海上平台稠油热采锅炉结焦问题分析及解决方案

＊张轮亭 燕夏婧 黄坚 杨风允

（1.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司 天津 300452 2.中海石油（中国）有限公司北京研究中心 北京 100027 3.克雷登热能设备（浙江）有限公司 浙江 310018）

稠油开发是目前渤海油田稳产增产的重要措施之一，而热采锅炉则是稠油开发的关键核心设备，立式锅炉体积小重量轻，通常作为海上热采锅炉的选择之一，但是由于其紧凑式的盘管结构，可能会在使用过程中产生结焦结垢现象，影响现场使用。目前在渤海区域，已开展立式锅炉热采应用，在运行过程中发现，锅炉对于天然气燃料有较好的适应性，而采用原油或稠油作为燃料时发现，锅炉在运行一段时间后，燃烧状况恶化，并报故障停机。检查发现，锅炉炉膛出现大量的结焦，尾部受热面烟侧结垢。为保证立式锅炉在平台运行的稳定性，本文对已开展应用的两个平台立式锅炉结焦问题进行分析，并给出改进措施，也为锅炉结焦问题给出预防方案。

1.锅炉结焦结垢的主要危害

锅炉结焦结垢产生的危害主要包括：（1）降低使用效率：结焦结垢后的锅炉传热性能变差、热量流失，锅炉热效率降低。（2）降低锅炉使用寿命：影响锅炉安全稳定的运行，由于结焦物形成的热阻，会导致金属材料处于高温下运行，进而降低锅炉使用寿命。（3）导致事故：结焦结垢的存在会导致受热面温度升高金属过热产生蠕变，严重时会使得炉管爆破，发生危害[1-3]。

2.案例一

(1)渤海某平台锅炉结垢情况

渤海某平台位于渤海中南部海域，其上立式蒸汽锅炉于2011年开始投入使用，经过几轮注采后，操作人员发现锅炉效率降低，因此对炉膛进行清理，发现锅炉燃烧器及盘管有大量附着物（图1），清理的附着物约30kg。清理后炉膛内仍无自然吸风，初步判断锅炉中盘管已经全部结焦堵死，烟气无通道。对结焦物进行初步判断，呈现盐晶体状，味咸，大部分溶于水，小部分铁渣，近管壁侧有暗红色物质，如图2所示。

图1 平台1锅炉结焦图

图2 平台1盘管间的结焦结垢样

(2)渤海某平台锅炉垢样分析

由于结垢物部分可溶于水，对可溶物进行离子成分分析，对不可溶物开展XRF和XRD分析[3]，结果分别如图3和图4所示。

图3 平台1垢样可溶物离子分析

图4 平台1垢样不可溶物分析

图3a表明，可溶于水的垢样多为盐类，为探究离子来源，对原油进行采样分析（图3b），判断垢样形成原因为：原油中含水量较大，且钙镁离子含量高，这些不能参与燃烧，且水会吸收热量随着烟气蒸发排出，水中溶解的各种盐因水分的蒸发而淅出，从而形成盐类结晶[2]。

图4可看出不可溶物多为铁的氧化物，这是由于原油中含水，在燃烧中氧溶于水中，从而在金属表面产生腐蚀，生成氧化铁产物，在高温的作用下逐渐在炉管上形成氧化铁结垢。

综上，原油含水是渤海某平台立式蒸汽锅炉结垢的主要原因。

(3)渤海某平台锅炉结垢结焦解决方案

渤海某平台原锅炉供油流程如图5所示，从油井到进锅炉原油含水率为11%。

图5 平台1锅炉原处理流程

为进一步降低含水率，对平台上原三相分离器进行改造，提升其脱水能力，最终将产油含水脱至3%以下。目前该平台锅炉运行情况良好。

3.案例二

(1)渤海某平台锅炉结垢情况

本案例中平台投产时间晚于案例一平台，为避免再次出现因原油含水率高而导致的结垢情况，该平台首先采取措施降低原油的含水率，但是运行一段时间后，锅炉效率仍出现了降低的情况，为此也对该平台上立式热采锅炉开展了清灰工作。图6为该平台上锅炉结焦物图，结焦物为黑灰状，未发现晶体存在，不溶于水，胶质含量高。

图6 渤海某平台立式锅炉结焦物

(2)渤海某平台垢样分析

对垢样进行XRD分析（图7）分析，发现垢样中无明显结晶存在且其中碳元素含量达到40%（图8），即结焦物中含有大量可燃物，初步判断结垢是由于原油不完全燃烧导致。

图7 渤海某平台垢样XRD分析结果

图8 渤海某平台垢样元素分析

为进一步确定原油不充分燃烧的原因，对原油元素进行检测，从表1（B34和B36为油井编号）可看出碳元素含量大于85%，氢元素含量大于11%，热值较高，具有很好的燃烧性。

表1 渤海某平台原油分析（原油元素分析）

为使得其充分燃烧，首先加大空气供给提高空燃比，运行一段时间后发现结焦问题仍然存在。对烟气含氧量进行检测，结果为9.2%～13.4%，而常规烟气为2%～4%，因此判断无法充分燃烧的原因主要出现在原油上，对原油组分进行分析，发现其中胶质含量高（表2）。同时对原油在不同温度下的黏度进行测定，该平台原油供给温度为86～96℃，表3中可看出，该温度下原油黏度较高。

表2 渤海某平台原油分析（脱水原油四组分分析）

表3 渤海某平台原油分析（黏度分析）

综上，该平台原油不能充分燃烧是因为原油即使加热到96℃，但仍然黏度高，胶质含量高，常规的空气+压力不能充分雾化，在立式锅炉紧凑炉膛也就无法实现原油充分燃烧，以致结焦。

(3)渤海某平台结垢解决方案

解决原油燃烧不充分的问题，主要是解决原油黏度高的问题，可通过两种方式：提高原油进锅炉温度或者通过掺混轻质油来实现。

①提高锅炉油嘴进口油温。提高油温可降低黏度，如表3所示，提高至140～150℃可显著降低原油黏度，提高空气雾化比。但是平台2由于整个供油系统中各设备耐温等级不匹配，无法承受140～150℃的高温，且温度提升，雾化压力与油压也需同步提升，平台不具备改造条件，那么必须从锅炉燃烧器及其系统解决。如提高喷嘴前的油温、改善燃烧配风、以及结合锅炉本体设计适当加大炉膛。

②混合轻质油，通过混配器保证混合效果，加单向阀保证流向。本项目由于采出的均为稠油，因此加柴油进行混配，通过调和得到适合本平台锅炉燃用的原油。

混合柴油后流程如图9所示。

图9 渤海某平台立式锅炉原油掺混柴油改造流程

通过混合柴油进行锅炉燃料油供给，解决了该平台锅炉的结焦问题，目前该平台上锅炉运行情况良好。

4.结论

通过对两个案例中海上平台上锅炉结焦情况的分析，对海上平台以原油/稠油为燃料的立式锅炉避免结焦结垢提出以下建议：

（1）原油需尽量将水脱除，避免因含水量过高而导致盐类结垢的产生。（2）对于稠油油田，在没有稀油产出的情况下，通过掺混柴油来保证原油充分燃烧的方式尽管有效，但成本较高，锅炉设计时，从温度、压力等物理降黏措施着手，保持不同原油均有良好的雾化燃烧条件，加强配风和适当加大炉膛温度保证充分燃烧，以避免因原油燃烧不充分而导致的结焦结垢问题。