油田注汽鍋爐爐管結(jié)垢預(yù)警模型設(shè)計與應(yīng)用

　　[摘 要] 油田注汽鍋爐采用80℃～110 ℃凈化污水，在高礦化度下運(yùn)行注汽鍋爐結(jié)垢加快、爆管幾率增加，對鍋爐爐管過早或過晚清洗均不利于鍋爐運(yùn)行。通過預(yù)估結(jié)垢狀態(tài)估算爐管清洗時間，實(shí)時判斷鍋爐運(yùn)行狀態(tài)，防止鍋爐爆管。監(jiān)測鍋爐出口蒸汽壓力和溫度，利用IAPWS-IF97算法模型，計算工況下飽和蒸汽壓力所對應(yīng)的理論飽和蒸汽溫度值，監(jiān)測鍋爐運(yùn)行過熱狀態(tài)。預(yù)警模型的建立，實(shí)現(xiàn)了鍋爐運(yùn)行過熱度實(shí)時監(jiān)測預(yù)警、爐管結(jié)垢程度實(shí)時檢測功能，為鍋爐過熱運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測及爐管清洗計劃提供了數(shù)據(jù)參考，保障了鍋爐的安全運(yùn)行。

　　[關(guān)鍵詞] 過熱診斷;結(jié)垢分析;算法模型

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

　　[中圖分類號] TK223 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1673 - 0194(2017)23- 0167- 02

　　《工業(yè)工程與管理》(雙月刊)創(chuàng)刊于1996年，由上海交通大學(xué)主辦。應(yīng)用性與學(xué)術(shù)性兼顧。致力于提高企業(yè)生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，加強(qiáng)企業(yè)對市場的快速響應(yīng)能力，優(yōu)化企業(yè)組織機(jī)構(gòu)和運(yùn)作管理方式，促成現(xiàn)代化企業(yè)的形成。介紹工業(yè)工程(IE)學(xué)科的基礎(chǔ)知識和國外最新研究成果，IE如何促進(jìn)企業(yè)的發(fā)展和繁榮;IE在我國的研究狀況和對企業(yè)富有啟發(fā)性的研究成果，IE在各類企業(yè)中得到成功應(yīng)用和推廣的實(shí)例：促進(jìn)企業(yè)體制改革，為企業(yè)提高經(jīng)濟(jì)效益、增強(qiáng)活力與競爭能力和建立現(xiàn)代企業(yè)制度獻(xiàn)計獻(xiàn)策：促進(jìn)企業(yè)界、政府部門和學(xué)術(shù)界的交流利合作。榮獲1999年教育部優(yōu)秀科技期刊。

　　1 引 言

　　油田注汽鍋爐用水為高礦化度油田凈化污水，現(xiàn)有工況條件下鍋爐污水結(jié)垢現(xiàn)象嚴(yán)重，鍋爐運(yùn)行時爆管幾率增加，給設(shè)備和人員帶來嚴(yán)重安全隱患。

　　注汽鍋爐安全運(yùn)行關(guān)系著油田生產(chǎn)的安全，在高礦化度下運(yùn)行注汽鍋爐結(jié)垢、爆管幾率增加，鍋爐爐管結(jié)垢后過早或過晚清洗對鍋爐的損耗和工況運(yùn)行都有影響，過早清洗會加快爐管壁厚的磨損，過晚清洗會降低鍋爐的熱效率，帶來能量的損失，甚至?xí)�造成鍋爐爆管現(xiàn)象。對注汽鍋爐進(jìn)行爆管預(yù)警及過熱診斷，將對設(shè)備的安全運(yùn)行和提高實(shí)際生產(chǎn)效率具有十分重要的作用。

　　2 注汽鍋爐過熱與結(jié)垢預(yù)警技術(shù)簡介

　　鍋爐爆管主要是由于爐管結(jié)垢或鍋爐處于過熱運(yùn)行狀態(tài)導(dǎo)致爐管超溫運(yùn)行造成爐管塑性變形或破裂，目前預(yù)警通過監(jiān)測鍋爐輻射段入口、輻射段出口、對流段入口、對流段出口和鍋爐蒸汽出口的蒸汽壓力值，根據(jù)各段蒸汽壓力，結(jié)合鍋爐結(jié)構(gòu)參數(shù)計算各段額定阻力降、總阻力降和結(jié)垢總阻力降，實(shí)時評估計算爐管結(jié)垢速率和清管周期以及鍋爐運(yùn)行過熱狀態(tài)。

　　鍋爐爐管結(jié)垢預(yù)測技術(shù)，鍋爐爐管結(jié)垢產(chǎn)生的阻力導(dǎo)致給水泵出口壓力與鍋爐蒸汽出口壓力差值大于注汽鍋爐在額定工況下運(yùn)行時的壓力差值。通過監(jiān)測鍋爐進(jìn)出口壓力差與額定工況下鍋爐水摩擦阻力計算出鍋爐結(jié)垢阻力，通過結(jié)垢阻力推算鍋爐結(jié)垢狀態(tài)，估算爐管清洗周期。

　　鍋爐運(yùn)行過熱狀態(tài)識別技術(shù)，注汽鍋爐實(shí)際蒸汽溫度與理論飽和蒸汽溫度的差值稱為“過熱度”，當(dāng)水處于濕蒸汽區(qū)時，壓力、溫度等狀態(tài)參數(shù)有單一函數(shù)關(guān)系，通過測量和分析之間的關(guān)系，判斷鍋爐運(yùn)行狀態(tài)(未飽和、安全運(yùn)行、高干度運(yùn)行、過熱)。

　　3 過熱與結(jié)垢診斷算法模型設(shè)計及應(yīng)用

　　3.1 過熱診斷算法模型

　　實(shí)際蒸汽溫度由測溫儀表實(shí)測得到，飽和蒸汽溫度則由實(shí)測工況蒸汽壓力計算得出。

　　注汽鍋爐的過熱度是一個間接測量量，其計算公式如下：

　　過熱度=實(shí)際蒸汽溫度-飽和蒸汽溫度,不確定度

　　當(dāng)過熱度小于“0”時，鍋爐爐管內(nèi)的介質(zhì)為欠飽和狀態(tài);當(dāng)過熱度等于“0”時，鍋爐爐管內(nèi)的介質(zhì)處于飽和狀態(tài)，即為飽和濕蒸汽;當(dāng)過熱度大于“0”時，鍋爐爐管內(nèi)的介質(zhì)處于過飽和狀態(tài)，即為干蒸汽，此時鍋爐過熱。通過“過熱度”的監(jiān)測即可監(jiān)控注汽鍋爐是否處于過熱狀態(tài)。

　　水和蒸汽是注汽鍋爐的介質(zhì)，對飽和蒸汽溫度計算時，要使用水和蒸汽的物理性質(zhì)包括熱力學(xué)性質(zhì)(溫度、壓力、比焓、比容，比定壓熱容)和遷移性質(zhì)(動力粘度、導(dǎo)熱系數(shù)、普朗特數(shù))。水和蒸汽物理性質(zhì)計算的準(zhǔn)確性和可靠性直接關(guān)系到注汽鍋爐的設(shè)計、使用及安全性等一系列問題。因此，準(zhǔn)確計算水和水蒸汽的物理性質(zhì)是飽和蒸汽溫度計算成功的依據(jù)。IAPWS-IF97將整個有效范圍劃分成5個區(qū)：1區(qū)為過冷水區(qū)，2區(qū)為過熱蒸汽，3區(qū)為臨界水區(qū)和汽區(qū)，4區(qū)為飽和區(qū)，5區(qū)為高溫區(qū)。由于注汽鍋爐的熱力計算中用不到第5區(qū)，所以只計算1-4區(qū)的水和蒸汽熱力學(xué)性質(zhì)即可。

　　3.2 結(jié)垢診斷算法模型

　　注汽鍋爐在額定工況下的阻力降處在一定的范圍內(nèi)。當(dāng)爐管結(jié)垢后，阻力降開始上升，系統(tǒng)總阻力降計算如下：

　　總阻力=額定阻力,結(jié)垢阻力

　　總阻力降為給水泵出口壓力與鍋爐蒸汽出口壓力之差值，監(jiān)測泵出口壓力和蒸汽出口壓力即可實(shí)時獲取此參數(shù)，額定阻力降可通過對鍋爐水阻力計算得出，之后根據(jù)公式即可計算得到結(jié)垢阻力降，再通過結(jié)垢阻力降與結(jié)垢狀態(tài)的關(guān)系計算清洗爐管的周期。

　　鍋爐爐管結(jié)垢產(chǎn)生的阻力導(dǎo)致給水泵出口壓力與鍋爐蒸汽出口壓力差值大于注汽鍋爐在額定工況下運(yùn)行時的壓力差值。通過監(jiān)測鍋爐進(jìn)出口壓力差與額定工況下鍋爐水摩擦阻力計算出鍋爐結(jié)垢阻力，通過結(jié)垢阻力推算鍋爐結(jié)垢狀態(tài)，估算爐管清洗周期。

　　3.3 監(jiān)控系統(tǒng)預(yù)警功能開發(fā)

　　將鍋爐運(yùn)行參數(shù)接入作業(yè)區(qū)中控室現(xiàn)有SCADA系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)鍋爐原有功能與新增功能集中監(jiān)控與管理。開發(fā)一套鍋爐爆管診斷與過熱運(yùn)行監(jiān)測預(yù)警軟件程序，在作業(yè)區(qū)辦公系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)鍋爐爆管診斷與過熱運(yùn)行監(jiān)測預(yù)警設(shè)備全部功能。

　　監(jiān)控系統(tǒng)采用先進(jìn)的HMI/SCADA自動化監(jiān)控組態(tài)軟件IFIX，內(nèi)嵌VBA程序設(shè)計語言。預(yù)警功能采用IFIX VBA程序開發(fā)，運(yùn)用WinSock控件與現(xiàn)場控制器通信。WinSock控件是用來創(chuàng)建客戶端與服務(wù)器應(yīng)用程序，WinSock控件與遠(yuǎn)程設(shè)備建立連接，通過傳輸控制協(xié)議(TCP)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

　　3.4 應(yīng)用效果

　　根據(jù)鍋爐結(jié)垢狀況制定合理的爐管清洗計劃，避免過多清洗造成爐管壽命縮短，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。確立濕蒸汽鍋爐爆管預(yù)警關(guān)鍵監(jiān)控參數(shù)，創(chuàng)建爆管預(yù)警監(jiān)測方法。構(gòu)建濕蒸汽鍋爐爐管結(jié)垢情況評估方法，實(shí)現(xiàn)鍋爐爐管結(jié)垢狀況實(shí)時預(yù)測、實(shí)時報警，集中監(jiān)控;實(shí)現(xiàn)濕蒸汽鍋爐運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時跟蹤與直觀展示，直觀觀察蒸汽運(yùn)行狀態(tài)，過熱時記錄過熱度值并及時報警;實(shí)現(xiàn)鍋爐運(yùn)行過熱度實(shí)時監(jiān)測預(yù)警、爐管結(jié)垢程度實(shí)時檢測等功能，為鍋爐過熱運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測及爐管清洗計劃提供了數(shù)據(jù)參考。

　　選取1臺鍋爐9月10日與11月11日運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行比對分析：運(yùn)行兩個月鍋爐入口壓力變化不大，出口蒸汽壓力明顯降低，結(jié)垢阻力降上升0.75 MPa，預(yù)估爐管清洗周期由原有的501天降至360天。結(jié)垢阻力降未增加至評估報警限值(1.9 MPa)，系統(tǒng)未產(chǎn)生結(jié)垢爆管預(yù)警。

　　實(shí)施改造的20臺濕蒸汽鍋爐實(shí)現(xiàn)了爐管結(jié)垢實(shí)時診斷、過熱運(yùn)行實(shí)時監(jiān)測的功能，初步具備了鍋爐爆管預(yù)警能力。

　　4 結(jié) 論

　　改造后的鍋爐實(shí)現(xiàn)蒸汽溫度、過熱度、結(jié)垢阻力降實(shí)時監(jiān)測、報警功能，實(shí)現(xiàn)清洗爐管時間實(shí)時預(yù)測，為鍋爐結(jié)垢預(yù)警、過熱運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測及爐管清洗計劃提供數(shù)據(jù)參考。濕蒸汽鍋爐過熱運(yùn)行診斷與爐管結(jié)垢預(yù)警技術(shù)的研究與運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)了鍋爐運(yùn)行過熱度實(shí)時監(jiān)測預(yù)警、爐管結(jié)垢程度實(shí)時檢測等功能，為鍋爐過熱運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測及爐管清洗計劃提供了數(shù)據(jù)參考。實(shí)現(xiàn)中控室集中監(jiān)控，現(xiàn)場故障巡檢管理，保障了鍋爐的安全運(yùn)行。

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