傳統(tǒng)水套式加熱爐溫度自控裝置的研制與應(yīng)用

付穎 （中國石油遼河油田公司金馬油田開發(fā)公司）

傳統(tǒng)水套式加熱爐溫度自控裝置的研制與應(yīng)用

付穎 （中國石油遼河油田公司金馬油田開發(fā)公司）

為了使傳統(tǒng)水套式加熱爐燃燒穩(wěn)定，實現(xiàn)油田加熱爐的高效運行，節(jié)氣挖潛，針對海外河油田天然氣氣壓不穩(wěn)等問題，進行加熱爐溫度自控裝置的研究。通過以膨脹系數(shù)較高的特種導(dǎo)熱油作為內(nèi)部介質(zhì)，利用感溫器檢測溫度的變化，從而使其容積發(fā)生相應(yīng)變化，來調(diào)控彈簧閥門進行燃料氣流量的控制，實現(xiàn)加熱爐的穩(wěn)定燃燒。在金馬海外河油田現(xiàn)場試驗應(yīng)用后，加熱爐溫度控制在設(shè)定溫度±3℃以內(nèi)，加熱爐熱效率提高了8%，節(jié)氣效果明顯。

傳統(tǒng)水套式加熱爐；溫度自控裝置；介質(zhì)；測試；效率

引言

海外河油田屬于普通稠油區(qū)塊，1989年投入開發(fā)，隨著油田開發(fā)的深入，天然氣產(chǎn)量逐步下降，而需求量又逐步上升，在溫度、風(fēng)力、油井產(chǎn)液量等變化影響下，該區(qū)目前天然氣供不應(yīng)求且氣壓不穩(wěn)。

傳統(tǒng)的水套式加熱爐主要由水套、火筒、火嘴和加熱盤管等部分組成。其工作原理是首先由火筒煙管內(nèi)的煙氣對其周圍的水進行加熱，然后熱水對盤管內(nèi)的介質(zhì)進行水浴加熱，提升盤管內(nèi)介質(zhì)的溫度，以便外輸[1]。而老式的加熱爐火嘴自動化程度低，需要人工根據(jù)經(jīng)驗手動調(diào)節(jié)閥門控制火嘴的供氣量，來調(diào)整加熱介質(zhì)的出口溫度[2]。目前海外河油田加熱爐使用的氣源主要是油井自產(chǎn)的伴生氣，氣壓變化較大（0.05～0.2 MPa），而巡井制度規(guī)定每4h正常巡井1次（圖1）。這樣，經(jīng)常會因氣壓變化來不及調(diào)整，造成加熱爐爐火忽高忽低。爐火變大，就會使爐子內(nèi)部加熱溫度過高，導(dǎo)致原油易結(jié)焦，對加熱爐造成損害，同時也降低加熱爐運行熱效率，浪費燃料，嚴重了還會燒穿爐管引發(fā)安全事故；爐火變小，就會使爐子燃燒不充分，達不到規(guī)定溫度，輸油阻力大，造成外輸離心泵抽空等狀況發(fā)生，容易損壞外輸離心泵[3]。同時，爐火不穩(wěn)定還容易使爐子產(chǎn)生積炭，氣壓太小時爐火易熄滅；如果重新點爐火，容易發(fā)生閃爆。

圖1 海外河油田天然氣壓力變化

1 自動溫度控制器

1.1結(jié)構(gòu)

選擇膨脹系數(shù)高的介質(zhì)，利用溫度造成的容積變化來調(diào)控彈簧閥門，開大或關(guān)小閥門，實現(xiàn)自動溫控（圖2）。

圖2 自動溫度控制器結(jié)構(gòu)

1.2膨脹介質(zhì)

當介質(zhì)通過感溫器感受到溫度變低時，介質(zhì)體積變小，在復(fù)位彈簧組的作用下，閥芯與閥體之間的天然氣流通面積變大，送氣量變大，加熱爐出口溫度回升；溫度升高時，盒內(nèi)的介質(zhì)體積變大，在復(fù)位彈簧組的作用下，閥芯與閥體之間的天然氣流通面積變小，送氣量變小，加熱爐出口溫度下降。設(shè)計出該裝置后，在材質(zhì)的選擇上，根據(jù)介質(zhì)的常熟性，制定了PDPC決策法，按照PDPC法進行了實驗（圖3）。

圖3 加熱爐溫度自動控制在設(shè)定溫度PDPC過程決策圖

1）選用水銀作為介質(zhì)，經(jīng)過5次測試，受物性影響，水銀感應(yīng)太快，平均3 s即開始調(diào)整，易對內(nèi)部機械裝置造成損傷；同時，調(diào)控次數(shù)多，對各部件損害較大，結(jié)論不成功。

2）選用酒精作為介質(zhì)，經(jīng)過5次測試，受物性影響，在標準大氣壓下，酒精的沸點為78℃；如果超過這個溫度，將會沸騰，結(jié)論不成功。

3）選用煤油作為介質(zhì)，經(jīng)過8次測試，受物性影響，煤油的比熱比水銀大得多，反應(yīng)不夠靈敏，僅僅適合于精度要求不高的場合，結(jié)論不成功。

4）選用導(dǎo)熱油作為介質(zhì)，導(dǎo)熱油溫、黏度系數(shù)小，抗氧化，揮發(fā)性小，對金屬無腐蝕，膨脹系數(shù)較大。經(jīng)過10次測試，感應(yīng)相對平緩，平均為10～12 s即開始調(diào)整，適合生產(chǎn)需要。該裝置在海8#站的1臺已停用的計量加熱爐上進行了試驗，能保持爐子溫度控制在設(shè)定范圍之內(nèi)。結(jié)論成功，此方案可采用。

通過對上述4個方案進行試驗并對比分析證明，利用導(dǎo)熱油容積變化符合設(shè)計的目標，達到自動控溫的效果。

2 現(xiàn)場試驗

將溫度控制裝置尺寸設(shè)計如下：上座外徑76 mm，高130 mm；內(nèi)部介質(zhì)盒外徑55 mm，長度20 mm；傳動桿外徑7.5 mm，長度55 mm；壓力彈簧材質(zhì)選擇彈性指數(shù)為114的62Si2MnA（優(yōu)質(zhì)62硅2錳）。

在海11#站600 kW加熱爐和海1#站960 kW加熱爐上安裝并進行試驗。設(shè)定加熱爐溫度控制在±5℃以內(nèi)，通過監(jiān)測，溫度能夠控制在設(shè)定溫度±3℃以內(nèi)（表1）。

表1 天然氣壓力與加熱爐出口溫度對比數(shù)據(jù)

從表1可以看出，氣壓在0.05～0.2 MPa之間無規(guī)律波動，但溫度上下變化不超過3℃。由此可以認定，在天然氣氣壓仍然波動的情況下，實現(xiàn)加熱爐溫度控制在設(shè)定溫度的±3℃以內(nèi)，達到設(shè)定溫度控制在±5℃以內(nèi)的工作目標。

同時，對海11#站50×104kcal加熱爐進行了自動穩(wěn)控裝置安裝前后正反平衡測試（表2）。通過熱工正反平衡測試計算，得出加熱爐應(yīng)用溫度自動控制裝置后，平均正平衡熱效率提高了8%，節(jié)能率提高了17.1%。

3 經(jīng)濟效益

1）創(chuàng)效。實施后，2臺加熱爐節(jié)氣7.23× 104m3，按每立方米氣0.52元計算，年可節(jié)約成本3.8萬元；減少了因天然氣壓力不穩(wěn)而造成的安全隱患和間接發(fā)生的修泵、爐成本費用和人工費用2萬元，合計5.8萬元。

2）投入費用。按單套溫控器0.3萬元計算，2臺投入資金0.6萬元，試驗費用0.5萬元，合計1.1萬元。

3）年經(jīng)濟效益4.7萬元。經(jīng)濟效益可由下式求得：

式中：E為經(jīng)濟效益，萬元；Ni為節(jié)約i種成本的數(shù)量；Ci為第i種成本的定額，萬元；I為投資，萬元。

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.04.002

付穎，工程師，2000年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院（石油與天然氣開采專業(yè)），從事質(zhì)量管理、標準化管理工作，E-mail：lhjmfy@sina. com，地址：遼寧省盤錦市興隆臺區(qū)金馬油田開發(fā)公司技術(shù)監(jiān)督中心，124010。

中國石油天然氣股份有限公司重大科技專項“低碳關(guān)鍵技術(shù)研究”（2011E24）