孫立波(大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠)
加熱爐廣泛應(yīng)用于各油田內(nèi)的中轉(zhuǎn)站、聯(lián)合站,發(fā)揮著及其重要的作用。轉(zhuǎn)油站加熱爐主要用于摻水、熱洗,是轉(zhuǎn)油站的主要能耗設(shè)備,加熱爐加熱介質(zhì)流量經(jīng)常變化,導(dǎo)致運(yùn)行參數(shù)發(fā)生變化,直接影響轉(zhuǎn)油站的能耗,部分加熱爐存在排煙溫度超標(biāo)問題。油田公司要求各單位進(jìn)一步提高天然氣開發(fā)利用效益,將天然氣產(chǎn)量變成銷售量、銷售量變成效益,各生產(chǎn)單位要合理利用天然氣資源。
喇嘛甸油田建有加熱爐308 臺(tái),加熱爐總?cè)萘繛?12 MW。加熱爐主要以臥式圓筒爐為主,加熱爐功率在1.16~3.6 MW,加熱爐一般用于摻水、熱洗、外輸、升溫。目前有摻水、熱洗加熱爐202臺(tái),占總數(shù)的65%,耗氣量占油田總耗氣的93.5%。因此需要強(qiáng)化加熱爐的運(yùn)行技術(shù)管理,研究加熱爐運(yùn)行參數(shù)的合理范圍,使加熱爐處于經(jīng)濟(jì)、安全運(yùn)行狀態(tài)。
排煙溫度高,煙氣帶走熱量多,熱損失大,熱效率低[1]。一般排煙溫度每升高10~15 ℃,熱效率降低1%[2]。臥式圓筒爐煙囪材料為Q235-A,該鋼材的允許工作溫度為350 ℃。碳鋼在高溫下的強(qiáng)度,有以下兩種不同狀態(tài):一是當(dāng)超過某一溫度時(shí),隨著溫度升高,鋼的強(qiáng)度開始明顯降低。二是鋼強(qiáng)度不僅隨溫度而變,而且超過某一溫度以后,隨著作用時(shí)間的增長,強(qiáng)度也會(huì)下降。在高溫下,即使壓力不大,由于作用時(shí)間的增長,鋼材也會(huì)斷裂。煙囪長期在350 ℃以上高溫狀態(tài)下運(yùn)行,鋼材疲勞蠕變,引起煙囪強(qiáng)度降低,存在安全隱患。排煙溫度進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化,提高加熱爐熱效率[3]。
全油田有9 臺(tái)熱洗爐排煙溫度超過350 ℃,最高達(dá)到391 ℃。排煙溫度超標(biāo)加熱爐數(shù)量占熱洗爐數(shù)量(57臺(tái))的15.7%。通過計(jì)算分析,發(fā)現(xiàn)加熱爐處于超負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài),超負(fù)荷運(yùn)行時(shí),燃燒器的提供熱量不能被爐管及時(shí)吸收,直接排入大氣,造成排煙溫度上升。當(dāng)加熱爐熱負(fù)荷過高時(shí),較高的排煙溫度增加了排煙熱損失[4]。
油田加熱爐工質(zhì)成分復(fù)雜、雜質(zhì)多、礦化度高、極易結(jié)垢,結(jié)垢后影響加熱爐換熱管的傳熱效果[5]。目前油田熱洗、回?fù)焦に嚮旧鲜褂玫亩际俏唇?jīng)凈化處理的水,在輸送過程中攜帶大量泥沙及其他混合物。同時(shí)水中含有大量鈣、鎂等礦物,受熱易結(jié)垢。從取樣分析情況看,污垢主要由鈣鎂的碳酸鹽、硫酸鹽,以及泥砂、油質(zhì)、膠質(zhì)、少量碳化物組成復(fù)合型垢。油田加熱爐常用材質(zhì)20R的導(dǎo)熱系數(shù)為46~52 W/(m·K),而加熱爐受熱面上的含油無機(jī)鹽污垢的導(dǎo)熱系數(shù)只有0.1~2.3 W/(m·K),僅是20R鋼的0.2%~5.0%左右。從表1金屬與垢層導(dǎo)熱系數(shù)的比較可以看出,結(jié)垢后的加熱爐換熱面,其復(fù)合導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)小于無垢時(shí)的數(shù)值。
表1 金屬與垢層導(dǎo)熱系數(shù)的比較
熱洗系統(tǒng)主要由機(jī)泵、加熱爐、管道、井筒組成,轉(zhuǎn)油站集輸系統(tǒng)見圖1。
根據(jù)公式(1)得出管道經(jīng)濟(jì)流量,見表2。
式中:Q為管道輸送介質(zhì)流量,m3/s;V為管道輸送介質(zhì)流速,m/s;d為管道直徑,m。
表2 管道經(jīng)濟(jì)流量
因此需要研究喇嘛甸油田熱洗爐的合理運(yùn)行參數(shù),在安全合理范圍內(nèi)選擇參數(shù),再開展熱洗工作。
加熱爐設(shè)計(jì)排煙溫度為260 ℃,臥式圓筒爐煙囪材料為Q235-A,該鋼材的允許工作溫度為350 ℃。排煙溫度超過350 ℃時(shí),煙囪會(huì)產(chǎn)生熱疲勞,鋼材強(qiáng)度下降,因此加熱爐排煙溫度最高不得超過350 ℃。
加熱介質(zhì)流量過低時(shí),加熱爐易結(jié)焦。管內(nèi)介質(zhì)的質(zhì)量流速宜為1 290~2 400 kg/(m2·s),在最小流量情況下,管內(nèi)介質(zhì)的質(zhì)量流速不低于980 kg/(m2·s)[6]。結(jié)合加熱爐設(shè)計(jì)參數(shù),在設(shè)計(jì)出口溫度為80 ℃的情況下,通過分析得出,1.16 MW熱洗加熱爐合理水量15~23 m3/h,1.74 MW熱洗加熱爐合理水量17~27 m3/h。
當(dāng)燃?xì)饬吭黾訒r(shí),介質(zhì)吸收的熱量多,出口溫度上升,負(fù)荷率提高;當(dāng)燃?xì)饬繙p少時(shí),介質(zhì)吸收的熱量減少,出口溫度下降,負(fù)荷率降低。加熱爐運(yùn)行負(fù)荷75%~100%效率比較高[7]。1.16 MW 臥式圓筒爐最低負(fù)荷為額定負(fù)荷65.2%;1.74 MW 臥式圓筒爐最低負(fù)荷為額定負(fù)荷73.5%。
調(diào)查了機(jī)采井的熱洗清蠟操作規(guī)程見表3,為熱洗工作提供操作規(guī)程。
為確定喇嘛甸油田機(jī)采井融蠟溫度和時(shí)間,借檢泵作業(yè)時(shí)機(jī),分別選取不同區(qū)塊16口井(水驅(qū)4口、聚驅(qū)12 口)的油管附著物樣本,開展室內(nèi)融蠟實(shí)驗(yàn),油井融蠟實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4。
機(jī)采井蠟完全融化溫度在49~60 ℃,融化時(shí)間在35~78 min,該參數(shù)為熱洗工作提供了依據(jù)。
圖1 轉(zhuǎn)油站集輸系統(tǒng)
表3 機(jī)采井熱洗清蠟操作規(guī)程
表4 油井融蠟試驗(yàn)數(shù)據(jù)
油田加熱爐是地面集輸、處理與輸送各個(gè)環(huán)節(jié)必不可少的重要生產(chǎn)設(shè)施之一[8]。由于油氣田加熱爐安裝區(qū)域分散,工作條件惡劣,管理難度較大,且存在一定程度的粗放管理,導(dǎo)致加熱爐運(yùn)行參數(shù)沒有隨著負(fù)荷、氣候及燃燒情況進(jìn)行及時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整,設(shè)備不能在始終在經(jīng)濟(jì)高效工作區(qū)運(yùn)行[9]。為此要及時(shí)優(yōu)化加熱爐運(yùn)行參數(shù),采取清淤除垢等措施,保障加熱爐處于良好的運(yùn)行狀態(tài)。
熱負(fù)荷加熱爐以下計(jì)算公式:
式中:W加熱爐熱負(fù)荷,MW;Q加熱介質(zhì)流量,m3/s;T2為加熱爐出口溫度,℃;T1加熱爐進(jìn)口溫度,℃;C 為常數(shù),取值4.18。
當(dāng)加熱爐進(jìn)口溫度取值40 ℃時(shí),在不同的出口溫度情況下,能夠得到加熱爐在額定熱負(fù)荷狀態(tài)時(shí),不同溫升與流量之間的對應(yīng)關(guān)系,根據(jù)溫度和流量參數(shù)(表5),繪制1.5 MW 加熱爐熱負(fù)荷控制曲線見圖2。
表5 熱洗爐溫度、溶量參數(shù)
圖2 1.5 MW加熱爐熱負(fù)荷控制曲線
在滿足熱洗溫度要求的原則下,利用熱負(fù)荷控制曲線優(yōu)化加熱爐的流量、溫度,實(shí)現(xiàn)加熱爐的安全高效運(yùn)行。優(yōu)化后,喇XXX1#加熱爐平均排煙溫度由360 ℃降至270 ℃,喇XXX2#加熱爐平均排煙溫度由364 ℃降至281 ℃,加熱爐參數(shù)優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對比見表6[10]。
表6 加熱爐參數(shù)優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對比
通過喇XXX1#和喇XXX2#轉(zhuǎn)油站熱洗爐參數(shù)優(yōu)化效果可以看出,在加熱爐不超負(fù)荷情況下,優(yōu)選流量、溫度參數(shù)進(jìn)行熱洗,能夠滿足油井熱洗要求,排煙溫度平均降低86.5 ℃,2臺(tái)加熱爐月節(jié)氣1.27×104m3,預(yù)計(jì)年節(jié)氣15.24×104m3,取得了一定節(jié)能效果。
某轉(zhuǎn)油站1#加熱爐容量為1.74 MW,原熱洗泵排量為48 m3/h。熱洗時(shí)1#加熱爐出口溫度為87 ℃,排煙溫度達(dá)到340 ℃。通過測算1#加熱爐熱負(fù)荷率達(dá)到112%,加熱爐處于超負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)。為合理匹配熱洗系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù),該站將48 m3/h 熱洗泵更換25 m3/h熱洗泵。更換后1#加熱爐出口溫度為87 ℃時(shí),排煙溫度為287 ℃,排煙溫度降低53 ℃,熱負(fù)荷率達(dá)到90%,在滿足熱洗要求的情況下,控制了1#加熱爐排煙溫度。措施后,某轉(zhuǎn)油站1#加熱爐預(yù)計(jì)年節(jié)氣1.35×104m3。
定期酸洗可防止加熱爐的盤管結(jié)垢,對于提高加熱爐熱效率與節(jié)約能源起到關(guān)鍵的作用[11]。喇ZZZ4#加熱爐投產(chǎn)于2014年。措施前喇ZZZ4#加熱爐排煙溫度達(dá)到270 ℃,排煙溫度超出設(shè)計(jì)參數(shù)。通過分析判斷該加熱爐出現(xiàn)結(jié)垢問題,導(dǎo)致排煙溫度升高。臥式圓筒爐管徑114~219 mm,對流室管徑60~89 mm,輻射室和對流室管徑不同,比較適合采用泵車酸洗技術(shù)。酸洗過程中需要對酸洗液進(jìn)行跟蹤化驗(yàn),判斷酸洗效果,控制酸洗時(shí)間。酸洗結(jié)束后,需要用清水進(jìn)行沖洗,消除殘留酸洗液,避免酸腐蝕。喇ZZZ4#加熱爐酸洗后排煙溫度由270 ℃降至240 ℃,排煙溫度降低30 ℃,排煙溫度控制在設(shè)計(jì)排煙溫度范圍內(nèi),說明措施有效。加熱爐酸洗能夠在一定程度上減少管內(nèi)積存垢質(zhì),酸洗費(fèi)用低。酸洗后,喇ZZZ4#加熱爐預(yù)計(jì)年節(jié)氣1.6×104m3。
喇YYY1#、YYY2#爐投產(chǎn)于1999 年,調(diào)查發(fā)現(xiàn)2 臺(tái)加熱爐盤管結(jié)垢,煙箱盤管腐蝕嚴(yán)重,煙箱盤管結(jié)灰垢,影響翅片換熱效果。大修后喇YYY1#加熱爐排煙溫度由267 ℃降低為145 ℃。喇YYY2#爐大修后排煙溫度由270 ℃降低為141 ℃。喇YYY1#、YYY2#加熱爐預(yù)計(jì)年節(jié)氣9.97×104m3。加熱爐大修后能夠徹底消除加熱爐爐管內(nèi)積存垢質(zhì)和外側(cè)灰垢,效果顯著。
通過采取措施降低加熱爐的排煙溫度,6 臺(tái)加熱爐預(yù)計(jì)年節(jié)氣29.21×104m3。天然氣價(jià)格按照1.41元/m3計(jì)算,年節(jié)約成41.19萬元。
1)通過研究熱洗爐溫度與流量關(guān)系,形成加熱爐熱洗溫度與流量控制曲線,為有效控制加熱爐排煙溫度提供技術(shù)依據(jù)。
2)根據(jù)加熱爐運(yùn)行年限、設(shè)備狀態(tài)選擇大修或酸洗措施,優(yōu)化熱洗設(shè)備參數(shù),能夠降低加熱爐排煙溫度,降低轉(zhuǎn)油站運(yùn)行能耗。