油田注汽锅炉清垢周期算法研究与应用

张 汇

（新疆油田公司数据公司，新疆 克拉玛依 834000）

油田注汽锅炉用水为高矿化度油田净化污水，给水温度为80～110 ℃。油田净化污水中含有大量Ca2+、Mg2+，常温下通常以Ca（HCO3）2、Mg（HCO3）2等重碳酸盐溶解形式存在。高温工况下，重碳酸盐化学性质不稳定，易分解成难溶的CaCO3、MgCO3等难溶碳酸盐，以沉淀的形式形成炉管结垢。水垢的导热系数为炉管导热系数的数十至数百分之一，结垢后的炉管易受热面两侧温差增大，金属壁温升高，强度下降，在锅内压力作用下产生鼓包，严重时会引起爆管等事故［1］。

1 油田注汽锅炉结垢程度判断

注汽锅炉安全运行关系着油田生产的安全高效。锅炉炉管结垢后过早或过晚清洗对锅炉的损耗和工况运行都有影响，过早清洗会加快炉管壁厚的磨损，过晚清洗会降低锅炉的热效率，带来能量的损失，甚至会造成锅炉爆管现象。研究湿蒸汽锅炉结垢规律、设计湿蒸汽锅炉清垢周期算法，对设备的安全运行和提高生产实际效率具有十分重要的作用［2］。

在注汽锅炉运行过程中，锅炉蒸汽出口压力总小于给水泵出口压力。两者的差值称为锅炉系统阻力降。当炉管结垢后，系统阻力降开始上升，系统阻力降的值越大，则锅炉结垢程度越严重。结垢造成的阻力降可由式（1）计算得出。

其中，系统阻力降为给水泵出口压力与锅炉蒸汽出口压力的差值，通过监测泵出口压力和蒸汽出口压力获取。额定阻力降为锅炉在额定工况下的系统阻力降，通过锅炉水阻力计算得出。

因此，油田注汽锅炉结垢不可避免，为进一步缓解注汽锅炉的结垢现象，一方面使用污水硬度深度处理技术、高含硅稠油污水回收利用技术，提供更高标准的锅炉给水，水质改善后将降低整体稠油热采能耗［3］；另一方面，需要对锅炉进行清垢处理，对注汽锅炉清垢周期算法进行研究。

2 油田注汽锅炉清垢周期算法研究

2.1 结垢阻力与锅炉运行时长关系

随着锅炉运行时间的增加，炉管结垢程度越来越大，结垢阻力呈上升趋势，锅炉结垢阻力与运行时间关系如图1 所示。通过对注汽锅炉结垢阻力降随运行时间关系进行3 次多项式回归函数计算，可得出锅炉结垢阻力与锅炉运行时间呈近似线性关系，即运行时间越长，结垢阻力越大。

2.2 锅炉清垢周期计算公式研究

通过结垢阻力推算锅炉结垢状态，估算炉管清洗周期。清垢周期与锅炉结垢阻力降呈近似对数函数关系，锅炉清管周期计算公式可简化为：

式中，A 为锅炉允许最高阻力降，B 为锅炉结垢速率系数，C 为清管周期时间单位系数，根据现场运行数据，可确定公式（2）中的各系数。上文提到，结垢阻力降是系统阻力降与额定阻力降的差值，为能够实时掌握锅炉的结垢情况，需要对锅炉运行状态的重点参数进行实时监测。

2.3 锅炉结垢状态与炉管清洗时间集中监测

某油田2017-2019 年分三期进行建设与研究，在注汽锅炉下位机程序中完成注汽锅炉清垢算法部署，累计部署27 台锅炉，并将相关监控点接入SCADA 系统，实时集中监测结垢状态与清垢时间，通过监测锅炉进、出口压力差值，结合额定工况下锅炉阻力，计算锅炉结垢阻力，判断锅炉炉管结垢状态，掌握最佳清垢时期。

锅炉炉管结垢监测功能显示锅炉入口压力、结垢阻力降、总阻力降和清管周期评估值，同时动态显示炉管结垢状态。当结垢阻力降值达到上限时，结垢报警指示由灰色变成红色，并不停地交替闪烁，同时系统外部声光报警器启动，发出声光报警。具体如图2 所示。

SCADA 系统中开发锅炉预警功能，实现锅炉炉管结垢状态、锅炉清垢时间实时、集中监控。根据结垢状态发出预警信号，并推算锅炉清洗时间，为锅炉过热运行状态监测及实施炉管清洗计划提供数据参考。

3 应用效果

选取某台锅炉2018 年10 月至2019 年7 月的运行数据进行比对分析：2018 年10 月至2019 年6 月，随着运行时间增加，锅炉结垢阻力降上升、剩余清管天数减少，6 月14 日安排清管后，结垢阻力降下降至0.37 MPa 以下，剩余清管天数增加至850 天（系统最大值），且超过2 年的时间间隔。从图3 的应用效果可以看出，通过湿蒸汽锅炉清垢周期算法的研究、建立与实施运行，可以为锅炉的清垢、酸洗工作以及清管后锅炉安全运行提供有力保障。

基于锅炉清垢周期算法所得结果，对结垢状况严重、结垢阻力降接近安全限值的锅炉进行清垢，可防止锅炉爆管，提高锅炉热效率。

4 结论及认识

锅炉是稠油生产的生命线，在当前高温、高矿化度锅炉用水的生产条件下，炉管结垢不可避免，过早清洗锅炉会缩短炉管寿命、过晚清洗会增加爆管概率。应用湿蒸汽锅炉清垢周期算法研究，确定评估锅炉炉管结垢状态的关键指标、明确锅炉结垢规律、建立清垢周期准确的算法，能够实现锅炉结垢程度实时监测、锅炉炉管清垢时间实时预估，对设备的安全运行和提高生产实际效率具有十分重要的作用。