油田注汽锅炉过热度不达标故障与对策分析

摘要：油田过热注汽锅炉是提供稠油热采技术所需蒸汽的关键设备，该设备仅在正常过热运行时产生高温度、高比容、高热焓值、过热度达标的过热蒸汽，有效提高稠油采收率。若过热锅炉无法正常稳定过热运行不但影响稠油生产，还可能引发严重的安全生产事故。

关键词：油田；注汽锅炉；过热度；不达标；故障；对策

目前注汽锅炉大量回用净化水，从维持热平衡水平衡的角度节能环保意义重大，是油田可持续生产的重要因素。但由于过热锅炉对水质要求高，而回用的高温净化水已呈现高矿化度（高盐）、高二氧化硅、多颗粒物杂质的特征，该水质条件下过热锅炉异常饱和运行（即过热度不达标）现象频发，不仅增加锅炉及其附属设备安全经济运行的风险与成本，而且异常饱和运行后只能产生热焓值较低的饱和蒸汽，影响稠油热采开发效果。因此有必要分析并探究油田过热注汽锅炉回用净化水条件下过热度不达标的原因及对策，以确保注汽锅炉安全经济运行，保证稠油高效开采。

1.过热度不达标原因分析

基于过热锅炉的水汽流程，对几大关键控制环节常见问题进行统计后发现，造成过热度不达标的主要原因为各段炉管（对流段、辐射段、过热段）压降高、掺混器压降高、汽水分离器液位异常、液位调节阀故障。

1.1各段炉管压降高

炉管压降高的本质是由管内壁结垢所致，溶解于炉水中的某种盐类存在相应的溶解度，一旦超过其溶解极限，炉水就成为该盐类的过饱和溶液，此时超过的这一部分盐类就会从炉水中析出、结晶，最终形成盐垢。

过热锅炉实际运行时炉管结垢对于水-水换热器、对流段和辐射段前段这些低温区炉管，主要是因为给水含盐量高，而且颗粒物杂质易在低温炉管处沉淀附着，加速了给水中的盐分析出、结垢；对于辐射段后段、过热段这些高温区炉管，主要是因为给水中的二氧化硅易被蒸汽携带至高温炉管内结为硅酸盐垢。

根据前期的统计和现场验证，过热段压降高占比较大，说明该段炉管相比于锅炉其他部位更易结垢。经分析，主要由蒸汽携盐所致，即蒸汽从炉水中带出了盐类和硅酸等各种杂质，且蒸汽中含硅量的溶解携带作用通常会明显大于机械携带，其溶解携带主要考虑的是SiO2。通过对供汽站某锅炉垢样进行分析，可判断出垢样主要为硅垢和酸不溶物（一般指水里面的泥砂等）的混合物，且二氧化硅含量可达37.9%。另外，硅盐的溶解携带量主要取决于炉水中的盐分浓度与锅炉内蒸汽的压力。炉水的浓度通常与溶解携带量成正比，若炉水中该盐分浓度过高，便会致使蒸汽携盐量增加，加之饱和蒸汽进入过热器后均会降压，该盐分溶解度也会随着蒸汽压力的下降而降低，饱和蒸汽中所携带盐分一旦超过过热蒸汽对该盐的最小溶解度，就极易在过热段因管壁热负荷较高或水循环不佳而出现局部过热的高温状态下闪蒸析出，附着在管壁内，如若冲洗不及时、不到位，便会在过热器中不断沉积，变成很难溶解于水的硅酸盐。

1.2掺混器压降高

掺混流程和掺混过程干度约为80%的湿蒸汽经汽水分离后可分离出80%低温干蒸汽和20%高含盐饱和水（水中盐分和杂质相对于给水浓缩了5倍），掺混时，高含盐饱和水在掺混喷嘴处遇450℃的过热蒸汽后瞬间汽化，由于各类盐分和杂质在蒸汽中的溶解度小于在饱和水中的溶解度，高含盐饱和水瞬间汽化后造成水中盐分析出结垢，致使掺混器喷嘴堵塞，增高压降。

1.3汽水分离器液位异常

目前在用的汽水分离器有2种类型，一种为球型，另一种为直筒型。根据现场调查可知，球型汽水分离器液位异常，频次显著偏高，主要表现为虚假液位和液位持续上升。

1.3.1虚假液位

分离器的液位通过单室平衡容器测量系统利用水位差压原理进行测量。主要由单室平衡容器、差压变送器和显示仪表等组成，其中差压变送器作为分离器液位压差的测量仪表，需要通过正、负压侧引压管将测量介质引到其测量端，再根据两端的压力差来反馈液位，所以正负引压管线的通畅性是保证液位差压准确测量的一个重要因素。由于引压管线的管径较细，仅有14mm左右，加上回用净化水后汽水分离器水空间结垢严重，且两测量端的介质互不流通，最终携带杂质和盐垢的饱和水极易在与之直接接触的负引压管处造成堵塞。

2种汽水分离器的液位测点、远程水位监测对比发现；球型分离器的液位测点单一，最终仅能显示1个远程水位监测值，该系统中的引压管线一旦堵塞或者测量出错，便会导致液位测量不准，出现虚假液位；而直筒型可得到3组不同测点的液位值，当有1组测点出错时，液位控制系统会从3个液位值中选取2个相近值，计算出二者均值后进行液位判定，进而控制液位调节阀开度，因此即使1组测点出现故障，也可通过其他2个值进行判断，保障了液位测量的准确性。

综上，引压管线易堵塞且球型分离器液位测点单一是造成液位测量不准的主要原因，因而无法实时准确反馈出分离器实际液位值，产生虚假液位。

1.3.2液位持续上升

对比了2种汽水分离器的出水排污口直径、消旋装置位置等情况。对比发现，球型分离器的出水口与排污口是分开的，内径均为25mm（DN25），明显小于直筒型分离器的出水排污口内径（DN150）；直筒型分离器的消旋装置距饱和水出口有一定距离，而球型分离器底部的十字消旋板直接焊在了排污口处，致使排污口的流通截面积进一步减小。另外，球型分离器底部圆弧弧度平缓，且旋风分离筒底部与分离器底部距离近，经旋风分离筒分离出的饱和水中杂质易在底部堆积，堵塞排污口，最终无法有效排污，造成掺混出水不畅，从而出现液位异常。

1.4液位调节阀故障

由于阀笼孔孔径较小，倒三角形的阀笼孔等效为圆形后，孔径仅有10mm，故高含盐饱和水中杂质易在此处堆积，造成阀笼孔堵塞，出现阀杆卡阻等故障，而液位调节阀是控制分离器液位的关键设备，故障后便会影响液位的实时调节且不易稳定，致使分离器液位达不到稳定过热运行的条件

2.应对措施

2.1过滤给水杂质，避免锅炉各部位堵塞

通过在锅炉前端柱塞泵进口管线上安装自清洗过滤器，利用其内置的高过滤精度滤网（500μm）直接拦截给水中因沿途管线内壁腐蚀垢剥离而产生的大颗粒物、悬浮物等杂质，减少过热锅炉各部位清垢频次。

2.2掺清水降低给水矿化度、二氧化硅含量，缓解炉管、掺混管线析盐结垢

经计算，当净化水与清水掺混体积比为4:6时，掺混水水质可满足指标要求（矿化度≤2500mg/L，SiO2≤100mg/L）。

2.3改进球型分离器引压管线，缓解堵塞，减少虚假液位现象

在分离器内部结垢不严重的情况下，及时疏通引压管线可使分离器恢复正常液位，故试点改造某台过热锅炉汽水分离器的差压引压管线，通过在引压管线末端安装三通和排污阀，实现了引压管线的实时排污。

2.4掺混系统管路增设过滤排污装置，缓解液位调节阀阀笼、掺混器喷嘴堵塞

在汽水分离器饱和水出口到液位调节阀间的掺混流程管线上增设过滤排污装置，并及时在线排污，减少杂质堆积造成堵塞，有效避免阀笼频繁堵塞、阀杆卡阻等。

3.结语

1）油田过热注汽锅炉回用净化水条件下过热度不达标现象较为频繁是多方面原因共同作用的结果，主要包括各段炉管和掺混器压降高、汽水分离器液位异常等。其中，压降高与结垢、堵塞有关；液位异常除了受结垢、堵塞影响外，还与分离器自身结构对回用水水质的适应性相关。

2）可以从以下3点继续改进：a.改进汽水分离器排污口。在排污口加装自动排污装置，定时开阀在线排污；改造球型分离器十字消旋板，去除排污口附近部分挡板面积，增大排污流通面积，减缓分离器内部盐垢及杂质的严重堆积。b.优化汽水分离器液位值。合理控制含盐饱和水的掺混流量流速，使之形成紊流，增大湍动能，直接将掺混器喷嘴处析出盐分带走，减缓喷嘴结垢堵塞喷孔。c.优化清垢工艺。可开展超声波防垢、除垢技术在油田注汽锅炉的适用性研究，以期解决目前现场所采用的化学、物理清垢只能除垢而不能防止设备结垢的现状。