加热炉自动除垢装置的设计及应用

张春成

（大庆油田装备制造集团容器分公司，黑龙江大庆 163300）

0 引言

随着我国各大油田逐步进入开采的中后期，聚驱、三元复合驱等油田开采技术逐步被大规模应用，加热炉作为油田集输工艺中的主要加热设备，其加热介质已逐步呈现多元化发展，特别是随着碱—表面活性剂—聚合物三元复合驱采油新技术应用越来越多，由于三元介质有高黏度、挂壁等问题，致使常用加热炉结垢严重、温升不足、热效率低、清垢作业周期短费用高，导致加热炉不能长期稳定工作；作为中转站、联合站常见的集输设备的加热炉结垢问题日益凸显；目前主要依靠添加化学药剂的方法减缓结垢速度，但聚合物所结的垢层对酸碱不敏感，清洗效果不好，而且运行成本较高[1-3]。

针对三元复合驱技术应用过程中带来的加热炉烟火管结垢及烧损问题，设计了一种在线除垢机械装置，用于结垢问题较为集中的高温传热段，实现定时或连续除垢功能，有效解决因垢层生长而导致的加热炉传热效率降低、热阻大、烟火管烧穿等问题，延长设备维修周期，降低生产成本。

1 三元复合驱加热炉设备技术参数、性能特点及用途

加热炉的容器类别为II类，设计压力0.3 MPa，工作压力0 MPa；出口温度80℃，进口温度30℃，介质为含油污水；外形尺寸为Φ3020 mm×1500 0 mm，全容积为 105 m3，操作容积54 m3。石油工业常用的加热炉，按结构型式可分为火筒加热炉和管式加热炉。

火筒加热炉是油气田和长输管道用火焰加热原油、水及其混合物等介质的专用设备之一，有结构简单、制造容易、使用方便、寿命长、造价低等优点，被油田广泛采用。通过在金属圆筒壳体内设置烟火管传递热量，将燃料燃烧释放的热量直接或间接地传递给被加热介质，使原油、天然气及井产出液加热到工艺所要求的温度，然后进行输送、沉降、分离、脱水和初加工等工序。

2 三元复合驱加热炉自动除垢装置原理及特点

2.1 除垢装置工作原理

火筒加热炉（可分为二合一、四合一、五合一等型号的加热段与火筒炉类似）在输送三元复驱采出液时，易发故障部位为烟火管加热段，多因结垢严重所导致的热阻增大、烟火管烧穿变形。三元复合驱自动除垢加热炉主要由操作间内的控制系统、烟火管换热系统、烟囱及烟箱、电机传动装置及除垢刮板组件等部分组成（图1）。除垢原理：在烟火管加热段增加除垢刮板组件，电机传动装置通过丝杠带动除垢刮板上的螺母，进而带动除垢刮板组件在火管及烟管的轴线方向一定的行程内做往复除垢动作。

图1 三元复合驱加热炉自动除垢装置结构示意

2.2 结构特点

自动除垢加热炉是在不改变原有加热炉功能的情况下，对火管及烟管进行优化设计，增加了一套除垢装置，有结构简单、加工方便、传动平稳、传动比精确、行程调节方便和适用性强等优点。

（1）电机传动采用磁力传动装置，密封性好，加热炉内介质无泄漏，对环境无污染。

（2）优化了传统加热炉大烟管与火管之间连接的结构，火管与烟管之间增加烟箱，火管与烟箱增加过渡段柔性接管；保持换热面积不变，尺寸规格较大的烟管换成具有规格小的烟管，烟管垂直烟箱安装，各个烟管轴线保证较高的平行度便于除垢机构运行自由无卡阻。

（3）除垢装置机架结构主要由烟管钢丝刷筒体组件、传动螺母组件、火筒钢丝刷筒体组件、机架导向装置组件4部分组成；工作时钢丝刷筒体组件可360°包覆与烟管、火管，随着机架的运动清除附着于烟管及火管上的垢层（图2）。

（4）除垢刮板组件定位机构安装定位准确，机架运行平稳。刮板组件上装有定向导轮装置，保证除垢机架的位移方向，螺母螺纹与丝杠螺纹留有一定间隙，防止卡死现象。

2.3 电控系统

电控柜系统主要由PLC控制系统组成。控制系统可以根据油田用户站内输送介质结垢速度的实际情况，设置控制参数，控制电动传动装置中伺服电机的频率，改变旋转除垢机构的运转周期，可以全天候运转，也可以间歇运转。在除垢机构下部出现大量泥沙淤积、瞬时扭矩过大时，PLC系统会自动发出报警信号，具有扭矩过载保护功能。

图2 除垢装置机架结构

3 现场应用

2015年，2台三元复合驱加热炉在线除垢装置在大庆油田采油一厂某站开始投产应用（图3）。加热炉经过一年四季不同气候条件的运转，未发现烟火管因垢层热阻增高而烧穿或者变形的现象，各项运行指标能够满足现场工艺需求，清垢周期明显缩短，可达到8个月清理一次污垢的技术指标。实践应用证明，本装置设计思路正确，可继续进行优化推广。

三元复合驱加热炉在线除垢装置适应油田含聚介质加热的工艺需求，可以长期高效运行，还可以根据污垢生产速度自行设置清垢周期，集中清淤、清罐；可节省因结垢导致的停产除垢及大修费用，不仅降低了燃料的消耗量，提高了加热炉的传热效率，同时也能够满足油田站场工艺集输要求，提高了工艺效果，减少了停炉维修次数，节省大量人力、物力，工作效率提高，减轻了采出液后续处理的负担。

图3 三元复合驱加热炉自动除垢装置应用现场

4 结论

随着油田三元复合驱技术的推广和应用，所带来的结垢问题影响日益严重，在线除垢手段既是油田开发中后期集输系统发展的必然趋势，又是维持油田生产正常运行和提高油田开发综合效益的技术保障。在添加化学药品的在线除垢手段效果不佳的情况下，机械式在线除垢技术必将成为新的突破方向。在线除垢装置有效地解决了油田三元复合驱加热炉热易结垢、清垢频次和费用高的问题，提高了油气生产和输送中加热炉的整体装备水平，具有较高应用价值。

[1]陈健斌.大庆油田三元复合驱结垢机理及防垢剂的研究[D].北京：中国地质大学，2013.

[2]毕凤琴，范秀丽，孙丽丽，等.弱碱三元复合驱采出液结垢特性及表面纳米化阻垢研究[J].化工机械，2009，36（4）：20-23.

[3]杨敬彪.油田含聚介质加热炉结垢原因分析及技术进展[J].科技与企业，2012（15）：198-199.