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2017-11-07 10:04:08
石油化工設(shè)備 2017年4期
(華油惠博普科技股份有限公司 設(shè)計(jì)研究院， 北京 100088)
油田臥式燃?xì)饧訜崽幚砥骰鹜补陌湫褪鹿史治?/p>
蘇海鵬
(華油惠博普科技股份有限公司 設(shè)計(jì)研究院， 北京 100088)
加熱處理器是油氣田中使用的具有原油加熱、分離等多項(xiàng)功能的油氣集輸專用裝置，綜合了火筒式加熱爐和油水分離器的工藝原理。針對(duì)一起加熱處理器火筒鼓包事故，在綜合設(shè)計(jì)基礎(chǔ)條件、工藝選型計(jì)算、機(jī)械設(shè)計(jì)方案及設(shè)備運(yùn)行的基礎(chǔ)上，對(duì)加熱處理器火筒鼓包現(xiàn)象進(jìn)行了調(diào)查分析，指出了火筒鼓包的原因，總結(jié)了加熱處理器在設(shè)計(jì)選型和操作運(yùn)行方面存在的問(wèn)題，以期對(duì)同類裝置的設(shè)計(jì)及設(shè)備運(yùn)行具有指導(dǎo)意義。
加熱處理器； 加熱分離器； 火筒； 鼓包； 分析
燃?xì)饧訜崽幚砥魇怯蜌馓镏杏糜诨鹧婕訜岷头蛛x出原油、天然氣、水及其混合物等介質(zhì)的專用設(shè)備之一，多用于集輸站場(chǎng)中油氣水的加熱和分離，是一種具有加熱、分離、緩沖等多種功能的加熱分離器[1-3]，其設(shè)計(jì)、運(yùn)行綜合了火筒式加熱爐和油水分離器設(shè)備的工藝原理，也可稱為一體化加熱分離裝置，即通過(guò)在金屬圓筒殼體內(nèi)設(shè)置火筒，將燃料燃燒釋放的熱量直接傳遞給被加熱介質(zhì)，將原油、天然氣以及井產(chǎn)物加熱到工藝所要求的溫度，并且進(jìn)行沉降、分離[4-6]。
國(guó)外某燃?xì)庠吞幚碚?臺(tái)加熱處理器采用了可抽出的雙火筒臥式結(jié)構(gòu)，對(duì)上游來(lái)液進(jìn)行加熱、分離。設(shè)備于2015-05投產(chǎn)運(yùn)行，2016-12-16發(fā)現(xiàn)其中1臺(tái)設(shè)備的火筒發(fā)生鼓包現(xiàn)象，隨后對(duì)設(shè)備進(jìn)行了停產(chǎn)維護(hù)。文中針對(duì)加熱處理器出現(xiàn)的鼓包現(xiàn)象，對(duì)加熱處理器的設(shè)計(jì)、選型、運(yùn)行等方面情況進(jìn)行了回顧和調(diào)查，分析了火筒鼓包產(chǎn)生的原因，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。
1 加熱處理器與火筒鼓包情況概述
1.1加熱處理器
加熱處理器按照ASME VIII進(jìn)行設(shè)計(jì)及制造，采用雙火筒、可抽出結(jié)構(gòu)形式，以便后續(xù)運(yùn)行過(guò)程中加熱負(fù)荷調(diào)節(jié)和設(shè)備維護(hù)[7-10]。
加熱處理器規(guī)格(內(nèi)徑×長(zhǎng)度)為? 3 m×12 m?；鹜膊捎闷街睜t膽與波形爐膽相結(jié)合的形式，并進(jìn)行整體熱處理，以消除加工制造過(guò)程中的焊接應(yīng)力，材質(zhì)均采用SA 516 Gr70N。火筒經(jīng)由位于其左右及下方的滑道裝置進(jìn)行支撐和固定。燃燒設(shè)
備采用意大利百得(BALTUR)燃?xì)馊紵鱗11]，加熱處理器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。
圖1 加熱處理器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
1.2火筒鼓包情況
加熱處理器火筒鼓包和停產(chǎn)維護(hù)時(shí)的油污情況見(jiàn)圖2。
圖2 加熱處理器火筒鼓包及油污
由圖2可見(jiàn)，火筒的鼓包情況比較嚴(yán)重，鼓包位于左側(cè)火筒底部的波形火筒與平直火筒的結(jié)合部位，而且火筒外部還附著大量的油泥。鼓包處已經(jīng)產(chǎn)生了大量的氧化層，并已經(jīng)開(kāi)始脫落。加熱處理器停產(chǎn)后，從設(shè)備底部的側(cè)面人孔清理出了大量的含油污泥。
結(jié)合實(shí)際運(yùn)行情況可知，被加熱介質(zhì)中含有大量的泥沙。在設(shè)備的運(yùn)行過(guò)程中，沒(méi)有及時(shí)進(jìn)行排污、排沙，從而導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部靠近火筒的周圍泥沙不斷地積累，附著在火筒外表面。
2 加熱處理器工藝選型計(jì)算與機(jī)械設(shè)計(jì)方案
加熱處理器的工藝選型計(jì)算主要包括熱工工藝計(jì)算和設(shè)備工藝選型計(jì)算兩個(gè)部分。熱工工藝計(jì)算的主要目的是進(jìn)行加熱負(fù)荷和火筒的熱力、煙氣系統(tǒng)阻力計(jì)算，以確定受熱面積大小和火筒的機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸。設(shè)備的工藝計(jì)算是根據(jù)技術(shù)指標(biāo)和熱工工藝的計(jì)算結(jié)果，然后確定設(shè)備的外形尺寸、火筒在容器內(nèi)的安裝位置、油水界面的高度、油水各自的停留時(shí)間等工藝參數(shù)。
2.1工藝設(shè)計(jì)條件
加熱處理器原始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)：總質(zhì)量流量最大值為3 175 t/h，其中石油的質(zhì)量流量為635 t/h，水的質(zhì)量流量為2 540 t/h；進(jìn)/出口溫度為20 ℃/60 ℃；工作壓力0.4 MPa(g)；出口油中水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為不大于10%，出口水中油質(zhì)量濃度為500 mg/L；原油停留時(shí)間不大于52 min，水的停留時(shí)間不大于4 min。
上述數(shù)據(jù)在設(shè)計(jì)階段為2臺(tái)設(shè)備的處理量，在設(shè)計(jì)審查階段，業(yè)主將該數(shù)據(jù)變更為單臺(tái)設(shè)備的處理量。
2.2原油加熱負(fù)荷計(jì)算
原油加熱處理器加熱負(fù)荷的計(jì)算以油水界面以上的原油加熱所需熱量為準(zhǔn)，不考慮油水界面以下混合物的加熱。在計(jì)算加熱負(fù)荷時(shí)，通常假定被加熱的原油中含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的水。
被加熱介質(zhì)所需熱量按照下式計(jì)算：
Q=qmcpΔt/3.6
(1)
其中
Δt=t2-t1
式中，Δt為被加熱介質(zhì)溫差，t2為被加熱介質(zhì)出口溫度，t1為被加熱介質(zhì)入口溫度，℃；qm為被加熱介質(zhì)質(zhì)量流量，t/h；Q為被加熱介質(zhì)所需熱負(fù)荷，kW；cp為被加熱介質(zhì)比定壓熱容，kJ/(kg·℃)。
這里忽略了油水的偏差，統(tǒng)一按照水的密度進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)式(1)計(jì)算的原油加熱負(fù)荷見(jiàn)表1。對(duì)計(jì)算總熱負(fù)荷圓整后取額定熱負(fù)荷為1 100 kW。
表1 加熱負(fù)荷計(jì)算結(jié)果
2.3火筒熱力計(jì)算結(jié)果
根據(jù)加熱負(fù)荷計(jì)算結(jié)果，每個(gè)火筒的輸入熱量最小需要550 kW，這樣才能夠能滿足加熱要求。根據(jù)百得燃燒器的火焰長(zhǎng)度、火焰直徑與燃燒器功率曲線(圖3、圖4)，確定以火筒內(nèi)徑為500 mm進(jìn)行熱力計(jì)算[11]。
單臺(tái)火筒熱力計(jì)算和煙氣阻力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。
圖3 火焰長(zhǎng)度與燃燒器功率曲線
圖4 火焰直徑與燃燒器功率曲線
名稱輻射火管對(duì)流火管受熱面積H/m212.8811.78入口煙氣溫度θ'/℃—642.0出口煙氣溫度θ″/℃642.0～652.0373.0～420.0平均煙氣流速wy/(m·s-1)—4.0對(duì)數(shù)溫差Δt/℃—337.80傳熱系數(shù)K/(kW·m-2·℃-1)—0.0265傳熱量Q/kW444.36105.51計(jì)算熱效率η/%75.1～77.8—標(biāo)況下燃料消耗量Bj/(m3·h-1)74.30受熱面平均熱流密度q/(kW·m-2)28.74火管截面熱流密度Φ/(kW·m-2)2802.55煙氣系統(tǒng)阻力Δp/Pa48.20
從表2可以看出，火筒的受熱面平均熱流密度為28.74 kW/m2、火筒的截面熱流密度為2 802.55 kW/m2，這些數(shù)據(jù)滿足文獻(xiàn)[12]要求的小于受熱面最大平均熱流密度推薦值31 kW/m2和橫截面熱流密度不宜大于6 800 kW/m2的推薦值。
2.4設(shè)備工藝選型計(jì)算結(jié)果
加熱處理器整體的工藝選型計(jì)算方法可以依據(jù)API 12J規(guī)范執(zhí)行[13]。根據(jù)熱力計(jì)算結(jié)果，確定了如圖5和圖6所示的火筒機(jī)械設(shè)計(jì)條件。
圖5 火筒結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
圖6 設(shè)備內(nèi)部橫截面
火筒整體采用U形結(jié)構(gòu)，輻射與對(duì)流段均采用內(nèi)徑為500 mm的圓筒，過(guò)渡段采用內(nèi)徑為400 mm的180°鋼制彎頭、異徑管件連接。
根據(jù)設(shè)計(jì)條件和技術(shù)指標(biāo)的要求，設(shè)備工藝計(jì)算選型結(jié)果見(jiàn)表3。
表3 加熱處理器工藝選型結(jié)果
由表3和圖6可知，加熱處理器的油水界面為700 mm。
2.5燃燒器選型[11]
燃燒器選型的計(jì)算公式如下：
QR=Q/η
(2)
式中，QR為燃燒器功率，kW。
由表2、表3可知，加熱處理器火筒熱效率為75.1%～77.8%、單個(gè)火筒的熱負(fù)荷為550 kW。將η=75.1%～77.8%、Q=550 kW帶入到式(2)中可得QR=707～732 kW。
燃燒器背壓與負(fù)荷曲線見(jiàn)圖7，其中TBG為燃燒器的代號(hào)。
圖7 燃燒器背壓與負(fù)荷曲線
由圖7可知，在550 kW功率條件下，燃燒器的火焰直徑為465～475 mm，該數(shù)據(jù)小于火筒熱力計(jì)算所確定的內(nèi)徑。根據(jù)計(jì)算的燃燒器功率和表3中火筒煙氣阻力48.2 Pa，從相應(yīng)的燃燒室背壓與燃燒器負(fù)荷曲線(圖7)可知，圖7中各型號(hào)燃燒器都滿足加熱負(fù)荷的要求。
根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，首先要考慮到在加熱處理器實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，設(shè)備熱效率降低的可能性和加熱處理器峰值處理量的需要。選型假定火筒的熱效率為70%，此時(shí)計(jì)算所得的燃燒器功率為785.7 kW。其次，燃燒器一般在最大需要熱負(fù)荷的80%下運(yùn)行，考慮到這個(gè)因素，參考圖7，TBG80和TBG85均不能滿足加熱處理器的加熱負(fù)荷要求。所以，綜合考慮后選擇了TBG120型燃燒器。在假定的燃燒器計(jì)算功率條件下，由圖7可知，燃燒器的火焰直徑約為485 mm，小于計(jì)算選型確定的內(nèi)徑，滿足設(shè)計(jì)選型要求。
2.6機(jī)械設(shè)計(jì)方案
加熱處理器設(shè)計(jì)過(guò)程中主要考慮了以下因素。
(1)要求火筒可抽出維護(hù)且考慮到U形火筒的穩(wěn)定性。因此，設(shè)計(jì)過(guò)程中將火筒底部和側(cè)面分別設(shè)置了滑道和導(dǎo)軌、支撐和墊板。
(2)為了緩解火筒在受熱過(guò)程中產(chǎn)生的熱膨脹效應(yīng)，分別在火筒煙氣高、低溫部分設(shè)置了波紋火筒，波形火筒公稱內(nèi)徑與火筒的直段部分直經(jīng)均為500 mm，波形火筒波峰高度38 mm、最小內(nèi)徑為424 mm，火筒和支撐結(jié)構(gòu)材質(zhì)為SA516 70N，火筒壁厚為16 mm 。
(3)2個(gè)火筒位于設(shè)備內(nèi)部的兩側(cè)(圖6)，分別有各自的支撐結(jié)構(gòu)和滑道支撐，并且垂直安裝在容器內(nèi)部。
(4)進(jìn)液豎管位于2個(gè)火筒中間，豎管底部設(shè)置了具有防沖擊功能的布液盤。
(5)火筒底部距離油水界面的垂直高度為173 mm，即火筒底部距離設(shè)備底部的垂直高度為873 mm。
(6)為了使火筒的支撐和固定良好，設(shè)備內(nèi)部設(shè)置了諸多鋼結(jié)構(gòu)件，以保持整個(gè)火筒的穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)火筒的可抽出功能。
(7)火筒頂部設(shè)置沖沙管，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中對(duì)火筒頂部進(jìn)行沖洗，保持火筒的清潔和良好的傳熱效果。
3 火筒鼓包設(shè)計(jì)選型原因分析
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)初步分析認(rèn)為，加熱處理器火筒鼓包的原因集中在材料、工藝設(shè)計(jì)選型、機(jī)械設(shè)計(jì)方案和設(shè)備運(yùn)行等方面，并分別就這幾個(gè)方面展開(kāi)核查和分析。其中，工藝設(shè)計(jì)選型有關(guān)的問(wèn)題集中在火筒的熱力計(jì)算與選型、燃燒器的選型和火筒的機(jī)械設(shè)計(jì)，機(jī)械設(shè)計(jì)方面主要集中在火筒和設(shè)備內(nèi)部火筒周邊的支撐結(jié)構(gòu)和進(jìn)液豎管。
3.1火筒壁金屬材料調(diào)查與分析
對(duì)火筒材質(zhì)進(jìn)行了調(diào)查與分析。根據(jù)制造廠提供的材質(zhì)證明顯示，火筒材質(zhì)各項(xiàng)化學(xué)成分和力學(xué)性能均符合ASME規(guī)范的有關(guān)要求[14]。
業(yè)主方從鼓包的火筒上切割下一塊尺寸約100 mm×50 mm的鋼片進(jìn)行金相實(shí)驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，材料的各項(xiàng)化學(xué)成分和力學(xué)性能試驗(yàn)均合格。
從這兩方面反饋結(jié)果來(lái)看，用于制造火筒的鋼板材質(zhì)是合格的，從而排除了可能因?yàn)椴馁|(zhì)問(wèn)題而造成的火筒鼓包。
3.2熱力計(jì)算與火筒設(shè)計(jì)選型核查與分析
從表2可知，受熱面平均熱流密度為28.74 kW/m2，雖然符合文獻(xiàn)[12]的最大推薦值，不大于受熱面最大平均熱流密度推薦值31 kW/m2，但此數(shù)值超出了推薦的11～25 kW/m2的范圍。
計(jì)算后得到的輻射火管和對(duì)流火管的受熱面平均熱流密度數(shù)值分別為34.5 kW/m2和8.96 kW/m2，其中輻射段的數(shù)值明顯超出了規(guī)范的推薦值。
上述分析顯示，輻射火管的受熱面平均熱流密度大于推薦范圍的受熱面最大平均熱流密度值。因此可以判定，火管受熱面積的選擇偏小，從而造成受熱面平均熱流密度不符合規(guī)范的推薦值。
3.3燃燒器選型調(diào)查與分析
根據(jù)計(jì)算結(jié)果，燃燒器的計(jì)算選型功率為707～732 kW、假定選型功率為785.7 kW。在這個(gè)功率條件下，燃燒器火焰直徑為465～475 mm和485 mm。根據(jù)上述機(jī)械設(shè)計(jì)確定的火筒結(jié)構(gòu)，波形火筒的最小內(nèi)徑為424 mm，將造成燃燒器火焰直接沖刷到波形火筒壁面。
根據(jù)燃燒器選型的調(diào)查情況可以看出，燃燒器的選型與波形火筒的匹配存在一定的問(wèn)題。一方面，燃燒器的選型過(guò)程忽略了在熱效率較低的典型工況下，燃燒器功率增大后引起火焰尺寸變大對(duì)燃燒室的影響。另一方面，與加熱功率條件下的火焰尺寸相比較，輻射火管與波形火筒的公稱直徑選擇偏小，特別是靠近燃燒器側(cè)的波形火筒的設(shè)置，造成燃燒器火焰直接沖刷到了波形火筒壁面，使得火焰周邊的火筒壁長(zhǎng)期處于高溫狀態(tài)。
3.4機(jī)械設(shè)計(jì)方案調(diào)查與分析
根據(jù)圖2可知，火筒鼓包處正好位于燃燒器火焰直徑最大的圓周上，造成燃燒器火焰直接沖刷到了波形火筒壁面。由此判斷，靠近燃燒器側(cè)的波形火筒設(shè)置考慮有所欠缺?；鹜补陌幍膱A筒外壁有1塊支撐U形火筒的支承墊板，這塊墊板直接焊接在了火筒外壁上，從火筒傳熱角度考慮，在外壁焊接墊板不利于熱量的傳遞，從而加速了局部過(guò)熱。因此，這些墊板只能用作臨時(shí)支撐，而不能作為永久性固定支撐使用。
由于要求火筒具有可抽出的功能，故在火筒底部設(shè)置了滑道支撐板和輥輪。同時(shí)為了支撐火筒，在設(shè)備底部設(shè)置了支撐鋼架和輥輪。這些支撐結(jié)構(gòu)和滑動(dòng)裝置極易造成原油中的泥沙在火筒周邊的累積，從而影響火筒的傳熱，造成火筒壁溫度的升高。
從圖1可知，旋流器位于2個(gè)火筒中間，旋流器底部設(shè)置了具有防沖擊功能的布液盤。來(lái)液進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部并經(jīng)過(guò)旋流器引導(dǎo)至布液盤，介質(zhì)在接觸布液盤的一瞬間，由于巨大的壓力與反沖擊作用，造成液體向周邊急劇擴(kuò)散和上翻，剛好帶動(dòng)介質(zhì)中的泥沙流動(dòng)至火筒支撐板和支撐結(jié)構(gòu)的結(jié)合部位，造成泥沙的長(zhǎng)期積累。因此，從旋流器底部的設(shè)置和進(jìn)液方向來(lái)看，旋流器底部的設(shè)置存在一定的缺陷。
根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)方面的情況，認(rèn)為火筒及周圍的機(jī)械結(jié)構(gòu)存在設(shè)計(jì)缺陷，導(dǎo)致火筒周邊泥沙大量積累，并且附著在火筒外壁，造成燃燒產(chǎn)生的熱量不能夠及時(shí)傳給火筒外的原油，使得火焰周邊的火筒壁長(zhǎng)期處于高溫狀態(tài)，從而加劇了火筒金屬壁面的局部過(guò)熱，最終導(dǎo)致火筒鼓包[15，16]。
4 火筒鼓包運(yùn)行原因分析
4.1實(shí)際運(yùn)行參數(shù)和加熱負(fù)荷
根據(jù)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)條件和技術(shù)指標(biāo)的要求，選取處理量相對(duì)比較穩(wěn)定、更接近設(shè)計(jì)基礎(chǔ)要求的一個(gè)晝夜內(nèi)，原油、水的處理量和溫升情況作為典型代表。選取的現(xiàn)場(chǎng)操作運(yùn)行情況記錄統(tǒng)計(jì)表見(jiàn)表4，其他每天的處理量在表4的基礎(chǔ)上，上、下浮動(dòng)大約10%。
表4 實(shí)際原油處理量統(tǒng)計(jì)表(2015-11-11～12)
根據(jù)表4統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，2臺(tái)加熱處理器每天的處理量為3 332 m3，其中原油的處理量為418 m3、水的處理量為2 914 m3。結(jié)合其他日期的處理量數(shù)據(jù)分析如下。
表1給定的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)條件應(yīng)為2臺(tái)設(shè)備的處理量。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行的數(shù)據(jù)計(jì)算，單臺(tái)加熱處理器的額定熱負(fù)荷約350 kW、每臺(tái)火筒所需要的輸入熱量為175 kW，該數(shù)據(jù)遠(yuǎn)小于每個(gè)火筒的設(shè)計(jì)輸入熱量550 kW。假定所需的熱量全部被火筒的輻射段吸收并釋放，此時(shí)的輻射段受熱面平均熱流密度為13.59 kW/m2，滿足文獻(xiàn)[12]推薦的11～25 kW/m2的要求。因此，按照實(shí)際加熱負(fù)荷調(diào)整燃燒器的輸出功率，設(shè)備運(yùn)行過(guò)程將不存在火焰沖刷火筒壁的現(xiàn)象。
4.2設(shè)備的操作運(yùn)行
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際運(yùn)行情況，加熱處理器正常運(yùn)行階段的操作主要存在油水界面偏高、燃燒器負(fù)荷偏大、介質(zhì)泥沙含量較高及設(shè)備排沙不及時(shí)等方面的問(wèn)題。
根據(jù)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)條件和技術(shù)指標(biāo)的要求，設(shè)備工藝選型確定的油水界面為700 mm，加熱處理器調(diào)試運(yùn)行階段，在按照設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上運(yùn)行，故各部分參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到要求。而實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，油水界面經(jīng)常被現(xiàn)場(chǎng)操作人員提高1 000 mm左右。同時(shí)，由于未能及時(shí)進(jìn)行排污，導(dǎo)致泥沙占據(jù)了水層體積，變相提高了油水界面，破壞了油水的沉降、分離和停留時(shí)間，從而使相當(dāng)一部分熱量被介質(zhì)中的水吸收，導(dǎo)致原油溫度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，從而引起一系列連鎖反應(yīng)。此時(shí)，因?yàn)樵蜏囟炔粷M足工藝要求，操作人員通過(guò)提高燃燒器出力來(lái)滿足原油加熱溫度的要求。燃燒器出力的增大，進(jìn)而導(dǎo)致火焰沖刷火筒壁面，同時(shí)增加了輻射段火管的受熱面平均熱流密度，從而使火筒壁長(zhǎng)期處于較高的溫度狀態(tài)。
由圖2可知，被加熱介質(zhì)中含有較多的泥沙，而且在運(yùn)行過(guò)程中沒(méi)有按照操作要求進(jìn)行及時(shí)排沙，導(dǎo)致泥沙不斷地在設(shè)備內(nèi)部和火筒外壁累積，從而造成火筒局部溫度過(guò)熱，導(dǎo)致火筒鼓包。造成這些后果的原因，首先是設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)未能正確反映介質(zhì)的物性和泥沙的含量。其次，現(xiàn)場(chǎng)操作人員對(duì)來(lái)液中所含泥沙對(duì)設(shè)備運(yùn)行的危害性沒(méi)有正確的認(rèn)識(shí)，導(dǎo)致未能及時(shí)采取排沙、排泥措施。最后，由于泥沙未能及時(shí)排放，造成水層體積被占據(jù)，而使油水的停留時(shí)間不足，從而造成原油溫度不達(dá)標(biāo)等一系列問(wèn)題。
5 結(jié)論及措施
5.1火筒鼓包原因
(1)在設(shè)備操作運(yùn)行階段，沒(méi)有按照設(shè)計(jì)要求調(diào)節(jié)原油的停留時(shí)間和油水界面的高度，使得油出口溫度不達(dá)標(biāo)，從而引起燃燒器的出力被提高，造成火焰沖刷火筒金屬壁面。
(2)燃燒器在設(shè)計(jì)工況下的選型功率偏大，導(dǎo)致在大負(fù)荷條件下火焰沖刷火筒內(nèi)壁。
(3)運(yùn)行過(guò)程沒(méi)有及時(shí)進(jìn)行泥沙的排放，導(dǎo)致大量泥沙堆積并附著在火筒外壁，加劇了火筒的局部過(guò)熱。
(4)火筒外部支撐等結(jié)構(gòu)設(shè)置存在缺陷，加劇了介質(zhì)中的泥沙在火筒外壁的沉積。
5.2采取措施及效果
(1)對(duì)鼓包部分的火筒進(jìn)行徹底更換，去掉靠近燃燒器側(cè)的波型火筒。
(2)對(duì)現(xiàn)有的燃燒器進(jìn)行更換，選擇TBG80型燃燒器，在滿足加熱負(fù)荷的情況下，有效防止人為提高燃燒器的輸出功率，從而降低火筒受熱面平均熱流密度。
(3)提高設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中排污頻率，防止介質(zhì)中的泥沙在設(shè)備內(nèi)部的堆積。
(4)增加裝置，對(duì)介質(zhì)進(jìn)行預(yù)處理，以脫除介質(zhì)中含有的大量泥沙，確保加熱處理器的正常運(yùn)行。
經(jīng)過(guò)改造過(guò)后的加熱處理器目前運(yùn)行正常，處理指標(biāo)達(dá)到了技術(shù)要求。
6 改進(jìn)建議
(1)加熱處理器火筒的選型應(yīng)按照規(guī)范要求進(jìn)行，盡可能降低受熱面平均熱流密度。
(2)燃燒器的選型應(yīng)充分考慮到設(shè)備熱效率所引起的燃燒器火焰直徑與火筒的匹配問(wèn)題。
(3)對(duì)于含泥沙的油氣田介質(zhì)，加熱處理器的設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮泥沙的預(yù)處理或泥沙對(duì)設(shè)備運(yùn)行的危害。
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(許編)
TypicalAccidentAnalysisonFireTubeBumpforHorizontalGas-firedHeatingTreaterinOilField
SUHai-peng
(Design & Research Institute, China Oil HBP Science & Technology Corporation Ltd.,Beijing 100088, China)
Heating treater is a special oil and gas gathering and transportation device with functions such as heating and separation of crude oil in oil and gas field. It combines the technological principle of fire tube heater and oil-water separator. For an accident of fire tube bump of heating treater, the plenomenon and its causes of fire tube bump of heating treater has been investigated and analyzed based on comprehensive review of the basic design conditions, process & calculation selection, mechanical design and equipment operation. The problems existing in the design and operation of the heating treater have been summarized to provide guidance for the design and operation of similar equipment.
heating treater; heating separator; fire tube; bump; analysis
TE977； TK223.3
B
10.3969/j.issn.1000-7466.2017.04.009
1000-7466(2017)04-0046-07①
2017-03-09
蘇海鵬(1978-)，男，陜西商洛人，高級(jí)工程師，學(xué)士，從事熱能工程和油田熱工工藝的設(shè)計(jì)研究工作。
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(華油惠博普科技股份有限公司 設(shè)計(jì)研究院， 北京 100088)
油田臥式燃?xì)饧訜崽幚砥骰鹜补陌湫褪鹿史治?/p>
蘇海鵬
(華油惠博普科技股份有限公司 設(shè)計(jì)研究院， 北京 100088)
加熱處理器是油氣田中使用的具有原油加熱、分離等多項(xiàng)功能的油氣集輸專用裝置，綜合了火筒式加熱爐和油水分離器的工藝原理。針對(duì)一起加熱處理器火筒鼓包事故，在綜合設(shè)計(jì)基礎(chǔ)條件、工藝選型計(jì)算、機(jī)械設(shè)計(jì)方案及設(shè)備運(yùn)行的基礎(chǔ)上，對(duì)加熱處理器火筒鼓包現(xiàn)象進(jìn)行了調(diào)查分析，指出了火筒鼓包的原因，總結(jié)了加熱處理器在設(shè)計(jì)選型和操作運(yùn)行方面存在的問(wèn)題，以期對(duì)同類裝置的設(shè)計(jì)及設(shè)備運(yùn)行具有指導(dǎo)意義。
加熱處理器； 加熱分離器； 火筒； 鼓包； 分析
燃?xì)饧訜崽幚砥魇怯蜌馓镏杏糜诨鹧婕訜岷头蛛x出原油、天然氣、水及其混合物等介質(zhì)的專用設(shè)備之一，多用于集輸站場(chǎng)中油氣水的加熱和分離，是一種具有加熱、分離、緩沖等多種功能的加熱分離器[1-3]，其設(shè)計(jì)、運(yùn)行綜合了火筒式加熱爐和油水分離器設(shè)備的工藝原理，也可稱為一體化加熱分離裝置，即通過(guò)在金屬圓筒殼體內(nèi)設(shè)置火筒，將燃料燃燒釋放的熱量直接傳遞給被加熱介質(zhì)，將原油、天然氣以及井產(chǎn)物加熱到工藝所要求的溫度，并且進(jìn)行沉降、分離[4-6]。
國(guó)外某燃?xì)庠吞幚碚?臺(tái)加熱處理器采用了可抽出的雙火筒臥式結(jié)構(gòu)，對(duì)上游來(lái)液進(jìn)行加熱、分離。設(shè)備于2015-05投產(chǎn)運(yùn)行，2016-12-16發(fā)現(xiàn)其中1臺(tái)設(shè)備的火筒發(fā)生鼓包現(xiàn)象，隨后對(duì)設(shè)備進(jìn)行了停產(chǎn)維護(hù)。文中針對(duì)加熱處理器出現(xiàn)的鼓包現(xiàn)象，對(duì)加熱處理器的設(shè)計(jì)、選型、運(yùn)行等方面情況進(jìn)行了回顧和調(diào)查，分析了火筒鼓包產(chǎn)生的原因，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。
1 加熱處理器與火筒鼓包情況概述
1.1加熱處理器
加熱處理器按照ASME VIII進(jìn)行設(shè)計(jì)及制造，采用雙火筒、可抽出結(jié)構(gòu)形式，以便后續(xù)運(yùn)行過(guò)程中加熱負(fù)荷調(diào)節(jié)和設(shè)備維護(hù)[7-10]。
加熱處理器規(guī)格(內(nèi)徑×長(zhǎng)度)為? 3 m×12 m?；鹜膊捎闷街睜t膽與波形爐膽相結(jié)合的形式，并進(jìn)行整體熱處理，以消除加工制造過(guò)程中的焊接應(yīng)力，材質(zhì)均采用SA 516 Gr70N。火筒經(jīng)由位于其左右及下方的滑道裝置進(jìn)行支撐和固定。燃燒設(shè)
備采用意大利百得(BALTUR)燃?xì)馊紵鱗11]，加熱處理器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。
圖1 加熱處理器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
1.2火筒鼓包情況
加熱處理器火筒鼓包和停產(chǎn)維護(hù)時(shí)的油污情況見(jiàn)圖2。
圖2 加熱處理器火筒鼓包及油污
由圖2可見(jiàn)，火筒的鼓包情況比較嚴(yán)重，鼓包位于左側(cè)火筒底部的波形火筒與平直火筒的結(jié)合部位，而且火筒外部還附著大量的油泥。鼓包處已經(jīng)產(chǎn)生了大量的氧化層，并已經(jīng)開(kāi)始脫落。加熱處理器停產(chǎn)后，從設(shè)備底部的側(cè)面人孔清理出了大量的含油污泥。
結(jié)合實(shí)際運(yùn)行情況可知，被加熱介質(zhì)中含有大量的泥沙。在設(shè)備的運(yùn)行過(guò)程中，沒(méi)有及時(shí)進(jìn)行排污、排沙，從而導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部靠近火筒的周圍泥沙不斷地積累，附著在火筒外表面。
2 加熱處理器工藝選型計(jì)算與機(jī)械設(shè)計(jì)方案
加熱處理器的工藝選型計(jì)算主要包括熱工工藝計(jì)算和設(shè)備工藝選型計(jì)算兩個(gè)部分。熱工工藝計(jì)算的主要目的是進(jìn)行加熱負(fù)荷和火筒的熱力、煙氣系統(tǒng)阻力計(jì)算，以確定受熱面積大小和火筒的機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸。設(shè)備的工藝計(jì)算是根據(jù)技術(shù)指標(biāo)和熱工工藝的計(jì)算結(jié)果，然后確定設(shè)備的外形尺寸、火筒在容器內(nèi)的安裝位置、油水界面的高度、油水各自的停留時(shí)間等工藝參數(shù)。
2.1工藝設(shè)計(jì)條件
加熱處理器原始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)：總質(zhì)量流量最大值為3 175 t/h，其中石油的質(zhì)量流量為635 t/h，水的質(zhì)量流量為2 540 t/h；進(jìn)/出口溫度為20 ℃/60 ℃；工作壓力0.4 MPa(g)；出口油中水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為不大于10%，出口水中油質(zhì)量濃度為500 mg/L；原油停留時(shí)間不大于52 min，水的停留時(shí)間不大于4 min。
上述數(shù)據(jù)在設(shè)計(jì)階段為2臺(tái)設(shè)備的處理量，在設(shè)計(jì)審查階段，業(yè)主將該數(shù)據(jù)變更為單臺(tái)設(shè)備的處理量。
2.2原油加熱負(fù)荷計(jì)算
原油加熱處理器加熱負(fù)荷的計(jì)算以油水界面以上的原油加熱所需熱量為準(zhǔn)，不考慮油水界面以下混合物的加熱。在計(jì)算加熱負(fù)荷時(shí)，通常假定被加熱的原油中含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的水。
被加熱介質(zhì)所需熱量按照下式計(jì)算：
Q=qmcpΔt/3.6
(1)
其中
Δt=t2-t1
式中，Δt為被加熱介質(zhì)溫差，t2為被加熱介質(zhì)出口溫度，t1為被加熱介質(zhì)入口溫度，℃；qm為被加熱介質(zhì)質(zhì)量流量，t/h；Q為被加熱介質(zhì)所需熱負(fù)荷，kW；cp為被加熱介質(zhì)比定壓熱容，kJ/(kg·℃)。
這里忽略了油水的偏差，統(tǒng)一按照水的密度進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)式(1)計(jì)算的原油加熱負(fù)荷見(jiàn)表1。對(duì)計(jì)算總熱負(fù)荷圓整后取額定熱負(fù)荷為1 100 kW。
表1 加熱負(fù)荷計(jì)算結(jié)果
2.3火筒熱力計(jì)算結(jié)果
根據(jù)加熱負(fù)荷計(jì)算結(jié)果，每個(gè)火筒的輸入熱量最小需要550 kW，這樣才能夠能滿足加熱要求。根據(jù)百得燃燒器的火焰長(zhǎng)度、火焰直徑與燃燒器功率曲線(圖3、圖4)，確定以火筒內(nèi)徑為500 mm進(jìn)行熱力計(jì)算[11]。
單臺(tái)火筒熱力計(jì)算和煙氣阻力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。
圖3 火焰長(zhǎng)度與燃燒器功率曲線
圖4 火焰直徑與燃燒器功率曲線
名稱輻射火管對(duì)流火管受熱面積H/m212.8811.78入口煙氣溫度θ'/℃—642.0出口煙氣溫度θ″/℃642.0～652.0373.0～420.0平均煙氣流速wy/(m·s-1)—4.0對(duì)數(shù)溫差Δt/℃—337.80傳熱系數(shù)K/(kW·m-2·℃-1)—0.0265傳熱量Q/kW444.36105.51計(jì)算熱效率η/%75.1～77.8—標(biāo)況下燃料消耗量Bj/(m3·h-1)74.30受熱面平均熱流密度q/(kW·m-2)28.74火管截面熱流密度Φ/(kW·m-2)2802.55煙氣系統(tǒng)阻力Δp/Pa48.20
從表2可以看出，火筒的受熱面平均熱流密度為28.74 kW/m2、火筒的截面熱流密度為2 802.55 kW/m2，這些數(shù)據(jù)滿足文獻(xiàn)[12]要求的小于受熱面最大平均熱流密度推薦值31 kW/m2和橫截面熱流密度不宜大于6 800 kW/m2的推薦值。
2.4設(shè)備工藝選型計(jì)算結(jié)果
加熱處理器整體的工藝選型計(jì)算方法可以依據(jù)API 12J規(guī)范執(zhí)行[13]。根據(jù)熱力計(jì)算結(jié)果，確定了如圖5和圖6所示的火筒機(jī)械設(shè)計(jì)條件。
圖5 火筒結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
圖6 設(shè)備內(nèi)部橫截面
火筒整體采用U形結(jié)構(gòu)，輻射與對(duì)流段均采用內(nèi)徑為500 mm的圓筒，過(guò)渡段采用內(nèi)徑為400 mm的180°鋼制彎頭、異徑管件連接。
根據(jù)設(shè)計(jì)條件和技術(shù)指標(biāo)的要求，設(shè)備工藝計(jì)算選型結(jié)果見(jiàn)表3。
表3 加熱處理器工藝選型結(jié)果
由表3和圖6可知，加熱處理器的油水界面為700 mm。
2.5燃燒器選型[11]
燃燒器選型的計(jì)算公式如下：
QR=Q/η
(2)
式中，QR為燃燒器功率，kW。
由表2、表3可知，加熱處理器火筒熱效率為75.1%～77.8%、單個(gè)火筒的熱負(fù)荷為550 kW。將η=75.1%～77.8%、Q=550 kW帶入到式(2)中可得QR=707～732 kW。
燃燒器背壓與負(fù)荷曲線見(jiàn)圖7，其中TBG為燃燒器的代號(hào)。
圖7 燃燒器背壓與負(fù)荷曲線
由圖7可知，在550 kW功率條件下，燃燒器的火焰直徑為465～475 mm，該數(shù)據(jù)小于火筒熱力計(jì)算所確定的內(nèi)徑。根據(jù)計(jì)算的燃燒器功率和表3中火筒煙氣阻力48.2 Pa，從相應(yīng)的燃燒室背壓與燃燒器負(fù)荷曲線(圖7)可知，圖7中各型號(hào)燃燒器都滿足加熱負(fù)荷的要求。
根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，首先要考慮到在加熱處理器實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，設(shè)備熱效率降低的可能性和加熱處理器峰值處理量的需要。選型假定火筒的熱效率為70%，此時(shí)計(jì)算所得的燃燒器功率為785.7 kW。其次，燃燒器一般在最大需要熱負(fù)荷的80%下運(yùn)行，考慮到這個(gè)因素，參考圖7，TBG80和TBG85均不能滿足加熱處理器的加熱負(fù)荷要求。所以，綜合考慮后選擇了TBG120型燃燒器。在假定的燃燒器計(jì)算功率條件下，由圖7可知，燃燒器的火焰直徑約為485 mm，小于計(jì)算選型確定的內(nèi)徑，滿足設(shè)計(jì)選型要求。
2.6機(jī)械設(shè)計(jì)方案
加熱處理器設(shè)計(jì)過(guò)程中主要考慮了以下因素。
(1)要求火筒可抽出維護(hù)且考慮到U形火筒的穩(wěn)定性。因此，設(shè)計(jì)過(guò)程中將火筒底部和側(cè)面分別設(shè)置了滑道和導(dǎo)軌、支撐和墊板。
(2)為了緩解火筒在受熱過(guò)程中產(chǎn)生的熱膨脹效應(yīng)，分別在火筒煙氣高、低溫部分設(shè)置了波紋火筒，波形火筒公稱內(nèi)徑與火筒的直段部分直經(jīng)均為500 mm，波形火筒波峰高度38 mm、最小內(nèi)徑為424 mm，火筒和支撐結(jié)構(gòu)材質(zhì)為SA516 70N，火筒壁厚為16 mm 。
(3)2個(gè)火筒位于設(shè)備內(nèi)部的兩側(cè)(圖6)，分別有各自的支撐結(jié)構(gòu)和滑道支撐，并且垂直安裝在容器內(nèi)部。
(4)進(jìn)液豎管位于2個(gè)火筒中間，豎管底部設(shè)置了具有防沖擊功能的布液盤。
(5)火筒底部距離油水界面的垂直高度為173 mm，即火筒底部距離設(shè)備底部的垂直高度為873 mm。
(6)為了使火筒的支撐和固定良好，設(shè)備內(nèi)部設(shè)置了諸多鋼結(jié)構(gòu)件，以保持整個(gè)火筒的穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)火筒的可抽出功能。
(7)火筒頂部設(shè)置沖沙管，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中對(duì)火筒頂部進(jìn)行沖洗，保持火筒的清潔和良好的傳熱效果。
3 火筒鼓包設(shè)計(jì)選型原因分析
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)初步分析認(rèn)為，加熱處理器火筒鼓包的原因集中在材料、工藝設(shè)計(jì)選型、機(jī)械設(shè)計(jì)方案和設(shè)備運(yùn)行等方面，并分別就這幾個(gè)方面展開(kāi)核查和分析。其中，工藝設(shè)計(jì)選型有關(guān)的問(wèn)題集中在火筒的熱力計(jì)算與選型、燃燒器的選型和火筒的機(jī)械設(shè)計(jì)，機(jī)械設(shè)計(jì)方面主要集中在火筒和設(shè)備內(nèi)部火筒周邊的支撐結(jié)構(gòu)和進(jìn)液豎管。
3.1火筒壁金屬材料調(diào)查與分析
對(duì)火筒材質(zhì)進(jìn)行了調(diào)查與分析。根據(jù)制造廠提供的材質(zhì)證明顯示，火筒材質(zhì)各項(xiàng)化學(xué)成分和力學(xué)性能均符合ASME規(guī)范的有關(guān)要求[14]。
業(yè)主方從鼓包的火筒上切割下一塊尺寸約100 mm×50 mm的鋼片進(jìn)行金相實(shí)驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，材料的各項(xiàng)化學(xué)成分和力學(xué)性能試驗(yàn)均合格。
從這兩方面反饋結(jié)果來(lái)看，用于制造火筒的鋼板材質(zhì)是合格的，從而排除了可能因?yàn)椴馁|(zhì)問(wèn)題而造成的火筒鼓包。
3.2熱力計(jì)算與火筒設(shè)計(jì)選型核查與分析
從表2可知，受熱面平均熱流密度為28.74 kW/m2，雖然符合文獻(xiàn)[12]的最大推薦值，不大于受熱面最大平均熱流密度推薦值31 kW/m2，但此數(shù)值超出了推薦的11～25 kW/m2的范圍。
計(jì)算后得到的輻射火管和對(duì)流火管的受熱面平均熱流密度數(shù)值分別為34.5 kW/m2和8.96 kW/m2，其中輻射段的數(shù)值明顯超出了規(guī)范的推薦值。
上述分析顯示，輻射火管的受熱面平均熱流密度大于推薦范圍的受熱面最大平均熱流密度值。因此可以判定，火管受熱面積的選擇偏小，從而造成受熱面平均熱流密度不符合規(guī)范的推薦值。
3.3燃燒器選型調(diào)查與分析
根據(jù)計(jì)算結(jié)果，燃燒器的計(jì)算選型功率為707～732 kW、假定選型功率為785.7 kW。在這個(gè)功率條件下，燃燒器火焰直徑為465～475 mm和485 mm。根據(jù)上述機(jī)械設(shè)計(jì)確定的火筒結(jié)構(gòu)，波形火筒的最小內(nèi)徑為424 mm，將造成燃燒器火焰直接沖刷到波形火筒壁面。
根據(jù)燃燒器選型的調(diào)查情況可以看出，燃燒器的選型與波形火筒的匹配存在一定的問(wèn)題。一方面，燃燒器的選型過(guò)程忽略了在熱效率較低的典型工況下，燃燒器功率增大后引起火焰尺寸變大對(duì)燃燒室的影響。另一方面，與加熱功率條件下的火焰尺寸相比較，輻射火管與波形火筒的公稱直徑選擇偏小，特別是靠近燃燒器側(cè)的波形火筒的設(shè)置，造成燃燒器火焰直接沖刷到了波形火筒壁面，使得火焰周邊的火筒壁長(zhǎng)期處于高溫狀態(tài)。
3.4機(jī)械設(shè)計(jì)方案調(diào)查與分析
根據(jù)圖2可知，火筒鼓包處正好位于燃燒器火焰直徑最大的圓周上，造成燃燒器火焰直接沖刷到了波形火筒壁面。由此判斷，靠近燃燒器側(cè)的波形火筒設(shè)置考慮有所欠缺?；鹜补陌幍膱A筒外壁有1塊支撐U形火筒的支承墊板，這塊墊板直接焊接在了火筒外壁上，從火筒傳熱角度考慮，在外壁焊接墊板不利于熱量的傳遞，從而加速了局部過(guò)熱。因此，這些墊板只能用作臨時(shí)支撐，而不能作為永久性固定支撐使用。
由于要求火筒具有可抽出的功能，故在火筒底部設(shè)置了滑道支撐板和輥輪。同時(shí)為了支撐火筒，在設(shè)備底部設(shè)置了支撐鋼架和輥輪。這些支撐結(jié)構(gòu)和滑動(dòng)裝置極易造成原油中的泥沙在火筒周邊的累積，從而影響火筒的傳熱，造成火筒壁溫度的升高。
從圖1可知，旋流器位于2個(gè)火筒中間，旋流器底部設(shè)置了具有防沖擊功能的布液盤。來(lái)液進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部并經(jīng)過(guò)旋流器引導(dǎo)至布液盤，介質(zhì)在接觸布液盤的一瞬間，由于巨大的壓力與反沖擊作用，造成液體向周邊急劇擴(kuò)散和上翻，剛好帶動(dòng)介質(zhì)中的泥沙流動(dòng)至火筒支撐板和支撐結(jié)構(gòu)的結(jié)合部位，造成泥沙的長(zhǎng)期積累。因此，從旋流器底部的設(shè)置和進(jìn)液方向來(lái)看，旋流器底部的設(shè)置存在一定的缺陷。
根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)方面的情況，認(rèn)為火筒及周圍的機(jī)械結(jié)構(gòu)存在設(shè)計(jì)缺陷，導(dǎo)致火筒周邊泥沙大量積累，并且附著在火筒外壁，造成燃燒產(chǎn)生的熱量不能夠及時(shí)傳給火筒外的原油，使得火焰周邊的火筒壁長(zhǎng)期處于高溫狀態(tài)，從而加劇了火筒金屬壁面的局部過(guò)熱，最終導(dǎo)致火筒鼓包[15，16]。
4 火筒鼓包運(yùn)行原因分析
4.1實(shí)際運(yùn)行參數(shù)和加熱負(fù)荷
根據(jù)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)條件和技術(shù)指標(biāo)的要求，選取處理量相對(duì)比較穩(wěn)定、更接近設(shè)計(jì)基礎(chǔ)要求的一個(gè)晝夜內(nèi)，原油、水的處理量和溫升情況作為典型代表。選取的現(xiàn)場(chǎng)操作運(yùn)行情況記錄統(tǒng)計(jì)表見(jiàn)表4，其他每天的處理量在表4的基礎(chǔ)上，上、下浮動(dòng)大約10%。
表4 實(shí)際原油處理量統(tǒng)計(jì)表(2015-11-11～12)
根據(jù)表4統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，2臺(tái)加熱處理器每天的處理量為3 332 m3，其中原油的處理量為418 m3、水的處理量為2 914 m3。結(jié)合其他日期的處理量數(shù)據(jù)分析如下。
表1給定的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)條件應(yīng)為2臺(tái)設(shè)備的處理量。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行的數(shù)據(jù)計(jì)算，單臺(tái)加熱處理器的額定熱負(fù)荷約350 kW、每臺(tái)火筒所需要的輸入熱量為175 kW，該數(shù)據(jù)遠(yuǎn)小于每個(gè)火筒的設(shè)計(jì)輸入熱量550 kW。假定所需的熱量全部被火筒的輻射段吸收并釋放，此時(shí)的輻射段受熱面平均熱流密度為13.59 kW/m2，滿足文獻(xiàn)[12]推薦的11～25 kW/m2的要求。因此，按照實(shí)際加熱負(fù)荷調(diào)整燃燒器的輸出功率，設(shè)備運(yùn)行過(guò)程將不存在火焰沖刷火筒壁的現(xiàn)象。
4.2設(shè)備的操作運(yùn)行
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際運(yùn)行情況，加熱處理器正常運(yùn)行階段的操作主要存在油水界面偏高、燃燒器負(fù)荷偏大、介質(zhì)泥沙含量較高及設(shè)備排沙不及時(shí)等方面的問(wèn)題。
根據(jù)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)條件和技術(shù)指標(biāo)的要求，設(shè)備工藝選型確定的油水界面為700 mm，加熱處理器調(diào)試運(yùn)行階段，在按照設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上運(yùn)行，故各部分參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到要求。而實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，油水界面經(jīng)常被現(xiàn)場(chǎng)操作人員提高1 000 mm左右。同時(shí)，由于未能及時(shí)進(jìn)行排污，導(dǎo)致泥沙占據(jù)了水層體積，變相提高了油水界面，破壞了油水的沉降、分離和停留時(shí)間，從而使相當(dāng)一部分熱量被介質(zhì)中的水吸收，導(dǎo)致原油溫度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，從而引起一系列連鎖反應(yīng)。此時(shí)，因?yàn)樵蜏囟炔粷M足工藝要求，操作人員通過(guò)提高燃燒器出力來(lái)滿足原油加熱溫度的要求。燃燒器出力的增大，進(jìn)而導(dǎo)致火焰沖刷火筒壁面，同時(shí)增加了輻射段火管的受熱面平均熱流密度，從而使火筒壁長(zhǎng)期處于較高的溫度狀態(tài)。
由圖2可知，被加熱介質(zhì)中含有較多的泥沙，而且在運(yùn)行過(guò)程中沒(méi)有按照操作要求進(jìn)行及時(shí)排沙，導(dǎo)致泥沙不斷地在設(shè)備內(nèi)部和火筒外壁累積，從而造成火筒局部溫度過(guò)熱，導(dǎo)致火筒鼓包。造成這些后果的原因，首先是設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)未能正確反映介質(zhì)的物性和泥沙的含量。其次，現(xiàn)場(chǎng)操作人員對(duì)來(lái)液中所含泥沙對(duì)設(shè)備運(yùn)行的危害性沒(méi)有正確的認(rèn)識(shí)，導(dǎo)致未能及時(shí)采取排沙、排泥措施。最后，由于泥沙未能及時(shí)排放，造成水層體積被占據(jù)，而使油水的停留時(shí)間不足，從而造成原油溫度不達(dá)標(biāo)等一系列問(wèn)題。
5 結(jié)論及措施
5.1火筒鼓包原因
(1)在設(shè)備操作運(yùn)行階段，沒(méi)有按照設(shè)計(jì)要求調(diào)節(jié)原油的停留時(shí)間和油水界面的高度，使得油出口溫度不達(dá)標(biāo)，從而引起燃燒器的出力被提高，造成火焰沖刷火筒金屬壁面。
(2)燃燒器在設(shè)計(jì)工況下的選型功率偏大，導(dǎo)致在大負(fù)荷條件下火焰沖刷火筒內(nèi)壁。
(3)運(yùn)行過(guò)程沒(méi)有及時(shí)進(jìn)行泥沙的排放，導(dǎo)致大量泥沙堆積并附著在火筒外壁，加劇了火筒的局部過(guò)熱。
(4)火筒外部支撐等結(jié)構(gòu)設(shè)置存在缺陷，加劇了介質(zhì)中的泥沙在火筒外壁的沉積。
5.2采取措施及效果
(1)對(duì)鼓包部分的火筒進(jìn)行徹底更換，去掉靠近燃燒器側(cè)的波型火筒。
(2)對(duì)現(xiàn)有的燃燒器進(jìn)行更換，選擇TBG80型燃燒器，在滿足加熱負(fù)荷的情況下，有效防止人為提高燃燒器的輸出功率，從而降低火筒受熱面平均熱流密度。
(3)提高設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中排污頻率，防止介質(zhì)中的泥沙在設(shè)備內(nèi)部的堆積。
(4)增加裝置，對(duì)介質(zhì)進(jìn)行預(yù)處理，以脫除介質(zhì)中含有的大量泥沙，確保加熱處理器的正常運(yùn)行。
經(jīng)過(guò)改造過(guò)后的加熱處理器目前運(yùn)行正常，處理指標(biāo)達(dá)到了技術(shù)要求。
6 改進(jìn)建議
(1)加熱處理器火筒的選型應(yīng)按照規(guī)范要求進(jìn)行，盡可能降低受熱面平均熱流密度。
(2)燃燒器的選型應(yīng)充分考慮到設(shè)備熱效率所引起的燃燒器火焰直徑與火筒的匹配問(wèn)題。
(3)對(duì)于含泥沙的油氣田介質(zhì)，加熱處理器的設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮泥沙的預(yù)處理或泥沙對(duì)設(shè)備運(yùn)行的危害。
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(許編)
TypicalAccidentAnalysisonFireTubeBumpforHorizontalGas-firedHeatingTreaterinOilField
SUHai-peng
(Design & Research Institute, China Oil HBP Science & Technology Corporation Ltd.,Beijing 100088, China)
Heating treater is a special oil and gas gathering and transportation device with functions such as heating and separation of crude oil in oil and gas field. It combines the technological principle of fire tube heater and oil-water separator. For an accident of fire tube bump of heating treater, the plenomenon and its causes of fire tube bump of heating treater has been investigated and analyzed based on comprehensive review of the basic design conditions, process & calculation selection, mechanical design and equipment operation. The problems existing in the design and operation of the heating treater have been summarized to provide guidance for the design and operation of similar equipment.
heating treater; heating separator; fire tube; bump; analysis
TE977； TK223.3
B
10.3969/j.issn.1000-7466.2017.04.009
1000-7466(2017)04-0046-07①
2017-03-09
蘇海鵬(1978-)，男，陜西商洛人，高級(jí)工程師，學(xué)士，從事熱能工程和油田熱工工藝的設(shè)計(jì)研究工作。
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