加熱爐自動除垢裝置的設(shè)計及應(yīng)用

張春成

（大慶油田裝備制造集團容器分公司，黑龍江大慶 163300）

0 引言

隨著我國各大油田逐步進入開采的中后期，聚驅(qū)、三元復(fù)合驅(qū)等油田開采技術(shù)逐步被大規(guī)模應(yīng)用，加熱爐作為油田集輸工藝中的主要加熱設(shè)備，其加熱介質(zhì)已逐步呈現(xiàn)多元化發(fā)展，特別是隨著堿—表面活性劑—聚合物三元復(fù)合驅(qū)采油新技術(shù)應(yīng)用越來越多，由于三元介質(zhì)有高黏度、掛壁等問題，致使常用加熱爐結(jié)垢嚴重、溫升不足、熱效率低、清垢作業(yè)周期短費用高，導(dǎo)致加熱爐不能長期穩(wěn)定工作；作為中轉(zhuǎn)站、聯(lián)合站常見的集輸設(shè)備的加熱爐結(jié)垢問題日益凸顯；目前主要依靠添加化學(xué)藥劑的方法減緩結(jié)垢速度，但聚合物所結(jié)的垢層對酸堿不敏感，清洗效果不好，而且運行成本較高[1-3]。

針對三元復(fù)合驅(qū)技術(shù)應(yīng)用過程中帶來的加熱爐煙火管結(jié)垢及燒損問題，設(shè)計了一種在線除垢機械裝置，用于結(jié)垢問題較為集中的高溫傳熱段，實現(xiàn)定時或連續(xù)除垢功能，有效解決因垢層生長而導(dǎo)致的加熱爐傳熱效率降低、熱阻大、煙火管燒穿等問題，延長設(shè)備維修周期，降低生產(chǎn)成本。

1 三元復(fù)合驅(qū)加熱爐設(shè)備技術(shù)參數(shù)、性能特點及用途

加熱爐的容器類別為II類，設(shè)計壓力0.3 MPa，工作壓力0 MPa；出口溫度80℃，進口溫度30℃，介質(zhì)為含油污水；外形尺寸為Φ3020 mm×1500 0 mm，全容積為 105 m3，操作容積54 m3。石油工業(yè)常用的加熱爐，按結(jié)構(gòu)型式可分為火筒加熱爐和管式加熱爐。

火筒加熱爐是油氣田和長輸管道用火焰加熱原油、水及其混合物等介質(zhì)的專用設(shè)備之一，有結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、使用方便、壽命長、造價低等優(yōu)點，被油田廣泛采用。通過在金屬圓筒殼體內(nèi)設(shè)置煙火管傳遞熱量，將燃料燃燒釋放的熱量直接或間接地傳遞給被加熱介質(zhì)，使原油、天然氣及井產(chǎn)出液加熱到工藝所要求的溫度，然后進行輸送、沉降、分離、脫水和初加工等工序。

2 三元復(fù)合驅(qū)加熱爐自動除垢裝置原理及特點

2.1 除垢裝置工作原理

火筒加熱爐（可分為二合一、四合一、五合一等型號的加熱段與火筒爐類似）在輸送三元復(fù)驅(qū)采出液時，易發(fā)故障部位為煙火管加熱段，多因結(jié)垢嚴重所導(dǎo)致的熱阻增大、煙火管燒穿變形。三元復(fù)合驅(qū)自動除垢加熱爐主要由操作間內(nèi)的控制系統(tǒng)、煙火管換熱系統(tǒng)、煙囪及煙箱、電機傳動裝置及除垢刮板組件等部分組成（圖1）。除垢原理：在煙火管加熱段增加除垢刮板組件，電機傳動裝置通過絲杠帶動除垢刮板上的螺母，進而帶動除垢刮板組件在火管及煙管的軸線方向一定的行程內(nèi)做往復(fù)除垢動作。

圖1 三元復(fù)合驅(qū)加熱爐自動除垢裝置結(jié)構(gòu)示意

2.2 結(jié)構(gòu)特點

自動除垢加熱爐是在不改變原有加熱爐功能的情況下，對火管及煙管進行優(yōu)化設(shè)計，增加了一套除垢裝置，有結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、傳動平穩(wěn)、傳動比精確、行程調(diào)節(jié)方便和適用性強等優(yōu)點。

（1）電機傳動采用磁力傳動裝置，密封性好，加熱爐內(nèi)介質(zhì)無泄漏，對環(huán)境無污染。

（2）優(yōu)化了傳統(tǒng)加熱爐大煙管與火管之間連接的結(jié)構(gòu)，火管與煙管之間增加煙箱，火管與煙箱增加過渡段柔性接管；保持換熱面積不變，尺寸規(guī)格較大的煙管換成具有規(guī)格小的煙管，煙管垂直煙箱安裝，各個煙管軸線保證較高的平行度便于除垢機構(gòu)運行自由無卡阻。

（3）除垢裝置機架結(jié)構(gòu)主要由煙管鋼絲刷筒體組件、傳動螺母組件、火筒鋼絲刷筒體組件、機架導(dǎo)向裝置組件4部分組成；工作時鋼絲刷筒體組件可360°包覆與煙管、火管，隨著機架的運動清除附著于煙管及火管上的垢層（圖2）。

（4）除垢刮板組件定位機構(gòu)安裝定位準確，機架運行平穩(wěn)。刮板組件上裝有定向?qū)л喲b置，保證除垢機架的位移方向，螺母螺紋與絲杠螺紋留有一定間隙，防止卡死現(xiàn)象。

2.3 電控系統(tǒng)

電控柜系統(tǒng)主要由PLC控制系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)可以根據(jù)油田用戶站內(nèi)輸送介質(zhì)結(jié)垢速度的實際情況，設(shè)置控制參數(shù)，控制電動傳動裝置中伺服電機的頻率，改變旋轉(zhuǎn)除垢機構(gòu)的運轉(zhuǎn)周期，可以全天候運轉(zhuǎn)，也可以間歇運轉(zhuǎn)。在除垢機構(gòu)下部出現(xiàn)大量泥沙淤積、瞬時扭矩過大時，PLC系統(tǒng)會自動發(fā)出報警信號，具有扭矩過載保護功能。

圖2 除垢裝置機架結(jié)構(gòu)

3 現(xiàn)場應(yīng)用

2015年，2臺三元復(fù)合驅(qū)加熱爐在線除垢裝置在大慶油田采油一廠某站開始投產(chǎn)應(yīng)用（圖3）。加熱爐經(jīng)過一年四季不同氣候條件的運轉(zhuǎn)，未發(fā)現(xiàn)煙火管因垢層熱阻增高而燒穿或者變形的現(xiàn)象，各項運行指標能夠滿足現(xiàn)場工藝需求，清垢周期明顯縮短，可達到8個月清理一次污垢的技術(shù)指標。實踐應(yīng)用證明，本裝置設(shè)計思路正確，可繼續(xù)進行優(yōu)化推廣。

三元復(fù)合驅(qū)加熱爐在線除垢裝置適應(yīng)油田含聚介質(zhì)加熱的工藝需求，可以長期高效運行，還可以根據(jù)污垢生產(chǎn)速度自行設(shè)置清垢周期，集中清淤、清罐；可節(jié)省因結(jié)垢導(dǎo)致的停產(chǎn)除垢及大修費用，不僅降低了燃料的消耗量，提高了加熱爐的傳熱效率，同時也能夠滿足油田站場工藝集輸要求，提高了工藝效果，減少了停爐維修次數(shù)，節(jié)省大量人力、物力，工作效率提高，減輕了采出液后續(xù)處理的負擔(dān)。

圖3 三元復(fù)合驅(qū)加熱爐自動除垢裝置應(yīng)用現(xiàn)場

4 結(jié)論

隨著油田三元復(fù)合驅(qū)技術(shù)的推廣和應(yīng)用，所帶來的結(jié)垢問題影響日益嚴重，在線除垢手段既是油田開發(fā)中后期集輸系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢，又是維持油田生產(chǎn)正常運行和提高油田開發(fā)綜合效益的技術(shù)保障。在添加化學(xué)藥品的在線除垢手段效果不佳的情況下，機械式在線除垢技術(shù)必將成為新的突破方向。在線除垢裝置有效地解決了油田三元復(fù)合驅(qū)加熱爐熱易結(jié)垢、清垢頻次和費用高的問題，提高了油氣生產(chǎn)和輸送中加熱爐的整體裝備水平，具有較高應(yīng)用價值。

[1]陳健斌.大慶油田三元復(fù)合驅(qū)結(jié)垢機理及防垢劑的研究[D].北京：中國地質(zhì)大學(xué)，2013.

[2]畢鳳琴，范秀麗，孫麗麗，等.弱堿三元復(fù)合驅(qū)采出液結(jié)垢特性及表面納米化阻垢研究[J].化工機械，2009，36（4）：20-23.

[3]楊敬彪.油田含聚介質(zhì)加熱爐結(jié)垢原因分析及技術(shù)進展[J].科技與企業(yè)，2012（15）：198-199.