相变加热炉机械自动清垢技术研究

韦振光 刘继刚 辛旻 叶鑫锐 武达峰

大庆油田工程有限公司

加热炉作为油田上使用十分广泛的勘探开发设备之一，在大庆油田的开发历史上占据着举足轻重的地位。随着油田的不断开采，各种驱油技术的广泛应用，造成被加热介质物性越来越差，且其内携带大量的泥沙和驱油用化学试剂等，最终导致每年有80余台加热炉烧损，给油田生产带来了极大的安全隐患。通过对加热炉现状及其结构进行技术创新，研发出一种新型的相变加热炉机械自动清垢装置，从而使加热装置可长期高效运行，降低燃气消耗，具有广泛的推广应用前景。

1 加热炉现状

截至目前，大庆油田已建各类加热炉2 830余台，主要用于油田地面系统的集油、掺水、热洗、脱水、外输、站内管线和设备伴热、采暖以及气田加热等生产环节，其内部被加热介质主要有油气水混合物、含油污水、高含水油、低含水乳化油、净化油、清水和含水天然气等。根据地质条件的不同和开发方式的变化，部分被加热介质中携带大量泥沙，还有些被加热介质中含有驱油用化学试剂，造成了在用加热炉被加热介质成分复杂、洁净度差。尤其是在油田聚驱、高浓度聚驱和三元复合驱区块，因被加热介质成分复杂，造成每年烧损的加热炉多达80台，约占加热炉总数的3%，严重影响了站场加热炉的日常运行，给油田生产带来了较大的安全隐患，容易引发加热炉火灾事故；同时还因其热效率降低，增加了燃料气的消耗。加热炉现场烧损情况见图1至图3。

图1 炉管变形鼓包Fig.1 Deformation and swelling of furnace tube

图2 炉管烧裂Fig.2 Burning crack of furnace tube

2 工作原理

根据相变加热炉机械自动清垢技术研发的机械自动清垢式相变加热装置，主要由正压相变加热炉、自动除垢换热器和中间连接组件三部分构成[1]。

图3 炉管烧穿孔Fig.3 Burning hole of furnace tube

正压相变加热炉以天然气为燃料，将炉内软化水沸腾汽化，形成的蒸汽通过中间连接组件进入自动除垢换热器的管程内，蒸汽与换热器壳程内的被加热介质进行冷凝相变换热，冷凝后的蒸汽由气态变为液态的冷凝水，在重力作用下沿着倾斜的换热管流入换热器管箱，再由中间连接组件进入正压相变加热炉的壳体内，往复循环换热，完成对被加热介质的加热。

自动除垢换热器由滑动管板式填料函换热器、驱动系统、中间传动系统、除垢组件和控制系统五部分组成。除垢组件和中间传动系统通过连接部件安装在换热器的换热管束间，驱动系统通过法兰连接安装在换热器壳体外部。驱动系统通过联轴器与中间传动系统相连，带动除垢组件沿着换热管的外壁往复运动。除垢组件刮下的垢质，部分随被加热介质排出，部分沉积到换热器底部由排污管排出。驱动系统由控制系统中的PLC控制器控制，实现除垢组件的间歇工作，正、反向运行，还可调整运行周期。被加热介质在换热器的壳程内流动，压降较小，适用于泵前加热工艺。机械自动清垢式相变加热装置工作原理见图4。

3 结构分析

3.1 正压相变加热炉结构研究与优化

正压相变加热炉的烟火管由1根火管和多根细烟管分层排列组成，细烟管束紧密排列，以便腾出更大的气相空间。因烟管的传热系数主要取决于烟气侧的对流换热系数，烟气在管内纵向冲刷时，对流放热系数与烟气流速的0.8次方成正比，与直径的0.2次方成反比，故采用小直径烟管以提高烟气流速，强化对流传热[2]。

火管及细烟管束通过焊接方式与烟火管箱相连，组成了烟火管结构。烟火管箱的受力比较复杂，除承受外压外，还承受火管及烟管因轴向膨胀力不同而产生的热应力。通过现场应用及理论试验对比验证，采用烟管与火管通过火管管箱连接的结构，火管管箱使二者焊缝在同一个平面上，便于现场施焊，更易保证焊接质量。同时，管箱孔板法向柔性较好，可以部分消除烟火管因轴向受热产生的热应力。

正压相变加热炉炉体内的软化水是在密闭的正压环境下循环使用，日常无需补水，在每年例行停炉时补水即可。炉体内的软化水是在无氧状态下工作，水质较为稳定，不需经常排污；不会因矿物质而发生结垢，导致火管过烧和鼓包等现象发生；不会产生氧腐蚀，且安全性能良好。

图4 机械自动除垢式相变加热装置工作原理简图Fig.4 Working principle schematic diagram of the automatic mechanical descaling type of phase change heating device

3.2 自动除垢换热器的无动力管内相变换热软件开发及优化

常用的换热器管程和壳程中的介质流动均靠外界动力驱动，且管程内的介质冷凝时均为单向流传热（液相或气相），现在还没有管内蒸汽自然冷凝、管外介质对流换热的计算模型。蒸汽在管程内流动时，运动状态比较复杂，项目组根据相关的参考文献进行了换热器热负荷和总传热系数计算[3-4]。

3.2.1 热负荷计算

换热器一般要求热负荷大于冷负荷，且相对误差应在±10%以内，该项目的换热器热负荷Q值取1.15倍被加热介质热负荷Q′值，即Q=1.15 Q′。

3.2.2 以管外面积为基准的管外膜传热系数计算

热负荷确定后，可由总传热速率方程( )

Q=KSΔt求得换热面积，最后根据相关标准确定换热器的型式。以光管外表面积为基准的管外膜传热系数可用下式计算

式中：h0为以管外面积为基准的管外膜传热系数，W/(m2·K)； λ2为工作介质的导热系数，W/(m·℃)；de为换热管的当量直径，m；JH2为壳程传热因子；Pr2为工作介质的普朗特准数；Φ2为壳层壁温校正系数； ξh为旁路挡板传热校正系数。

3.2.3 流型参数Jtf的确定

对管内蒸汽冷凝进行分析前，要先定义一个流型参数Jtf，它是无量纲气体速度，用此参数来判断冷凝过程中是重力控制还是剪力控制。

式中：Jtf为水平管内流型参数； y为汽相分率（质量）；G1为管内流体质量流速，G1=WV/S1（WV为管内介质的质量流量，kg/s；S1为管程流通面积，m2）；di为管子内径，mm； g为重力加速度，m/s2； ρν为相应温度下对应管内介质的气相密度，kg/m3； ρ1为相应温度下对应管内介质的液相密度，kg/m3。

当 Jtf≤0.5时，为重力控制流动；当 Jtf≥1.5时，为剪力控制流动；当0.5＜Jtf＜1.5时，为过渡区。

3.2.4 水平管内重力控制下的冷凝液膜传热系数计算

换热管内的水蒸气在室内进行模拟流动试验时，换热管内流经的介质为0.2 MPa以下的过热饱和水蒸气，同时考虑到被加热介质与饱和水蒸气的充分换热，将换热管设置成一定的倾斜角度。水蒸气在换热管内流动时，与被加热介质冷凝相变换热，变成冷凝水在重力作用下自动流动，无其他推动力。

通过相关的理论计算和室内模拟实验均证明：蒸汽在水平管或倾斜管内流动时，都是重力控制着液体的流动。当重力控制流动起主导地位时，以努塞尔特冷凝模型为基础。考虑到水平管内冷凝时管子下部将有凝液聚积，形成液池而淹没部分换热面积，对此进行修正即得到水平管内重力控制下的冷凝液膜传热系数关联式。

式中：h10为水平管内重力控制下的冷凝液膜传热系数，W/(m2·K)； Re1为管内流体雷诺准数；CLR为水平管内重力控制区波动流修正因子；λ1为相应温度下对应的管内介质的液相导热系数，W/(m·K)；μ1为相应温度下对应的管内介质的液相动力黏度，m2/s；NTP为管程数；n为管子根数； L为管长，m。

3.2.5 总传热系数K的确定

式中： K为总传热系数，W/(m2·K)；h0为以管外面积为基准的管外膜传热系数，W/（m2·K）；γi为管内流体的结垢热阻，(m2·K)/W；d0为换热管外径，mm；di为换热管内径，mm； γ0为管外流体的结垢热阻，(m2·K)/W；h10为水平管内重力控制下的冷凝液膜传热系数，W/（m2·K）；λw为换热管管壁导热系数，W/(m·K)。

项目组根据上述理论计算进行室内模拟试验，对部分换热参数进行修正，最终开发出无动力管内相变换热软件，从而为本项目的成功奠定了理论基础。

3.2.6 换热器各部件尺寸的确定

根据编制的无动力管内相变换热软件进行相关计算，计算出换热管的外径、长度，拉杆的直径、长度，管束中心至最外层管中心距离，管束外缘直径和布管限定圆直径等尺寸。确定的换热器各部件主要技术参数[5-6]如下：换热面积159.7 m2；换热管规格为Φ57 mm×3.5 mm；换热管数量119根；换热管排列方式为转角正三角形；换热管中心距100 mm。

3.3 自动除垢换热器的内部结构研究与优化

3.3.1 换热器结构选型

目前油田分体式相变加热炉中的换热器均采用固定管板式换热器结构（图5）。当换热器换热效率达不到用户要求时，只能将整台设备更换，更换完成后必须重新做防腐保温，不但维修费用高，而且停产时间长。对于滑动管板式填料函换热器结构，换热管束可以抽出，不需现场动火，也不会破坏换热体的防腐和保温层结构，具有维修费用低、停产时间短的特点。

图5 固定管板式换热器结构原理示意图Fig.5 Schematic diagram of the structure principle of fixed rubeplate heat exchanger

通常换热器内的两相流均靠动力驱动进行换热，若本换热器水平安装，蒸汽在水平管内冷凝时，会在换热管内壁形成一层连续的液膜，阻碍蒸汽在管内流动，降低蒸汽与换热管外介质的换热效果。为了使蒸汽在管内自然循环，项目组进行换热器倾斜角度模拟计算和优化设计，并在工厂通过大量试验确定将换热器以一定的倾斜角度安装（图6）。

图6 自动除垢换热器现场安装图片Fig.6 Installation drawing of automatic descaling heat exchanger

当换热器设置成一定的倾斜角度（3°～5°）后，换热管末端大量水蒸气冷凝成的液态水，在重力作用下就自动流到微正压相变加热炉的炉体内，减少液态水与被加热介质的换热，提高了被加热介质与蒸汽的冷凝换热效率。

3.3.2 除垢组件研究

项目组经过大量的室内模拟实验，开发出安装方便、易于更换的刮板毛刷除垢器（图7）。刷毛固定在刮板上，通过刮板的往复运动对换热管外表面进行刷削除垢。先后考虑用合金钢丝、钢丝、尼龙丝、猪鬃和剑麻等材料作刷毛，通过强度、耐疲劳性、耐热性、耐腐蚀性和耐磨性等五个方面进行实验分析，最终选取增强纤维尼龙丝为刷毛。

图7 换热管采用刮板毛刷除垢模拟实验示意图Fig.7 Scaling removal simulation experimental diagram of heat exchange pipe with scraper brush

3.3.3 中间传动系统研究

销轮、销齿传动组件（图8）主要用于低速、重载和润滑条件差的场合，具有结构简单、加工方便、传动平稳、传动比精确、调节方便、中心距安装要求低和适用性强等优点。采用此传动组件将大大提高除垢装置的可靠性。销轮与销齿平滑啮合，啮合面均匀光滑，无咬齿现象。整套除垢系统运行噪声低，无卡死现象出现[7]。

图8 销轮、销齿传动组件的现场安装示意图Fig.8 On-site installation diagram of drive modules such as pin wheel and pin tooth

3.3.4 驱动系统研究

驱动系统（图9）采用伺服电动机、减速机等直接带动中间传动系统进行动力传输。伺服电动机可绝对值运行、可刹车、速度调整、电流电压高低报警、过载保护、扭矩显示、位置记忆和其他数据的保存支持下载，也具有控制精度高、抗过载能力强、低速运行平稳和发热、噪音低的特点。

图9 驱动机构在壳体上的安装结构Fig.9 Installation structure of drive mechanism on the shell structure

3.3.5 控制系统研究

控制系统（图10）由伺服电动机、减速机、编码器、可编程PLC控制器和触摸屏等组成。其工作原理为：可编程PLC发出指令给编码器的伺服电动机，伺服电动机进行工作，伺服电动机带动减速机运行，最后驱动除垢系统运行。

图10 伺服电动机的现场屏幕截屏Fig.10 Screen shot of servo motor

4 应用

4.1 应用效果

到目前为止，共设计了52台机械自动清垢式相变加热装置，现场已成功投产应用41台。以采油一厂某站为例，该站于2015年8月13日建成并投产，本站共应用9台2.5 MW、2台1.5 MW机械自动除垢加热缓冲装置（收油）。本站的11台除垢加热装置连续运行3年，期间一直运行平稳、无事故发生，被加热介质出口温度满足现场工艺需要。以该站的3#2.5 MW机械自动除垢加热缓冲装置（收油）为例，在设备运行过程中，项目组委托中国石油天然气集团公司节能技术监测评价中心对其进行热工测试，测试结果见表1。

表1 自动除垢加热缓冲装置四种负荷下测试的加热炉炉效Tab.1 Heating furnace efficiency under four loads of automatic descaling heating buffer device

节能技术检测中心测得数据表明，该除垢加热装置热效率高，与同负荷的火筒式加热炉运行1年后的加热炉热效率（81%以下）相比提高5%以上。

4.2 经济效益

以采油一厂某站运行的两种类型的加热装置为例，2.5 MW机械自动除垢加热缓冲装置（收油）和2.5 MW加热缓冲装置（收油）在同一个检修周期（2年）内进行经济效益对比（普通加热缓冲装置每年3次清罐、局部维修3次和2年大修1次；机械自动除垢加热缓冲装置2年停炉1次，对换热器例行检查、清垢和更换易损件），具体对比情况见表2。

2.5 MW加热缓冲装置（收油）设备费用132万元，每年运行及维修费用121.192万元；2.5 MW机械自动清垢式相变加热装置设备费用146万元，每年运行及维护费用79.617万元。2.5 MW机械自动清垢式相变加热装置每年每台可节省费用40.175万元，按设计的52台进行计算，每年可节省费用2 089.1万元。

表2 两种类型的加热装置经济效益对比Tab.2 Comparison of economic benefits of two types of heaters

4.3 应用前景

机械自动清垢式相变加热装置可以解决火筒式加热炉烟火管鼓包、穿孔和烧坏的问题，延长烟火管使用寿命，降低维修费用，减少加热炉火灾事故发生的概率。同时该装置可以长期高效运行，燃气消耗低，具有广阔的推广应用前景。该技术将成为今后油田聚驱、高浓度聚驱和三元复合驱区块加热炉的替代技术。