相变加热炉的应用

武喜怀

（长庆油田公司第九采油厂，宁夏　银川　750001）

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相变加热炉的应用

武喜怀

（长庆油田公司第九采油厂，宁夏银川750001）

从长庆油田第九采油厂在用的15台相变加热炉的结构与工作原理入手，对运行中存在的故障进行分析，总结了排除方法，提出了在选型和运行中应注意的问题。

相变加热炉；故障；节能减排

相变加热炉是近年来根据相变传热学原理、将加热炉技术与热管技术相结合而创新发展起来的新一代高效、低压油田用新型炉类间接加热设备。

长庆油田第九采油厂自2008年底以来，已投用了15台相变加热炉，其中整体式真空相变加热炉5台，分体式相变加热炉10台。

一、相变加热炉的结构与工作原理

1.相变加热炉的结构（图1）。

图1　整体式真空相变加热炉的结构图

2.相变加热炉的工作原理。

加热炉采用相变换热技术，通过燃料在炉膛内燃烧，锅壳内的中间介质水受热沸腾，在负压至微正压状态下，由液相产生的饱和蒸汽上升到相变换热空间，与低于饱和温度的换热盘管接触，凝结放出相变热，将热量通过换热盘管传递给管内的被加热工质，如此蒸发→冷凝→再蒸发→再冷凝的循环往复，完成相变换热过程。

在工程上，一般将整体式微压相变加热炉称作真空加热炉，将分体式微压相变加热炉称作分体式相变加热炉。

3.相变加热炉的特点。

相变加热炉的特点：（1）安全。加热炉采用相变换热技术，额定工作压力通常在-0.20～0.04MPa的负压与微正压之间，无容器爆炸危险；（2）可靠。炉内液位处于烟管和盘管之间，在密闭状态下循环，加的是软化水，筒内壁无氧腐蚀和结垢现象。炉内其它部件无裂纹、鼓包、腐蚀、爆管等问题，设备使用寿命长；（3）节能效果好，热效率高。采用沸腾和冷凝两种传热方式，热效率可达到90%；（4）单位体积功率大。体积小、重量轻；（5）自动化程度高。系统操作可手动及远程自动控制。

二、主要故障和排除方法

1.原油加热出口温度达不到要求。

10台相变加热炉原设计燃用油井伴生气。冬季普遍出现混合油一次盘管出口温度达不到要求，沉降脱水不彻底、外输含水高，要打站内循环。

原因：超低渗透油藏开发的侏罗系油藏气油比相对较低,原油含水高,伴生气不稳定，冬季伴生气量少，燃烧器供气压力低；供气管线冬季冻堵。

解决方法：（1）为其供气的站点安装了4台伴生气压缩机；（2）在供气管线最低端加装了压力缸，增加排液次数；（3）10台加热炉全部更换为油气两用自动燃烧器，冬季伴生气不够用时，燃油作为备用。

2.进出口压差大、换热效果差。

姬三联1号加热炉2012年1月出现混合油盘管进出口压差大的现象，换热效果差，系统回压高。拆检总机关和换热器盘管法兰，发现管内结垢和积渣严重，化验为钡锶垢，垢样不溶于酸，清理困难，吹扫了换热器盘管后，效果不明显。

原因：（1）混合油流速低、加热后垢渣沉积；（2）原油中的结垢物质含量高，不同层系原油混进，不配伍，起化学反应，产生堵塞性钡锶垢。

解决方法：（1）更换总机关，清理过滤器；（2）更换了新换热器；（3）分层系进油。对不配伍层系的混合油，就地脱水后再进流程。

3.加热炉气化，炉体内缺水。

原因：因卸油台不能连续卸油，造成进加热炉的液量和负荷不稳定，生产波动较大。当进液量大、含水高时，脱水温度上不去，加热炉经常在大负荷工况下工作，加热炉蒸汽温度上限调整较高。当进液流量减少或不走液时，易造成加热炉高温，锅水气化，真空阀动作，蒸汽外泄。

解决方法：（1）监控卸油量，及时根据进液量调低停机蒸汽温度；（2）加强巡回检查，发现温度偏高，立即手动停炉；（3）及时检修和校验真空阀的密封性；（4）及时补水，保持水位在规定的液位内，防止事故扩大。

4.烟囱根部流水、腐蚀。

原因：（1）加热炉效率高，排烟温度低，伴生气燃烧后，在冬季易冷凝，在烟囱中产生大量的冷凝水，顺烟囱内壁流到烟囱底部，造成筒壁腐蚀；（2）若伴生气燃料中含有硫化氢气体，则腐蚀更加严重；（3）自动控制失灵，不能根据生产负荷（进液量）自动调整燃烧器的大小火连续运行。

解决方法：（1）烟囱外壁做保温；（2）降低烟囱高度；（3）检修自动控制系统，燃烧器能根据进液量的多少自动调整燃烧器的大小火，保证加热炉连续运行，不能频繁启停。

5.烟筒冒黑烟，炉效降低。

原因：由于相变加热炉炉效高，排烟速度慢。若烟囱较低，燃油燃烧器过剩空气系数小，则燃料燃烧不充分，灰分和烟尘易吸附在烟管的管壁上，堵塞烟管。

解决方法：（1）每年夏季检修时，打开烟箱前盖清理烟管。然后关闭烟箱，启动燃烧器对烟管进行吹扫；（2）调大燃烧器的进风量。

6.换热器盘管进出油管线振动。

原因：因卸油台的流程直接连在加热炉混合油盘管上进油，运行时距离太短，排量过大，对加热炉盘管的冲击大，易振开焊口，损坏加热炉。

解决方法：将卸油台的流程改连在总机关上再进加热炉。

7.真空度无法保持。

原因：真空阀和放气阀关闭不严、蒸发器与换热器连通的金属软管泄漏、爆破膜破损、管路密封不严。

解决方法：检修真空阀和放气阀、更换金属软管和爆破膜，检查管路密封性。

8.燃气管路故障。

原因：加热炉自动燃烧器要求使用干气，但油田现场使用的是油井伴生气，未经过净化处理，特别是冬天，压力低，不稳定，脱水不彻底，杂质含量高，易造成燃气过滤器堵塞、调压阀失灵、管路冻堵、燃烧器电磁阀损坏、点不着火等现象。

解决方法：（1）定期对伴生气管线压力缸放空清理确保气管线畅通不冻堵；（2）缩短清洗燃气过滤器的时间；（3）吴四联3台加热炉加装了伴生气简易分离器定期排污和脱水。

9.燃烧器大小火无法转换，不能自动点火，没有大火或没有小火。

原因：燃烧器长期处在高温状态，且使用未经处理的湿气，杂质多，含水高，电磁阀易损坏，保养不当是造成燃烧器故障的主要原因。燃油时齿轮油泵易卡死，预热器不加热也是原因之一。

解决方法：每年4月和10月设备换季保养时，请专业人员对燃烧器进行一次维修。重点检查：（1）燃烧头、稳焰盘、探针在长期高温条件下工作是否有烧损，点火管是否有被湿气腐蚀现象；（2）高压接头是否有漏电现象；（3）点火电极和点火变压器是否可以产生电弧；（4）电机是否有异常响动、轴承磨损情况（5）电磁阀是否有被污垢堵塞情况。

净化原油含水高、杂质多是造成燃油燃烧器齿轮油泵损坏的主要原因。

10.控制面板上停炉温度和启炉温度设置不合理，加热炉启动频繁。

原因：姬三联2台分体式相变加热炉启炉和停炉温度设置过低，锅水未达到气化温度，造成热效率低，加热效果差。

吴三联2台分体式相变加热炉启动和停炉温度设置太接近，造成加热炉启动频繁。

解决方法：加强操作人员的技术培训，严格落实设备操作规程，达到“四懂三会”的要求。按照设备说明书的要求，正确设置启、停温度，实现连续运行。

三、安装和使用中应注意的事项

1.排气操作。

在运行过程中最重要的是排除锅内的不凝结气体。

（1）打开放空阀和补水阀，加水至水位计中间水位以上50mm处后，关闭放空阀和补水阀；（2）关闭三组换热盘管的进、出口阀门；（3）将停炉温度设定在110℃、停机压力设定在0.05MPa；（4）在自动小火状态下启动燃烧器；（5）当有大量蒸汽从真空阀溢出，约5～8min后，迅速打开盘管的进出口阀门，使真空阀快速复位。以建立锅筒内的真空度，保证在负压至微正压状态下运行；（6）调整设置参数至正常值。

为了获得较好的换热效果，每运行一段时间，应重复一次排气操作。

2.密封性检查。

要定期检查加热炉的密封性。

3.水位检查。

水位要控制在中间线±50mm范围内。不允许水位低于下线。当水位低于下线时，要立即补水，一次补水至上线。

4.锅筒用软化水要合格。

相变加热炉虽然对锅水品质的适应性较强，但还应集中配套水处理设备，加入的锅水和补水的水质应符合GB1576-2001《低压锅炉水质标准》的要求，硬度要≤0.6mmol/L、pH≥7,不能使用生水或处理不合格的水，并每季度检测一次水质，以延长设备的使用寿命。

5.要做好管线的保温。

与炉体连接的补水管线、水位计管线和排污管线冬天易冻，要做好保温。

6.炉膛要保持微正压燃烧。

燃料过剩空气系数控制在1.1～1.2之间，以增多空气的吸入量，提高燃烧效率。

7.自动运行时，可适当调低上限停机温度，减小燃烧器的出力，以达到不停机或极少停机的连续运行状态。

8.每月要活动防爆门，以防粘接，失去防爆作用。

9.补水管路上必须安装止回阀、水过滤器和截止阀。

10.停炉后，若盘管不修理，可不关进出口闸门，以防管内存油凝结。

11.新加热炉投用前应打开人孔，按每立方米水2～3kg量，用磷酸三钠煮炉4h，再用清水冲洗锅筒。

12.要根据进液量和含水，及时调整锅筒内蒸汽的上、下限设定温度，以控制工质（原油）的加热温度。锅筒内温度的设置优先于负荷（盘管加热工质）温度的设置。

四、选型、设计时应注意的问题

1.从结构上考虑选型时，应首先选择分体式相变加热炉。

2.按负荷选型时，负荷≤600kW，宜选择常压卧式加热炉；600kW≤负荷＜1250kW，应选择整体式真空加热炉；1250kW≤负荷，应选择分体式相变加热炉。

3.为了提高热效率，分体式相变加热炉烟管应采用三回程式结构，烟囱在后部位置。整体式真空加热炉应采用两回程式结构，烟囱在前侧位置。

4.订货时，分体式相变加热炉应要求换热器盘管为可抽出式，以法兰与换热器壳体形成可拆卸式连接，以保证换热盘管维护和更换方便。

5.换热器顶部应设计安装真空阀和爆破膜双安全措施，以防真空阀阀芯卡死后，锅筒超压造成事故。

6.燃料为伴生气时，应设计和安装简易的湿气加热、脱水和分离（器）装置，以防燃烧器电磁阀因湿气锈蚀、卡死。

7.换热盘管结垢是相变加热炉的主要失效形式。要根据换热盘管内被加热工质的结垢倾向，配套设计和安装电磁等防垢器，以延长换热盘管的使用寿命。

8.在北方使用时，冬季气温低，排烟温度低，易冷凝，烟囱外壁要设计保温。

9.防爆门应设计在炉体的下部，不应设计在前部和后部，以防造成人身伤害。

五、结语

相变加热炉运行安全、可靠、节能，并具有体积小、升温快、热效率高、能高低，节能效果好、自动化程度高的特点，不但可替代传统的筒式加热炉和管式加热炉，还可应用于对在用的常压卧式水套加热炉进行节能技术改造，具有较好的经济效益和社会效益。

参考资料：

[1]GB/T21435-2009.相变加热炉.北京：中国标准出版社，2008.

[2]陈学俊，陈听款.锅炉原理（第二版）[M].北京：机械工业出版社，1991.

[3]邓寿禄，王贵生.油田加热炉[M].北京：中国石化出版社，2011.

[4]张志英，陈国岩.相变换热热水锅炉[J].工业锅炉，2005（5）.

（三等奖获奖征文）

TK175

B

1671-0711（2015）06-0060-03