袁紅霞
(中國石油化工股份有限公司中原油田分公司,河南 濮陽 457001)
目前油田生產(chǎn)加熱主要使用的為HJ系列水套加熱爐,由殼體、火筒、煙管、燃燒器、盤管等組成。隨著油田開發(fā)、安全環(huán)保、節(jié)能減排要求的提高,現(xiàn)有加熱爐主要存在以下幾方面不足:
1) 盤管易穿孔。隨著油田開發(fā)進入后期,油井產(chǎn)出液含水率普遍達到90%以上,部分區(qū)塊油井產(chǎn)出物含鹽及其他腐蝕物較高,加之原有盤管內(nèi)防腐工藝落后,致使加熱爐盤管腐蝕穿孔,維護工作量大。
2) 燃料氣液分離效果差。加熱爐使用油井伴生氣作為燃料,由于產(chǎn)液量和氣液比波動較大,造成分離器分離效果較差,經(jīng)常發(fā)生因燃料氣中含液量較高導(dǎo)致燃燒器熄火的現(xiàn)象。
3) 熱效率低。配置的燃燒器不能進行自動配風(fēng)及燃燒負荷自動調(diào)節(jié),燃燒效率較低,燃燒排放物指標不達標,且油田加熱爐的平均運行熱效率較低,約為70%。
4) 自動化程度低。不具備燃燒室強制通風(fēng)功能,加熱爐的運行操作,特別是負荷調(diào)節(jié)和燃燒控制調(diào)節(jié)主要為手工操作。
5) 安全監(jiān)控措施不完善。液位、壓力、溫度等參數(shù)未能實現(xiàn)在線遠傳實時監(jiān)控,不利于安全管理和數(shù)字化油田需求。
通過對油田在用加熱爐的特性研究,尤其是加熱爐的安全和節(jié)能性能研究,以滿足油氣生產(chǎn)現(xiàn)場需要為出發(fā)點,結(jié)合國內(nèi)專用石油裝備發(fā)展趨勢和國家節(jié)能環(huán)保裝備產(chǎn)業(yè)政策,研制針對油田生產(chǎn)運行特點的新型相變加熱爐,對提高熱效率、降低燃料消耗和確保安全運行等具有重要意義【1-2】。
研制新型真空相變加熱爐的主要技術(shù)思路如下:
1) 采用真空相變換熱技術(shù),杜絕蒸發(fā)損耗,提高換熱效率。
2) 采用盤管內(nèi)防腐技術(shù),延長盤管壽命。
3) 研制燃氣凈化裝置,提高氣液分離質(zhì)量,使其具備自動排液功能。
4) 研制自動檢測、控制系統(tǒng),使其具備自動控制、遠程監(jiān)控功能。
5) 研制專用采暖裝置,實現(xiàn)安全經(jīng)濟采暖。
采用燃燒室低位設(shè)計,受熱面對稱布置,燃燒室和熱交換部分在同一密閉空間內(nèi);設(shè)置了濕被式水冷回?zé)熓遥?00%水包火的整體結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、布局合理等特點,如圖1所示。
工作原理是在密閉的真空加熱爐體內(nèi),水吸收燃氣燃燒產(chǎn)生的熱量汽化蒸發(fā),加熱盤管在加熱爐體上部汽相空間吸收水蒸氣的汽化潛熱,水蒸氣釋放潛熱后冷凝回落至液相空間被再次加熱蒸發(fā)汽化,油井產(chǎn)物通過加熱盤管帶走熱量,由此形成動態(tài)熱平衡。
2.1.1 安全性能優(yōu)越
加熱爐負壓運行,壓力、溫度、液位等運行參數(shù)自動檢測,實時監(jiān)測加熱爐運行狀態(tài)。
配置了燃燒器火焰檢測、熄火保護裝置、燃氣電磁閥檢漏裝置和超限自動停爐保護等安全保護裝置,保證了加熱爐安全運行。
燃氣凈化裝置儲液罐超過極限液位后,自動切斷燃氣供應(yīng),消除了爆燃風(fēng)險。
2.1.2 節(jié)能環(huán)保性突出
加熱爐換熱效率超過90%,不需頻繁補充爐內(nèi)水量。
采用全自動燃燒器,由加熱爐出口溫度參數(shù)閉環(huán)調(diào)節(jié),精確控制燃燒器負荷。
實時監(jiān)測煙氣氧量,閉環(huán)控制過剩空氣系數(shù),提高燃燒效率。
燃料氣凈化裝置分離出來的液體自動排放到外輸干線,杜絕了就地排放帶來的安全隱患和環(huán)境污染。
2.1.3 信息化水平高
采用系統(tǒng)解決方案,具備自動檢測、控制功能,實現(xiàn)了遠程監(jiān)控和無人值守運行。
1) 新型全自動燃燒器(如圖2所示)除具有爐膛吹掃、點火、火焰檢測、熄火保護等功能外,還具有燃氣閥門檢漏、燃氣壓力低壓和高壓及風(fēng)壓低壓保護功能【3】。
2) 根據(jù)加熱爐出口溫度自動調(diào)節(jié)燃燒負荷,以及根據(jù)燃燒負荷和煙氣氧含量自動調(diào)節(jié)配風(fēng)量等多種功能。
3) 控制系統(tǒng)對加熱爐爐體壓力、液位、溫度進行連續(xù)檢測和保護,對燃氣凈化裝置液位進行控制和保護。
1—燃氣手動球閥;2—過濾器;3—調(diào)壓閥;4—壓力表;5—快開燃氣手動球閥;6—燃氣高壓開關(guān); 7—燃氣安全閥;8—燃氣檢漏裝置;9—燃氣安全閥;10—燃氣球閥;11—高能點火器;12—風(fēng)門手動調(diào)節(jié)機構(gòu); 13—風(fēng)壓開關(guān);14—火焰探測器;15—風(fēng)機;16—伺服電機;17—燃燒器噴頭管
1) 燃氣凈化裝置管徑小于150 mm,不屬于壓力容器強制管理范圍。
2) 儲液器采取保溫伴熱措施,液位達到一定程度后,排液泵自動把殘液排入外輸干線。液位超上限時,自動關(guān)斷燃氣電磁閥,保護油水雜質(zhì)不進入燃氣管線。
3) 安裝了機械液位控制器,液位達到一定程度后切斷燃氣供應(yīng),實現(xiàn)機械、電子雙重保護燃氣系統(tǒng)安全。燃料氣凈化自動密閉輸送裝置如圖3所示。
1—儲液器;2—燃氣出口;3—液滴沉降管束; 4—燃氣入口;5—緊急切斷閥;6—流量計; 7—捕霧器;8—液位變送器;9—排液泵
1) 在線參數(shù)設(shè)定,實時顯示各項參數(shù),燃燒機根據(jù)設(shè)定溫度可實現(xiàn)功率輸出比例調(diào)節(jié)功能【4】。
2) 連續(xù)監(jiān)測壓力、液位、溫度等參數(shù),具備超過設(shè)定值時報警。超限時自動停爐保護功能。
3) 運行參數(shù)可傳輸至工控機,也可接入開放式網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)遠程監(jiān)控?zé)o人值守。加熱爐自動控制系統(tǒng)如圖4所示。
圖4 加熱爐自動控制系統(tǒng)
2.5.1 盤管內(nèi)防腐技術(shù)
加熱爐盤管采用環(huán)氧粉末靜電噴涂高溫熔結(jié)內(nèi)防腐技術(shù),降低了盤管出現(xiàn)腐蝕穿孔的概率。用靜電噴涂設(shè)備把環(huán)氧粉末噴涂到預(yù)熱至230~250 ℃的盤管內(nèi)壁上形成均勻涂層,經(jīng)過熔結(jié)、流平、固化、冷卻后形成表面光潔平整的防腐蝕涂層。該涂層具有優(yōu)良的耐磨、耐沖擊、耐高溫和耐腐蝕性能【5】。
盤管內(nèi)防腐如圖5所示。
2.5.2 管件冷連接工藝
盤管、彎頭全部采用溝槽冷連接,避免了電、氣焊連接對盤管內(nèi)防腐層的破壞,便于盤管檢修維護。管件溝槽冷連接如圖6(a)和圖6(b)所示。
圖5 盤管內(nèi)防腐
(a)
(b)
設(shè)計了專用采暖裝置,避免了傳統(tǒng)電取暖或直接從水套取水取暖的弊端,解決了計量站安全經(jīng)濟采暖問題,取得了良好的效果。加熱爐專用采暖裝置如圖7所示。
圖7 加熱爐專用采暖裝置
該研發(fā)成果獲得了《一種燃料氣凈化裝置》、《一體化真空相變水套加熱爐》、《小管徑金屬管道防腐裝置》等國家實用新型專利。
該新型真空相變加熱爐的主要技術(shù)指標如下:
設(shè)計總熱負荷:250 kW;
排煙溫度:180 ℃;
盤管設(shè)計壓力:1.6 MPa;
殼程設(shè)計壓力:-0.1 MPa;
盤管允許壓降:≤0.10 MPa;
盤管設(shè)計溫度:100 ℃;
殼程設(shè)計溫度:100 ℃;
真空放散安全閥整定壓力:0.04~0.05 MPa;
設(shè)計熱效率:≥90%。
目前已在油田24號站、87號站、95號站、102號站、103號站、116號站、122號站、123號站安裝應(yīng)用8臺,運行可靠,效果良好。
4.1.1 熱效率
平均熱效率由改造前62.72%提高到90.51%,提高了27.79%,見表1。
4.1.2 空氣系統(tǒng)
平均空氣系數(shù)由4.04降低到1.09,降低了2.95,見表2。
4.1.3 排煙溫度
平均排煙溫度由180 ℃降低到137 ℃,降低了43 ℃,見表3。
表1 熱效率對比分析
表2 空氣系數(shù)對比分析
注:空氣系數(shù)為實際供給空氣量與理論空氣量的比值。
4.1.4 表面溫度
在相似的環(huán)境條件下測試,加熱爐爐體外表面平均溫度由34.8 ℃降低到19.9 ℃,降低了14.9 ℃,見表4。
4.1.5 噸液耗氣量
加熱爐噸液耗氣量平均值由2.78 m3/t降低到1.88 m3/t,降低了0.90 m3/t,降幅達32.52%,見表5。
表3 排煙溫度對比分析
表4 爐體外表面溫度對比分析
表5 噸液耗氣量對比分析
8臺加熱爐每年可節(jié)約氣量36.63×104m3。按天然氣價格1.5元/ m3計算,每年可節(jié)約燃料成本54.95萬元。
若在本油田全部推廣,每年可節(jié)約燃料成本2 000余萬元。
1) 切實提高了設(shè)備本質(zhì)安全水平,保證了油氣生產(chǎn)安全平穩(wěn)運行;全自動運行,實現(xiàn)無人值守,提高員工勞動效率。
2) 節(jié)能減排和環(huán)保效果突出,每年可減少溫室氣體排放量800余噸,燃料燃燒廢棄物全部實現(xiàn)達標排放。
加熱爐是油氣集輸系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備,現(xiàn)場應(yīng)用證明:真空相變加熱爐運行可靠,具有安全環(huán)保、節(jié)能高效、操作便捷、自動化程度高、使用壽命長等性能特點,可全面提升集輸系統(tǒng)設(shè)備效率和能源利用率,降低能源消耗。由于系統(tǒng)的自動化程度高,并實現(xiàn)了參數(shù)信息化遠傳,與計量站無人值守管理模式相適應(yīng),該新型相變加熱爐的推廣應(yīng)用為油田加熱爐選型更新樹立了樣板,具有廣闊的推廣前景。