淺析加熱爐換熱盤管結垢的判斷

　　摘要：加熱爐運行時，會出現出口溫度低的問題，造成外輸溫度不達標，外輸量下降。根據加熱爐的運行狀態進行分析，判斷出外輸溫度不達標的主要原因是換熱盤管內部結垢。通過驗證，實施處理，外輸溫度達到生產要求。于是總結出判斷換熱盤管結垢的條件，使其應用在加熱爐運行管理中。

　　關鍵詞：加熱爐;換熱盤管;結垢的判斷

　　一、前言

　　油田生產中加熱爐的作用是將燃料燃燒產生的熱量傳遞給被加熱介質使其溫度升高達到生產要求。本轉油站加熱爐出口溫度稱為外輸溫度，目前外輸溫度一直偏低，達不到生產要求，造成管線輸送阻力高，輸送量低。根據加熱爐運行狀態和一些現狀進行分析、排查，判斷出外輸溫度不達標的主要原因是換熱盤管內部結垢，導致熱傳導降低，換熱效果低。現場驗證后，實施酸洗處理，問題得到解決并總結出判斷換熱盤管結垢的條件，這些條件可應用于日后的加熱爐運行管理中。

　　二、生產現狀及問題

　　京九站是轉油站，將油井采出液收集后，由外輸泵增壓后輸入到加熱爐進行升溫，讓溫度達到生產要求，再送往下一級站。本站的加熱爐是真空加熱爐，2001年8月生產，型號ZS0630-Y/4.0-Q，是間接加熱爐。加熱爐出口溫度是外輸溫度，外輸溫度的高低主要由加熱爐的換熱效果決定，換熱效果好，外輸溫度高，反之外輸溫度低。在實際生產中，加熱爐會出現各種問題，每一個問題都能造成加熱爐出口溫度低，造成外輸溫度低，達不到生產要求。2019年至2020年加熱爐出口溫度低，造成外輸溫度在45～52℃之間，達不到55～65℃(±5)生產要求，外輸溫度不合格。

　　連續的低溫輸送出現外輸泵壓力從1.8Mpa升高到2.2Mpa，輸送量由11m3/h降到了7m3/h，造成管線輸送阻力增高，輸送量下降。根據傳熱學知識，對于埋地管線，當管線內的原油溫度下降到安全運行值時，溫度場溫度降低，開始吸收管線內的原油溫度，當原油溫度降至凝固點溫度及以下時，原油停止流動凝固在管線內，形成凝管。凝管會造成外輸系統停運，油井停產，形成巨大的經濟損失。因此達到外輸溫度要求是集輸系統的標準，目前本轉油站的外輸溫度達不到外輸要求是需要解決的生產問題，問題的解決需要從加熱爐的各方面去摸索與分析，從中找到原因并進行處理。

　　三、加熱爐外輸溫度低的內、外部因素分析

　　1.加熱爐外部因素分析。

　　(1)進口溫度是否達標。加熱爐進口溫度的高低對加熱爐的溫升有一定的關系，在加熱爐燃料用量、外輸排量不變的條件下，加熱爐的進口溫度越高，出口溫度就越高，反之就越低。從中知道真空加熱爐進口溫度油盤管是30℃，出口溫度油盤管是70℃，本站加熱爐的進口液體溫度是27～30℃，基本符合加熱爐進口溫度要求。當前本站的加熱爐在進口輸入量由7m3/h提高到9m3/h時，原油外輸溫度是45～50℃，達不到外輸溫度55～65℃(±5)的要求。為了滿足外輸溫度要求，從提高加熱爐進口溫度入手，2019年底，在加熱爐上一級流程中的事故罐內增加了一組伴熱盤管，提高了加熱爐的進口溫度，溫度保持在30～33℃，此時出口溫度是48～53℃，外輸溫度仍然達不到生產要求。

　　(2)真空閥的維護。本轉油站加熱爐使用年限長久，配件不斷老化，2018年11月發現具有安全泄壓作用的真空閥密封膠碗老化出現裂紋，在水域溫度(鍋筒溫度)高達95℃時，熱蒸汽從密封碗的裂紋處泄出，造成加熱爐鍋筒不密封，內部不承壓，而真空閥工作壓力-0.03～0.01Mpa，開啟壓力+0.02Mpa，不能形成真空度。2019年底，對真空閥進行更換，在工作壓力內密封性達到工藝要求。但是在水域(鍋筒)溫度達到115℃時，真空閥開啟，水蒸氣從真空閥排氣管成霧狀噴出;水域溫度降到100℃以下時，真空閥關閉排氣管不再排汽。這說明真空閥修復后，真空閥完全能達到真空度密封要求。

　　(3)燃氣量是否滿足加熱爐燃燒需要。外輸加熱爐采用的是全自動燃燒器，只需要對水域溫度、出口溫度目標值進行設定，加熱爐就會按照設定溫度值，自動增減燃氣量進行燃燒放出熱量。當加熱爐進口溫度不變，水域溫度達到115℃，進口液量為8m3/h時，出口溫度最高只能達到49～52℃，燃氣用量在8.5～9.3m3/h變化。為了提高外輸溫度，將燃氣用量調到了12m3/h，但外輸溫度沒有變化，真空閥出現超溫、超壓開啟，大量的水蒸氣不斷外泄，造成加熱爐液位計指示下降至安全指示的下限，鍋筒內水量不斷減少，危及加熱爐的安全運行。燃氣用量的增加能讓水域內的液體沸騰，這說明燃氣量完全滿足加熱爐燃燒的需要。

　　(4)外輸量是否符合加熱爐運行要求。由加熱爐傳熱學知道，在加熱爐進液量增加時，加熱爐的出口溫度就會下降，水域溫度也會下降，為了保持出口溫度達到要求，加熱爐就要增加燃料量，來提高水域溫度，達到加熱爐的換熱要求。真空加熱爐的額定流量是14.6m3/h，而外輸泵的最大排量可達到11m3/h，符合加熱爐運行參數。在用氣量、水域溫度不變的條件下，外輸量為7m3/h，加熱爐的出口溫度能達到50～53℃。當外輸量高于9m3/h時，燃燒器用氣量達到9.5～9.8m3/h，水域溫度保持在110℃不變，出口溫度開始下降，然而真空閥不斷開啟，進行排汽泄壓。這說明增加的外輸量在加熱爐正常運行范圍內，沒有降低水域溫度，加熱爐的鍋筒內仍然超溫、超壓，盤管換熱效果不好。

　　(5)外部因素總結。正常情況下，真空加熱爐水域溫度在90～98℃之間形成真空度，內部水達到沸騰，滿足水域溫度要求，符合真空加熱爐換熱要求。然而表2中總用氣量增加不多，為1.5m3/h，水域溫度保持在120℃，進口液量的增加，并沒有帶走水域內的熱量，水域內的水始終處于沸騰狀態，水域內部壓力升高超過規定值，真空閥閥芯被頂開，大量的水蒸氣從排氣管噴出，而出口溫度沒有提高反而下降，這說明水域內熱量沒有傳導給被加熱的介質，水域始終處于超高溫狀態。是什么原因造成水域內的熱量沒有傳導給被加熱的液體，這就需要再進一步的分析。

　　2.加熱爐內部因素分析。

　　(1)加熱爐內部結構。京九轉油站使用的是真空相變加熱爐，間接加熱設備。由真空相變加熱爐的工作原理知，水域(鍋筒)內傳熱介質水被加熱爐加熱后，由液相變為汽相，汽相的高溫蒸汽熱量傳導給油盤管內的被加熱介質后，再冷凝變回液相，液相沉降回水域內部，再次被加熱，這種循環的轉換過程就是給介質加熱的過程。這種熱循環構成了一個高效率的加熱系統。

　　由加熱爐的內部結構知道，油盤管被高溫蒸汽空間(水域區)包圍，周圍的熱量被油盤管內的介質吸收，從而提高被加熱介質溫度，即水域溫度越高，出口溫度就越高，反之就越低。當大量的液體進入油盤管后，燃料用量增加，加熱爐的換熱效能卻不高，出口溫度在40～46℃，出口溫度只達到油盤管溫度的57%，部分熱量沒有被交換，而真空閥因高溫、高壓開啟，進行排汽泄壓。這種高效率的加熱系統卻沒有達到正常的換熱要求。

　　(2)加熱爐進口液體特性。京九轉油站輸送的液體為油包水形混合液，液體為黏稠液，里面含有泥砂和油井檢修時進入的其他雜質。油水混合液中含有大量的鈣、鎂離子，它們隨著加熱爐溫度和壓力的變化析出形成CaCO3固體，固體析出后又與加熱爐油盤管內液體中的泥砂及雜質混合在一起變成垢物，最后沉積在加熱爐油盤管的內壁，形成結垢。隨著時間的延長，垢物越來越多，越來越厚，增加了油盤管的壁厚，同時也縮小盤管的內徑。垢是熱的不良導體，大量的垢物會阻礙熱量的傳導，造成加熱爐換熱效能低，出口溫度低。當前加熱爐的油盤管是鐵材質，傳熱性能較好，如果熱量不能通過盤管被正常傳導，這足以說明油盤管內壁結垢了。

　　(3)檢查驗證。為了驗證結垢現象，對加熱爐油盤管進行開口檢查。2014年1月外輸管線酸洗，出現過油盤管因酸液進入，結垢物被酸洗掉后油盤管出現了大量的腐蝕漏點，造成了盤管更換。

　　從上一次的外輸管線酸洗到2020年11月，油盤管運行了6年，并出現了外輸量有所下降，外輸壓力也上升的現象，這說明加熱爐的油盤管可能再次形成垢層。2020年12月26日對加熱爐油盤管的出口進行開口檢查，發現管線內壁有8～10mm的垢層，垢物質地有的堅硬，有的松散。加熱爐油盤管的開口檢查，證實了換熱盤管(油盤管)內部的結垢。厚厚的垢層阻止了水域內熱量的傳導，最終造成了加熱爐油盤管換熱效能低，出口溫度不能提高，達不外輸溫度要求。

　　四、實施措施

　　加熱爐油盤管結垢，造成了盤管換熱低，外輸溫度低，外輸量下降，最好的處理措施就是對垢層進行酸洗。酸洗前對加熱爐進行垢物取樣，根據結垢物的類型，配制酸洗液，制定酸洗方案。將酸洗液從油盤管進口注入，停留到規定時間，之后進行取樣，將取出的酸洗液與注入的酸洗液進行對比，酸洗出來的酸液中雜質多，有顆粒垢物，酸洗液顏色為黑色�；蛟俅螐某隹陂_口檢查酸洗后油盤管內壁，也可以從出口管線法蘭的連接處拆開檢查酸洗效果，酸洗后的管壁基本無垢層，這說明酸洗合格。酸洗物排出后進行水沖洗，最后注入緩蝕劑中和酸液對加熱爐油盤管進行保護。此次對加熱爐的酸洗有效地處理了加熱爐油盤管的結垢物，使加熱爐的換熱效果達到了要求。

　　五、處理效果

　　1.效果對比。加熱爐油盤管進行酸洗后，在進口溫度為28～30℃，輸入液量在8～10m3/h，燃料用量在6.5～8m3/h時，水域溫度始終保持在95℃以下，加熱爐內部不再超溫、超壓，真空閥不再開啟，排汽，加熱爐的出口溫度保持在53～68℃，達到了額定出口溫度的75%以上，外輸溫度根據生產情況完全滿足55～65℃(±5)生產要求,外輸泵的最高外輸壓力降到了2.0Mpa，外輸量達到10～11m3/h。沒有大量的水蒸氣外排，加熱爐的液位始終處于安全液位，從而保證了加熱爐的安全運行。分析出加熱爐換熱盤管結垢并進行處理，不用對加熱爐進行整體更換，減少了巨大的更換設備的經濟成本。

　　2.分析總結：加熱爐換熱盤管(油盤管)垢層的酸洗解決了外輸溫度低的問題，但正確判斷出加熱爐換熱盤管結垢才是關鍵點。本文從不同的幾個方面對加熱爐出口溫度低的原因進行分析，查找主要原因，分析出問題根源，并進行總結，將總結結果應用在加熱爐今后的運行管理中。于是根據加熱爐換熱盤管結垢后在運行中出現的現象，總結出了準確判斷加熱爐換熱盤管結垢的幾個條件，內容如下。

　　(1)在加熱爐進口溫度不變，加熱爐進液量不變，燃料用量不變的情況下，出口溫度長期低于額定溫度的50%以下，鍋筒內(水域區)的溫度始終超過100℃以上，處于超溫、超壓狀態，真空閥有時候開啟，排汽呈現滴漏狀。

　　(2)在加熱爐進口溫度不變，燃料用量變化不大的情況下，增加加熱爐進液量，出口溫度快速下降，鍋筒內(水域區)的溫度始終超過100℃，真空閥間斷微量開啟，排氣管呈薄霧排狀排汽;減少加熱爐進液量時，出口溫度升高，真空閥關閉。(3)在加熱爐進口溫度不變，加熱爐進液量不變，增加燃料用量的情況下，鍋筒內(水域區)的溫度始終超過100℃以上，真空閥排氣管大量排汽成柱狀噴出，加熱爐位液計指示下降，鍋筒內水量大量減少。

　　(4)收集2～3個年度內的出口溫度、鍋筒溫度(水域區)、燃料用量等數據與現在的加熱爐運行狀態進行對比分析，出口溫度一直處于下降趨勢。以上幾條就是總結的判斷加熱爐盤管結垢的條件。判斷加熱爐盤管內部結垢，首先要保證加熱爐的外部因素正常，然后根據加熱爐出現的現象，采用上述內容中的2至3條作為判斷標準，就能準確判斷出加熱爐換熱盤管內部是否結垢，之后對結垢進行處理，就能使加熱爐換熱效果達標，滿足生產要求。

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　　六、結語

　　加熱爐外輸溫度低的問題通過排查分析并處理，讓我們知道，加熱爐在運行中會出現不同的問題，每個問題都會影響加熱爐的正常運行，不能滿足生產的需求。準確判斷加熱爐問題出現的原因，并進行處理，是加熱爐運行管理的工作重點。并且在日常工作中也要做好加熱爐運行的管理，要根據被加熱介質的不同特性，制定不同的運行方案，讓被加熱介質在合理的溫度及壓力下升溫，達到換熱效果，滿足生產工藝要求，延長加熱爐的使用時效，保證加熱爐的安全運行。

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　　作者：黃素梅方群王建純

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