相變換熱加熱爐在油氣集輸領域的適應性

摘 要

摘要：介紹了相變換熱加熱爐的基本特點、在油氣集輸領域面臨的不利因素，探討了增強其在油氣集輸領域適應性的措施。關鍵詞：相變換熱；加熱爐；油氣集輸；換熱器；適應性Adaptability of
摘要：介紹了相變換熱加熱爐的基本特點、在油氣集輸領域面臨的不利因素，探討了增強其在油氣集輸領域適應性的措施。
關鍵詞：相變換熱；加熱爐；油氣集輸；換熱器；適應性
Adaptability of Phase-change Heat Transfer Heater in Oil and Gas Gathering and Transportation Field
WANG Ya-feng，ZHANG Xue-yan
Abstract：The basic characteristics of phase-ehange heat transfer heater and the disadvantageous factors faced in oil and gas gathering and transportation field are introduced. The measures for enhancing its adaptability in this field are discussed.
Key words：phase-change heat transfer；heater；oil and gas gathering and transportation；heat exchanger；adaptability
   石油工業(yè)油氣集輸領域的被加熱介質主要是原油、井產(chǎn)物、高礦化度污水、含油污水、未經(jīng)處理的伴熱水和采暖水，這些介質在加熱過程中易結垢、結焦、易燃易爆，因此不適合采用火焰直接加熱，應采用間接加熱方式。
   將相變換熱技術與先進的燃燒技術、傳熱技術完美結合的相變換熱加熱爐是間接式加熱設備的一種，具有安全、環(huán)保、節(jié)能、高效等優(yōu)點。相變換熱加熱爐以其無可比擬的廣泛適應性較好地滿足石油行業(yè)用戶的需求，已成為石油行業(yè)傳統(tǒng)加熱設備的理想替代爐型，在油田油氣集輸領域具有廣泛的應用空間。
1 相變換熱加熱爐的基本特點
   相變換熱是利用液體蒸發(fā)、氣體冷凝進行熱量傳遞的過程。相變換熱包括真空相變和壓力相變2種換熱方式。該技術應用于油田加熱爐具有以下基本特點：
   ① 傳熱系數(shù)大，換熱效果好
   相變換熱加熱爐運行時，可以采用較低壓力下具有較高沸點的中間傳熱介質，相對于液浴式加熱增加了汽化潛熱的能量傳遞，可以更有效地提高換熱器的傳熱系數(shù)，減少換熱管的傳熱面積。
    ② 不易結垢，無氧腐蝕，加熱爐壽命長
    可采用成本低廉的水作為中間傳熱介質，水在封閉狀態(tài)下運行，完成受熱蒸發(fā)、換熱冷凝。運行實踐表明：若采用可靠的密封方式，正常運行時相變換熱加熱爐極少失水，補水量小，補水所帶入的鈣鎂離子含量十分有限，不至于在爐內形成垢層。因此，爐體受熱面不易結垢，不會發(fā)生過熱損壞，安全可靠。
    相變換熱加熱爐在停運后再啟動時，需適當排出少量蒸汽，將漏入的空氣帶走，此過程稱為排氣過程。排氣已將爐內空氣排掉，外界空氣也不會大量滲入，因此爐內基本為無氧狀態(tài)，避免了氧腐蝕的發(fā)生，確保了加熱爐的使用壽命。
   ③ 運行成本低，熱效率高
   中間介質水受熱蒸發(fā)、換熱冷凝，是在重力作用下實現(xiàn)的，無需外界動力，故沒有動力成本，運行成本低。相變換熱加熱爐對鍋水品質適應性較強，采用潔凈自來水即可。因此，不必配備專門的水處理設備，有效地節(jié)約了成本。
    因爐體的受熱面不易結垢，加熱爐的爐膽、煙管等受熱面能始終保持很高的傳熱系數(shù)，使加熱爐可以持久地保持較高的熱效率(88%～91%)，節(jié)約大量的燃料。
2 油田用加熱爐面臨的不利因素
   ① 燃料品質差
   油氣田加熱爐使用的燃料多為只經(jīng)過粗處理的燃料，一般為含水、含輕烴的天然氣或含水、含砂和腐蝕性介質的原油等。常會出現(xiàn)以下問題：冬季燃氣管路和控制閥凍結；含水、含砂原油在采用壓力霧化方式燃燒時，因含水率高不易點火甚至熄火或細砂磨損堵塞噴嘴、磨損供油泵的密封件。
    ② 運行環(huán)境惡劣
    我國陸上油田多分布在環(huán)境惡劣的地區(qū)，如冬季室外氣溫可達到-40℃的大慶油田、吉林油田，海拔為3km、空氣稀薄的青海油田，地處沙漠腹地的塔里木油田。這些嚴酷的工作環(huán)境，向在野外連續(xù)運行、要求具備高可靠性的加熱設備提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。
    ③ 被加熱介質復雜多樣
    被加熱介質多為含水原油、外輸原油、井產(chǎn)物、高礦化度污水、含油污水、天然氣、原油天然氣和水的混合物以及未經(jīng)處理的伴熱水、采暖水等，這些介質在加熱過程中易結垢、易結焦、腐蝕性強、黏度大、壓力高。
3 加熱爐在油氣集輸領域的適應性
3.1 對燃料的適應性
    將相變換熱加熱爐與先進的燃燒設備相結合，對石油行業(yè)常用燃料有良好的適應性。如常用的燃煤加熱爐、燃氣加熱爐、燃油加熱爐、燃油燃氣加熱爐等。
    燃油燃氣加熱爐可借鑒燃油(氣)臥式內燃工業(yè)鍋爐的成熟經(jīng)驗，采用微正壓通風燃燒方式和波形爐膽、螺紋煙管等強化燃燒技術，提高火筒的容積熱強度，使燃燒過?？諝庀禂?shù)控制在1.1～1.3，以達到較好的技術經(jīng)濟指標。
    燃煤加熱爐可采用新型水火管爐體結構，爐膛可采用拱形管板、螺紋煙管使鍋殼由準剛性體變?yōu)闇蕪椥泽w，再配以翼形煙道，可避免傳統(tǒng)煙火管鍋爐的高溫管板開裂。
    對于低品質燃料可采取適當措施增強加熱爐的適應性。
    ① 含水和含輕質油的低品質燃氣
    a. 在加熱爐系統(tǒng)中設置燃氣預熱盤管對燃氣進行預熱，使燃氣溫度達到40℃左右，可有效地改善燃燒條件，亦可避免冬季運行時在燃氣管路和控制閥內形成水合物，阻塞管路。
    b. 加大燃燒器點火電極功率，確保冬季運行的點火成功率。
    c. 采用適宜的火焰探測方式，以保證運行可靠性。
   ② 低品質燃油
   由于壓力霧化方式不適用于低品質燃油，因此宜選用非壓力霧化方式的燃燒器，以增強加熱爐的適應性。如德國的扎克系列燃燒器采用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；意大利的百得燃燒器、德國的威索燃燒器主要采用轉杯霧化器，適合于輕油、重油、天然氣和油氣混合型燃料。
3.2 對運行環(huán)境的適應性
    ① 可為加熱爐配置操作板房，內設散熱器，確保其內的儀器儀表安全過冬。
    ② 合理設計對流受熱面的結構，合理確定燃燒器的種類及型號，確保加熱爐在高海拔地區(qū)正常運行。
    ③ 將加熱爐及其附件進行一體化裝配，既方便安裝又可增強燃燒器等配套自控設備對惡劣環(huán)境的適應性。
3.3 對被加熱介質的適應性
3.3.1原油
    加熱原油所需的換熱面積及換熱器形式與原油黏度、油中含水及含氣量有關。
    ① 給溫度為50℃時，黏度在50mPa·s以下的原油加熱，通常采用常規(guī)的盤管式換熱器的真空相變換熱加熱爐。
    ② 對于重質原油，其溫度為50℃時，黏度的數(shù)量級高達103～104mPa·s，其膠質、瀝青質含量較高。為防止加熱時嚴重結焦，必須采用間接加熱的方式。采用正壓運行的分體式相變換熱加熱爐能夠很好地滿足此類加熱需求，且可獲得良好的經(jīng)濟性。換熱器一般可采用管殼式，管程阻力小且便于除污垢和檢修。
   ③ 對于像勝利油田這種油中含砂量高的情況，可使換熱器與抽砂泵配合使用，用抽砂泵將沉積在管箱內的沉砂抽出送入出口管線中，解決沉砂影響換熱效果的問題。
3.3.2油田污水
   油田污水加熱面臨的主要問題是結垢與腐蝕。
   ① 結垢
   隨著我國大部分油田進入注水采油階段，采油及集輸系統(tǒng)的結垢問題日益突出。結垢對油田危害巨大，垢在采油、集輸系統(tǒng)中的沉積會增加流體的阻力，從而增加能耗；還可造成垢下腐蝕，影響正常生產(chǎn)。換熱管束垢層主要有碳酸鈣、硫酸鈣結垢和硫酸鋇、硫酸鍶結垢，其熱導率很低。解決加熱爐結垢問題可從以下幾方面入手：
   a. 換熱器設計時考慮足夠的冗余換熱面積即在根據(jù)清潔時的總傳熱系數(shù)確定的傳熱面積基礎上，增加一定百分比的傳熱面積(通常為20%～30%)[1]，使在結垢導致傳熱系數(shù)顯著降低時，仍能保證加熱爐的出力。
   b. 在滿足壓降要求的前提下，換熱器設計時盡可能提高被加熱介質的流速。流體的流速可以通過對傳熱傳質的影響和機械作用力使結垢受到影響。一般情況下，流速大可阻礙固體顆粒在壁面的沉積，并使晶粒不易附著，從而減輕結垢。
   c. 采用高效、環(huán)保除垢的換熱器結構。厚壁盤管換熱器，適用于酸洗除垢(多為碳酸鹽垢)，管壁腐蝕余量一般可取3～5mm；可抽出式盤管換熱器，盤管管束一端與換熱器殼體采用大口徑法蘭連接，可定期抽出盤管管束檢查，亦可方便地更換管束，宜用于十分重要的加熱或腐蝕性強及易結硫酸鋇、硫酸鍶垢的場合；管殼式換熱器，適用于物理方法除垢，如采用高壓水射流或機械鉆具等物理方法能快速除垢，且對換熱器損害小。
   d. 運用具有顯著效果的防垢、除垢技術，減緩結垢速度、延長清理周期，如運用電子、聲學、磁電聯(lián)爆等防垢、除垢技術。
   ② 腐蝕
   許多油田的采出水含有高濃度的Cl-，有的已達到海水Cl-濃度的幾倍。Cl-對碳鋼、不銹鋼均具有較強的腐蝕性，主要腐蝕形式為坑狀點蝕，這使得換熱管束的使用壽命大大縮短，常會導致?lián)Q熱管穿孔。由于其腐蝕不是均勻腐蝕，單靠增加管體壁厚不能顯著延長換熱管的壽命。此外，碳酸根離子、氫硫酸等的腐蝕也很常見。
    可以根據(jù)腐蝕介質的不同采取靈活多變的應對措施，如采用銅管換熱器或涂敷防腐涂層的碳鋼管換熱器應對Cl-腐蝕，采用不銹鋼換熱器應對碳酸根離子；采用換熱管管壁涂敷鎳的方法阻止氫硫酸的腐蝕。
3.3.3天然氣
    ① 含濕H2S的井產(chǎn)物
    在一些天然氣井產(chǎn)物中，含有較高濃度的H2S，其與水結合后對各種金屬均具有強烈的應力腐蝕。對此種介質加熱，從安全性角度考慮必須采用真空相變換熱加熱爐；并采用耐H2S腐蝕的低碳鋼厚壁盤管式換熱器，對換熱器進行整體熱處理，消除組織應力和降低硬度；此外，換熱管束還需做成可抽出式結構，便于定期檢測壁厚和及時更換換熱管束。
   ② 含CO2的井產(chǎn)物
   在某些井產(chǎn)物中含有濃度超標的CO2，與水反應生成腐蝕性較強的碳酸。當井產(chǎn)物中Cl-含量低時，采用不銹鋼管換熱器；當Cl-含量高時，采用碳鋼管殼式換熱器，在天然氣側涂敷防腐涂層，利用涂層優(yōu)異的抗腐蝕和抗磨損性能，解決腐蝕問題。
參考文獻：
[1] 張少峰，劉燕.換熱設備防除垢技術[M].北京：化學工業(yè)出版社，2003.
 
(本文作者：王亞鋒 張雪巖 中國石油冀東油田公司 河北唐海 063200)