水套爐應用存在的問題及改進方案
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[時間:2010-01-29 全球石油網 關注度:0]
摘要: 水套爐是油氣田生產和集輸過程中不可缺少的主要設備，它主要擔負著油氣田產品的升溫與集輸系統能量供給的任務。同時它也是油氣田最大的自耗燃料設備之一，其技術水平、熱效率的高低直接影響油氣田地面工程建設的技術水平、節能減排與經濟效益。據調查，目...
水套爐是油氣田生產和集輸過程中不可缺少的主要設備，它主要擔負著油氣田產品的升溫與集輸系統能量供給的任務。同時它也是油氣田最大的自耗燃料設備之一，其技術水平、熱效率的高低直接影響油氣田地面工程建設的技術水平、節能減排與經濟效益。據調查，目前國內正在使用的水套爐約為20000多臺。隨著油田建設的不斷發展，水套爐的用量也越來越大。因此探討其應用中存在的問題及其工藝技術的改進方案，具有重要的作用與意義。
一、水套爐應用存在的問題
水套爐在應用中存在的問題，歸納起來有三個方面。
1.加熱效率不高
目前油田大部分水套爐的熱效率不高，平均熱效率為52%～60%。低效率意味著天然氣高消耗量，直接影響油田的生產成本與效益。產生加熱效率不高的主要因素有三方面：一是水套爐自身燃燒器效率不高造成的，常用的負壓引射蝸殼式燃燒器爐膛火焰溫度不高，輻射強度低，降低了燃燒效率；二是常用水套爐選用水作為熱媒，工作壓力較低，操作溫度不高，造成水套與加熱介質之間的溫壓差較小，傳熱效率不高；三是水套爐自身結構的缺陷造成的，主要影響煙氣與煙管的對流換熱和被加熱介質與加熱盤管的換熱，從而影響到加熱爐效率。
2.水套爐燃燒系統壽命不長
使用壽命短，燃燒不好是水套爐燃燒系統的主要問題。其特點是煙火管與爐膛的連接彎頭處的焊縫發生泄漏。造成泄漏的原因主要有兩方面：一是天然氣中凝析水的腐蝕。大部分水套爐由于自用氣溫度不高，存在于天然氣中的飽和水蒸氣易凝析成液態水，電離成H+和OH-。H+與天然氣、H2S燃燒后的產物CO2和SO2分別生成H2CO3和H2SO3，在高溫、高壓下，加劇了煙火管通道以及焊縫的腐蝕，縮短了水套爐壽命。若天然氣中的飽和水蒸氣保持在較高溫度不凝析成液態水，則不易發生電離腐蝕，水套爐使用壽命會較長。水套爐殼程水溫度低，易造成飽和水蒸氣易凝析成液態水，同時水套爐自用天然氣出口溫度至節流閥之間的散熱面積較大，致使節流閥處溫度較低，導致天然氣節流降壓時產生凝析水或形成水合物。另一方面，焊接質量問題造成的泄漏致使燃燒系統壽命減少。這種情況不多，但在實際的生產過程中確實存在，應引起相應的重視。
3.水套爐煙火系統易腐蝕穿孔泄漏
目前的水套爐煙管一般為多回程設計方案，目的是為了增加煙管對流換熱面積，從而提高加熱爐效率。水套爐煙火系統易在煙管、前后管板及煙管連接管板處的焊縫發生腐蝕穿孔泄漏。造成腐蝕穿孔的原因主要還是凝析水的電化學腐蝕。此處的凝析水主要由天然氣燃燒后產生。該處焊縫還位于溫差大區段，容易對焊縫產生金屬疲勞破壞和焊接殘余應力破壞。同時，焊縫又處于高溫氣沖刷和含硫介質的強腐蝕環境下，極易造成腐蝕泄漏。此外，煙囪也易發生腐蝕穿孔致使水套爐無法使用。另一原因是焊縫的焊接質量問題造成，例如哈薩克斯坦北部扎奇油田CPF站中2300kW水套爐因煙管和管板角焊縫質量問題，發生泄漏，致使水套爐無法正常使用。
二、改進方案
針對水套爐在應用中存在的問題，其解決方案歸納有四。
1.采用新型高效燃燒器
燃燒器是水套爐的核心部件，水套爐熱效率的高低，直接取決于燃燒器燃燒性能的好壞。燃燒器燃燒性能好，天然氣與空氣混合越充分，燃燒效率越高。因此，采用新型高效燃燒器能從根本上解決目前水套爐效率不高的問題。可新型采用全自動比例調節燃燒器，在加熱管出口及殼體水浴設置溫度變送器，使燃燒器根據所需的熱負荷自動調節燃燒器的輸出負荷；采用煙氣氧含量分析儀檢測加熱爐煙氣殘余氧含量，控制空燃比，使燃料充分燃燒，減少煙氣量，從而減少煙氣帶走的熱量，降低燃料消耗，提高燃燒器效率。
2.采用合適的新型熱媒、高效換熱管以及提高其操作溫壓
根據所設計的工程需要，經過技術、經濟的比較，選定新型高效熱媒作為水套爐的新型熱媒，以適應自然條件和工藝的要求。新型熱媒一般具有高比熱容，高熱傳導系數，良好的化學穩定性，不腐蝕設備、管道及其他附件的特點，比目前常用的熱媒（水）具有明顯的優勢。同時，可根據水套爐結構、換熱方式及其工況要求，采用高效換熱管傳熱，并適當提高水套爐殼體工作壓力，以提高溫壓增加傳熱效率。采用新型高效熱媒、高效換熱管，提高操作溫壓，都是從熱力學能量傳遞原理出發，減少能量損耗，提高水套爐加熱爐效率。
3.對水套爐結構進行優化
水套爐結構的優化主要從研制新型的火筒、煙管結構，改進換熱盤管結構和布置方式，以及增設附屬設備進行整體結構優化等方面來進行。結構優化主要目的是強化火筒的輻射換熱和煙管對流換熱，降低排煙溫度，提高水套爐熱效率，同時改善爐體結構和整體配置性，降低水套爐設計壓力和金屬耗量，簡化制造工藝。結構優化的方法主要有以下幾種。（1）采用三回程的加熱結構代替目前的兩回程結構，增加煙管管束的長度，即增大換熱面積，可以大幅度提高水套爐熱效率。（2）應用新型三維內肋管替代光管作為水套爐的煙管，提高對流換熱系數，提高水套爐的熱效率，同時可以減小水套爐的火筒煙管長度，有利于降低水套爐的金屬耗量。（3）增設附屬設備進行結構優化，可增設小型氣液分離設備除去天然氣中的凝析水，減少水套爐的電化學腐蝕。可在煙管與煙囪之間增設小型的余熱回收裝置，以降低加熱爐排煙溫度，提高熱效率。（4）對水套爐進行整體結構優化，將新型高效火筒煙管布置在殼體的內下部，減少水套爐結構尺寸，提高殼體的空間利用率；采用多管程變徑管束作為換熱盤管，在降低流通阻力的同時，提高了換熱系數，增加單位筒體體積內換熱盤管的面積，從而提高水套爐加熱爐效率。
4.采用新型材料并保證其制造質量
采用新型保溫結構及材料，以降低由于加熱爐表面散熱造成的熱損失。開發并利用新型耐腐蝕材料制造水套爐，并保證水套爐制造過程中的焊縫質量。這其中包括合理選擇焊接程序和焊接位置及焊槍角度，克服因焊接問題造成的泄漏等，從而保證整個水套爐的制造質量。
三、結束語
通過采用高效燃燒器、新型優質熱媒、高效換熱管、提高操作溫壓、應用新型三維內肋管等手段，可以而且能夠有效地提高水套爐的加熱效率。通過對水套爐結構進行整體優化，添加水套爐配套設備，從而能夠實現水套爐設備小型化、高效化，并延長設備使用壽命。同時，在水套爐生產制造過程中研制、開發、利用新型材質，嚴格控制生產質量和焊縫焊接質量，從而克服水套爐泄漏問題，這些措施亦能延長水套爐的使用壽命。
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