8）：41-43.

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.09.012

2016-04-05

（编辑张馨怡）

史亮，工程师，2003年毕业于大庆石油学院（石油工程专业），从事地面工程生产管理和运行工作，E-mail：xuwenhui@petrochina.com.cn，地址：黑龙江省大庆市红岗区第四采油厂规划设计研究所，163511。