相变换热加热炉在油气集输领域的适应性_工程实践

摘要

摘要：介绍了相变换热加热炉的基本特点、在油气集输领域面临的不利因素，探讨了增强其在油气集输领域适应性的措施。关键词：相变换热；加热炉；油气集输；换热器；适应性Adaptability of

摘要：介绍了相变换热加热炉的基本特点、在油气集输领域面临的不利因素，探讨了增强其在油气集输领域适应性的措施。

关键词：相变换热；加热炉；油气集输；换热器；适应性

Adaptability of Phase-change Heat Transfer Heater in Oil and Gas Gathering and Transportation Field

WANG Ya-feng，ZHANG Xue-yan

Abstract：The basic characteristics of phase-ehange heat transfer heater and the disadvantageous factors faced in oil and gas gathering and transportation field are introduced. The measures for enhancing its adaptability in this field are discussed.

Key words：phase-change heat transfer；heater；oil and gas gathering and transportation；heat exchanger；adaptability

石油工业油气集输领域的被加热介质主要是原油、井产物、高矿化度污水、含油污水、未经处理的伴热水和采暖水，这些介质在加热过程中易结垢、结焦、易燃易爆，因此不适合采用火焰直接加热，应采用间接加热方式。

将相变换热技术与先进的燃烧技术、传热技术完美结合的相变换热加热炉是间接式加热设备的一种，具有安全、环保、节能、高效等优点。相变换热加热炉以其无可比拟的广泛适应性较好地满足石油行业用户的需求，已成为石油行业传统加热设备的理想替代炉型，在油田油气集输领域具有广泛的应用空间。

1 相变换热加热炉的基本特点

相变换热是利用液体蒸发、气体冷凝进行热量传递的过程。相变换热包括真空相变和压力相变2种换热方式。该技术应用于油田加热炉具有以下基本特点：

① 传热系数大，换热效果好

相变换热加热炉运行时，可以采用较低压力下具有较高沸点的中间传热介质，相对于液浴式加热增加了汽化潜热的能量传递，可以更有效地提高换热器的传热系数，减少换热管的传热面积。

② 不易结垢，无氧腐蚀，加热炉寿命长

可采用成本低廉的水作为中间传热介质，水在封闭状态下运行，完成受热蒸发、换热冷凝。运行实践表明：若采用可靠的密封方式，正常运行时相变换热加热炉极少失水，补水量小，补水所带入的钙镁离子含量十分有限，不至于在炉内形成垢层。因此，炉体受热面不易结垢，不会发生过热损坏，安全可靠。

相变换热加热炉在停运后再启动时，需适当排出少量蒸汽，将漏入的空气带走，此过程称为排气过程。排气已将炉内空气排掉，外界空气也不会大量渗入，因此炉内基本为无氧状态，避免了氧腐蚀的发生，确保了加热炉的使用寿命。

③ 运行成本低，热效率高

中间介质水受热蒸发、换热冷凝，是在重力作用下实现的，无需外界动力，故没有动力成本，运行成本低。相变换热加热炉对锅水品质适应性较强，采用洁净自来水即可。因此，不必配备专门的水处理设备，有效地节约了成本。

因炉体的受热面不易结垢，加热炉的炉胆、烟管等受热面能始终保持很高的传热系数，使加热炉可以持久地保持较高的热效率(88%～91%)，节约大量的燃料。

2 油田用加热炉面临的不利因素

① 燃料品质差

油气田加热炉使用的燃料多为只经过粗处理的燃料，一般为含水、含轻烃的天然气或含水、含砂和腐蚀性介质的原油等。常会出现以下问题：冬季燃气管路和控制阀冻结；含水、含砂原油在采用压力雾化方式燃烧时，因含水率高不易点火甚至熄火或细砂磨损堵塞喷嘴、磨损供油泵的密封件。

② 运行环境恶劣

我国陆上油田多分布在环境恶劣的地区，如冬季室外气温可达到-40℃的大庆油田、吉林油田，海拔为3km、空气稀薄的青海油田，地处沙漠腹地的塔里木油田。这些严酷的工作环境，向在野外连续运行、要求具备高可靠性的加热设备提出了严峻的挑战。

③ 被加热介质复杂多样

被加热介质多为含水原油、外输原油、井产物、高矿化度污水、含油污水、天然气、原油天然气和水的混合物以及未经处理的伴热水、采暖水等，这些介质在加热过程中易结垢、易结焦、腐蚀性强、黏度大、压力高。

3 加热炉在油气集输领域的适应性

3.1 对燃料的适应性

将相变换热加热炉与先进的燃烧设备相结合，对石油行业常用燃料有良好的适应性。如常用的燃煤加热炉、燃气加热炉、燃油加热炉、燃油燃气加热炉等。

燃油燃气加热炉可借鉴燃油(气)卧式内燃工业锅炉的成熟经验，采用微正压通风燃烧方式和波形炉胆、螺纹烟管等强化燃烧技术，提高火筒的容积热强度，使燃烧过剩空气系数控制在1.1～1.3，以达到较好的技术经济指标。

燃煤加热炉可采用新型水火管炉体结构，炉膛可采用拱形管板、螺纹烟管使锅壳由准刚性体变为准弹性体，再配以翼形烟道，可避免传统烟火管锅炉的高温管板开裂。

对于低品质燃料可采取适当措施增强加热炉的适应性。

① 含水和含轻质油的低品质燃气

a. 在加热炉系统中设置燃气预热盘管对燃气进行预热，使燃气温度达到40℃左右，可有效地改善燃烧条件，亦可避免冬季运行时在燃气管路和控制阀内形成水合物，阻塞管路。

b. 加大燃烧器点火电极功率，确保冬季运行的点火成功率。

c. 采用适宜的火焰探测方式，以保证运行可靠性。

② 低品质燃油

由于压力雾化方式不适用于低品质燃油，因此宜选用非压力雾化方式的燃烧器，以增强加热炉的适应性。如德国的扎克系列燃烧器采用外混合雾化器或内混合雾化器，单枪式结构，适合于轻油、重油和天然气等燃料；意大利的百得燃烧器、德国的威索燃烧器主要采用转杯雾化器，适合于轻油、重油、天然气和油气混合型燃料。

3.2 对运行环境的适应性

① 可为加热炉配置操作板房，内设散热器，确保其内的仪器仪表安全过冬。

② 合理设计对流受热面的结构，合理确定燃烧器的种类及型号，确保加热炉在高海拔地区正常运行。

③ 将加热炉及其附件进行一体化装配，既方便安装又可增强燃烧器等配套自控设备对恶劣环境的适应性。

3.3 对被加热介质的适应性

3.3.1原油

加热原油所需的换热面积及换热器形式与原油黏度、油中含水及含气量有关。

① 给温度为50℃时，黏度在50mPa·s以下的原油加热，通常采用常规的盘管式换热器的真空相变换热加热炉。

② 对于重质原油，其温度为50℃时，黏度的数量级高达10³～10⁴mPa·s，其胶质、沥青质含量较高。为防止加热时严重结焦，必须采用间接加热的方式。采用正压运行的分体式相变换热加热炉能够很好地满足此类加热需求，且可获得良好的经济性。换热器一般可采用管壳式，管程阻力小且便于除污垢和检修。

③ 对于像胜利油田这种油中含砂量高的情况，可使换热器与抽砂泵配合使用，用抽砂泵将沉积在管箱内的沉砂抽出送入出口管线中，解决沉砂影响换热效果的问题。

3.3.2油田污水

油田污水加热面临的主要问题是结垢与腐蚀。

① 结垢

随着我国大部分油田进入注水采油阶段，采油及集输系统的结垢问题日益突出。结垢对油田危害巨大，垢在采油、集输系统中的沉积会增加流体的阻力，从而增加能耗；还可造成垢下腐蚀，影响正常生产。换热管束垢层主要有碳酸钙、硫酸钙结垢和硫酸钡、硫酸锶结垢，其热导率很低。解决加热炉结垢问题可从以下几方面入手：

a. 换热器设计时考虑足够的冗余换热面积即在根据清洁时的总传热系数确定的传热面积基础上，增加一定百分比的传热面积(通常为20%～30%)^[1]，使在结垢导致传热系数显著降低时，仍能保证加热炉的出力。

b. 在满足压降要求的前提下，换热器设计时尽可能提高被加热介质的流速。流体的流速可以通过对传热传质的影响和机械作用力使结垢受到影响。一般情况下，流速大可阻碍固体颗粒在壁面的沉积，并使晶粒不易附着，从而减轻结垢。

c. 采用高效、环保除垢的换热器结构。厚壁盘管换热器，适用于酸洗除垢(多为碳酸盐垢)，管壁腐蚀余量一般可取3～5mm；可抽出式盘管换热器，盘管管束一端与换热器壳体采用大口径法兰连接，可定期抽出盘管管束检查，亦可方便地更换管束，宜用于十分重要的加热或腐蚀性强及易结硫酸钡、硫酸锶垢的场合；管壳式换热器，适用于物理方法除垢，如采用高压水射流或机械钻具等物理方法能快速除垢，且对换热器损害小。

d. 运用具有显著效果的防垢、除垢技术，减缓结垢速度、延长清理周期，如运用电子、声学、磁电联爆等防垢、除垢技术。

② 腐蚀

许多油田的采出水含有高浓度的Cl^-，有的已达到海水Cl^-浓度的几倍。Cl^-对碳钢、不锈钢均具有较强的腐蚀性，主要腐蚀形式为坑状点蚀，这使得换热管束的使用寿命大大缩短，常会导致换热管穿孔。由于其腐蚀不是均匀腐蚀，单靠增加管体壁厚不能显著延长换热管的寿命。此外，碳酸根离子、氢硫酸等的腐蚀也很常见。

可以根据腐蚀介质的不同采取灵活多变的应对措施，如采用铜管换热器或涂敷防腐涂层的碳钢管换热器应对Cl^-腐蚀，采用不锈钢换热器应对碳酸根离子；采用换热管管壁涂敷镍的方法阻止氢硫酸的腐蚀。

3.3.3天然气

① 含湿H₂S的井产物

在一些天然气井产物中，含有较高浓度的H₂S，其与水结合后对各种金属均具有强烈的应力腐蚀。对此种介质加热，从安全性角度考虑必须采用真空相变换热加热炉；并采用耐H₂S腐蚀的低碳钢厚壁盘管式换热器，对换热器进行整体热处理，消除组织应力和降低硬度；此外，换热管束还需做成可抽出式结构，便于定期检测壁厚和及时更换换热管束。

② 含CO₂的井产物

在某些井产物中含有浓度超标的CO₂，与水反应生成腐蚀性较强的碳酸。当井产物中Cl^-含量低时，采用不锈钢管换热器；当Cl^-含量高时，采用碳钢管壳式换热器，在天然气侧涂敷防腐涂层，利用涂层优异的抗腐蚀和抗磨损性能，解决腐蚀问题。

参考文献：

[1] 张少峰，刘燕.换热设备防除垢技术[M].北京：化学工业出版社，2003.

(本文作者：王亚锋张雪岩中国石油冀东油田公司河北唐海 063200)