一种自动除垢式加热炉节能效果分析

孙金凤 毕航铭 王岩

（1.大庆油田工程有限公司；2.东北石油大学石油工程学院；3.大庆油田有限责任公司第三采油厂）

在油田加热炉使用过程中，采出液中的钙、镁离子（Ca2+、Mg2+）及聚合物等驱油用化学剂就会沉积、黏结在加热炉的烟火管表面上形成垢质或淤积物，既降低了加热炉的效率，又增加了天然气的消耗，节能效果变差。当壁温超过其材料的温度极限时，受热金属就会氧化、变形、穿孔，加热炉维修频率增加，既影响生产，又增加运行成本。

针对上述聚驱采出液加热过程中的加热炉结垢严重问题，现场应用了一台自动除垢式加热炉，该加热炉于2011年4月在萨北51 号站投产使用，经现场应用后证实其节能效果良好。

1 技术原理

自动除垢式加热炉分为热源部分和换热体部分，两者之间通过载热体完成热量的交换，具体结构见图1。

载热体沉浸在烟火管中，并高于烟火管最高点50～100 mm。热源部分采用天然气作为燃料，通过燃烧器燃烧产生热量使烟火管外的载热体沸腾汽化，水蒸气通过连接管道与换热体内的低温介质充分换热，释放大量汽化潜热，变成冷凝液回流到热源体内继续被加热，反复循环，完成载热体与被加热介质的热交换过程。

1.1 优质高效加热炉热源

1.1.1 通过热源结构优化，增大换热面积

加热炉热源部分采用单火筒多根细烟管结构，可以有效增大烟管的换热面积，将火管尺寸缩小，换热面积增大可以有效地提高加热炉炉效，提高节能效果。

1.1.2 增加热管数量，提高加热炉传热效率

为了进一步提高节能效果，热源体的火筒上安装70 余根热管。当热管受热后，将热量传递到热管的放热端，达到对载热体快速升温的目的。在热源体的火筒上安装热管后，一方面能够增加加热炉换热面积，提高加热速度，进而增大加热炉的热效率，提高节能效果；另一方面减小了火筒的热负荷，使火筒由传统的层面对流改为表面层流传热加上径向立体传热，防止加热炉火筒由于局部过热而鼓包、裂纹、氧化穿孔，延长了加热炉的使用寿命，有效地节省了维修费用。

1.2 换热体有效除垢

1）换热体内换热器采用圆盘式设计以方便清垢，提高加热炉运行热效率，增大节能效果。考虑真空炉换热管束内容易结垢而不易清理的弊端，通过将被加热介质设计在管程外，载热体流经的管程改为圆盘式换热器以方便清垢。换热体有13 个平板式换热器竖向串联分布，载热体通过连接管道由换热体上部进入圆平板换热器的管程内，再与被加热介质充分换热后，冷凝液通过连接管道由换热体的下部回流到热源体内，往复循环完成热量交换的工作。被加热介质通过管道泵进入换热体的下部，实现载热体与被加热介质的逆流充分换热。

圆盘式换热器由上下两块钢板焊接而成，中间上面有多个均匀分布的圆形通孔，方便被加热介质向上流动的同时增大换热面积。平板间设置拉撑杆和多种异形折流板，既增加了换热体的结构强度和刚度，承受足够的内外压，又可改变蒸汽的流向，提高载热体与被加热介质的换热效果。上述设计可有效地增大换热面积，提高换热系数，增大节能效果。加热炉换热体结构见图2。

图1 自动除垢式加热炉示意图

图2 自动除垢式加热炉换热体结构示意图

2）换热体中安设自动除垢装置及时清垢。自动除垢装置由减速机、传动轴、清垢钢刷等主要部件组成。在圆平板换热体中心设置传动轴，传动轴上安装清垢钢刷，减速机带动固定在动力轴上的多组清垢钢刷，随时或间歇的以360°全周转动或180°半周往复转动的方式在每个换热体的上下换热面上清扫，随时清除将要结在换热面上的污垢，提高换热系数，提高加热炉的节能效果。

2 现场应用

2010年8月，开始设计、制造自动除垢式加热炉；2010年11月，在采油三厂萨北51 号站安装，主要用作掺水炉。在运行期间，设定自动除垢装置运转4 次/d，2 min/次。该加热炉自2011年4月投产运行至今，其节能效果良好。

运行近3 个月的自动除垢式加热炉运行情况如表1 所示。

表1 自动除垢式加热炉现场运行情况

由表1 可知，在被加热物质入口温度为39.4 ℃，流量为36 m3/h 的情况下，在1 个多小时的时间里可以将加热炉加热到70 ℃，基本可以满足油田生产需求。

在装置运行4、18 个月时，两次打开换热器上部人孔检查换热体，在未经自动除垢器除垢的部位如接管表面等结垢严重，经自动除垢器除垢的部位光滑，未发现结垢现象。

自动除垢式加热炉运行1年后，经中国石油天然气集团公司节能监测评价中心测试，测试结果如下：排烟温度为119 ℃；过剩空气系数为1.4；排烟处三原子含量为12.8%；排烟处过剩氧气含量为6.2%；加热炉正平衡效率为87.75%；加热炉反平衡效率为85.68%；加热炉平均热效率为86.71%；加热炉炉体外表温度为41.5℃（表2）。目前萨北油田二合一加热炉平均热效率约为80.93%，相较之下自动除垢式加热炉效率高出4.75%，以加热炉耗气量为200 m3/h、年运行300 天计算，单台加热炉每年可节省的燃气量为6.84×104m3；自动除垢装置功率为4.0 kW，经计算每年耗电为160 kWh。综合计算单台加热炉每年可节省91 t 标煤。

表2 自动除垢式加热炉炉效检测数据

自动除垢式加热炉可按照设定指令进行自动除垢，减缓了换热面介质侧结垢速度，大大延长了加热装置的整体使用寿命，预计每年可节约加热炉维护修理费用5 万元。

自动除垢式加热炉的热源和换热体分开独立设计，载热体与被加热介质采用间接换热的加热方式，不会出现因普通火筒炉的烟火管穿孔引燃被加热介质的现象，可以有效地减少不必要的损失；并且一个热源可同时给多个换热体加热，可以有效地减少初期建设投资。

3 认识及建议

1）通过设计有效地增大了自动除垢式加热炉换热面积，而安设自动除垢装置及时除垢后，增大了运行时换热系数，致使加热炉炉效提高了4.75%。按单台加热炉计算，每年可节省91t 标煤。

2）自动除垢式加热炉可按照设定指令进行自动除垢，减缓了换热面介质侧结垢速度，大大延长了加热装置的整体使用寿命，预计每年可节约加热炉维护修理费用5 万元。