油田注汽锅炉炉管结垢预警模型设计与应用

刘颖鹏

[摘 要] 油田注汽锅炉采用80℃～110 ℃净化污水，在高矿化度下运行注汽锅炉结垢加快、爆管几率增加，对锅炉炉管过早或过晚清洗均不利于锅炉运行。通过预估结垢状态估算炉管清洗时间，实时判断锅炉运行状态，防止锅炉爆管。监测锅炉出口蒸汽压力和温度，利用IAPWS-IF97算法模型，计算工况下饱和蒸汽压力所对应的理论饱和蒸汽温度值，监测锅炉运行过热状态。预警模型的建立，实现了锅炉运行过热度实时监测预警、炉管结垢程度实时检测功能，为锅炉过热运行状态监测及炉管清洗计划提供了数据参考，保障了锅炉的安全运行。

[关键词] 过热诊断；结垢分析；算法模型

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2017. 23. 084

[中圖分类号] TK223 [文献标识码] A [文章编号] 1673 - 0194（2017）23- 0167- 02

1 引 言

油田注汽锅炉用水为高矿化度油田净化污水，现有工况条件下锅炉污水结垢现象严重，锅炉运行时爆管几率增加，给设备和人员带来严重安全隐患。

注汽锅炉安全运行关系着油田生产的安全，在高矿化度下运行注汽锅炉结垢、爆管几率增加，锅炉炉管结垢后过早或过晚清洗对锅炉的损耗和工况运行都有影响，过早清洗会加快炉管壁厚的磨损，过晚清洗会降低锅炉的热效率，带来能量的损失，甚至会造成锅炉爆管现象。对注汽锅炉进行爆管预警及过热诊断，将对设备的安全运行和提高实际生产效率具有十分重要的作用。

2 注汽锅炉过热与结垢预警技术简介

锅炉爆管主要是由于炉管结垢或锅炉处于过热运行状态导致炉管超温运行造成炉管塑性变形或破裂，目前预警通过监测锅炉辐射段入口、辐射段出口、对流段入口、对流段出口和锅炉蒸汽出口的蒸汽压力值，根据各段蒸汽压力，结合锅炉结构参数计算各段额定阻力降、总阻力降和结垢总阻力降，实时评估计算炉管结垢速率和清管周期以及锅炉运行过热状态。

锅炉炉管结垢预测技术，锅炉炉管结垢产生的阻力导致给水泵出口压力与锅炉蒸汽出口压力差值大于注汽锅炉在额定工况下运行时的压力差值。通过监测锅炉进出口压力差与额定工况下锅炉水摩擦阻力计算出锅炉结垢阻力，通过结垢阻力推算锅炉结垢状态，估算炉管清洗周期。

锅炉运行过热状态识别技术，注汽锅炉实际蒸汽温度与理论饱和蒸汽温度的差值称为“过热度”，当水处于湿蒸汽区时，压力、温度等状态参数有单一函数关系，通过测量和分析之间的关系，判断锅炉运行状态（未饱和、安全运行、高干度运行、过热）。

3 过热与结垢诊断算法模型设计及应用

3.1 过热诊断算法模型

实际蒸汽温度由测温仪表实测得到，饱和蒸汽温度则由实测工况蒸汽压力计算得出。

注汽锅炉的过热度是一个间接测量量，其计算公式如下：

过热度=实际蒸汽温度-饱和蒸汽温度+不确定度

当过热度小于“0”时，锅炉炉管内的介质为欠饱和状态；当过热度等于“0”时，锅炉炉管内的介质处于饱和状态，即为饱和湿蒸汽；当过热度大于“0”时，锅炉炉管内的介质处于过饱和状态，即为干蒸汽，此时锅炉过热。通过“过热度”的监测即可监控注汽锅炉是否处于过热状态。

水和蒸汽是注汽锅炉的介质，对饱和蒸汽温度计算时，要使用水和蒸汽的物理性质包括热力学性质（温度、压力、比焓、比容，比定压热容）和迁移性质（动力粘度、导热系数、普朗特数）。水和蒸汽物理性质计算的准确性和可靠性直接关系到注汽锅炉的设计、使用及安全性等一系列问题。因此，准确计算水和水蒸汽的物理性质是饱和蒸汽温度计算成功的依据。IAPWS-IF97将整个有效范围划分成5个区：1区为过冷水区，2区为过热蒸汽，3区为临界水区和汽区，4区为饱和区，5区为高温区。由于注汽锅炉的热力计算中用不到第5区，所以只计算1-4区的水和蒸汽热力学性质即可。

3.2 结垢诊断算法模型

注汽锅炉在额定工况下的阻力降处在一定的范围内。当炉管结垢后，阻力降开始上升，系统总阻力降计算如下：

总阻力=额定阻力+结垢阻力

总阻力降为给水泵出口压力与锅炉蒸汽出口压力之差值，监测泵出口压力和蒸汽出口压力即可实时获取此参数，额定阻力降可通过对锅炉水阻力计算得出，之后根据公式即可计算得到结垢阻力降，再通过结垢阻力降与结垢状态的关系计算清洗炉管的周期。

锅炉炉管结垢产生的阻力导致给水泵出口压力与锅炉蒸汽出口压力差值大于注汽锅炉在额定工况下运行时的压力差值。通过监测锅炉进出口压力差与额定工况下锅炉水摩擦阻力计算出锅炉结垢阻力，通过结垢阻力推算锅炉结垢状态，估算炉管清洗周期。

3.3 监控系统预警功能开发

将锅炉运行参数接入作业区中控室现有SCADA系统，实现锅炉原有功能与新增功能集中监控与管理。开发一套锅炉爆管诊断与过热运行监测预警软件程序，在作业区办公系统上实现锅炉爆管诊断与过热运行监测预警设备全部功能。

监控系统采用先进的HMI/SCADA自动化监控组态软件IFIX，内嵌VBA程序设计语言。预警功能采用IFIX VBA程序开发，运用WinSock控件与现场控制器通信。WinSock控件是用来创建客户端与服务器应用程序，WinSock控件与远程设备建立连接，通过传输控制协议（TCP）进行数据交互。

3.4 应用效果

根据锅炉结垢状况制定合理的炉管清洗计划，避免过多清洗造成炉管寿命缩短，具有一定的经济效益。确立湿蒸汽锅炉爆管预警关键监控参数，创建爆管预警监测方法。构建湿蒸汽锅炉炉管结垢情况评估方法，实现锅炉炉管结垢状况实时预测、实时报警，集中监控；实现湿蒸汽锅炉运行状态实时跟踪与直观展示，直观观察蒸汽运行状态，过热时记录过热度值并及时报警；实现锅炉运行过热度实时监测预警、炉管结垢程度实时检测等功能，为锅炉过热运行状态监测及炉管清洗计划提供了数据参考。

选取1台锅炉9月10日与11月11日运行数据进行比对分析：运行两个月锅炉入口压力变化不大，出口蒸汽压力明显降低，结垢阻力降上升0.75 MPa，预估炉管清洗周期由原有的501天降至360天。结垢阻力降未增加至评估报警限值（1.9 MPa），系统未产生结垢爆管预警。

实施改造的20台湿蒸汽锅炉实现了炉管结垢实时诊断、过热运行实时监测的功能，初步具备了锅炉爆管预警能力。

4 结 论

改造后的锅炉实现蒸汽温度、过热度、结垢阻力降实时监测、报警功能，实现清洗炉管时间实时预测，为锅炉结垢预警、过热运行状态监测及炉管清洗计划提供数据参考。湿蒸汽锅炉过热运行诊断与炉管结垢预警技术的研究与运用，实现了锅炉运行过热度实时监测预警、炉管结垢程度实时检测等功能，为锅炉过热运行状态监测及炉管清洗计划提供了数据参考。实现中控室集中监控，现场故障巡检管理，保障了锅炉的安全运行。

主要参考文献

[1]马延彪，廖俊宇，潘华东.锅炉过热段炉管结垢原因分析及预防对策[J].化工设计，2016（26）：20-22.

[2]陈保东，申龙涉，晏永飞.采油注汽锅炉的爆管预警和运行控制的方法及装置[P].CN 101440703A，2009-05-27.

[3]王文，徐汀荣，邵伟峰.工控系统中实时数据库关键技术研究与实现[J].微电子学与计算机，2007，24（1）.

[4]张亮，申龙涉，徐建普，等.结垢所导致的锅炉爆管分析[J].当代化工，2011，40（1）：77-79.

[5]张言.锅炉结垢原因分析[J]，学术纵横，2013（7）.

[6]冯军伟.油田注汽锅炉爆管原因分析及预防措施[J].石油机械，1999，27（11）：26-27.endprint