稠油集輸系統(tǒng)加熱爐節(jié)能技術(shù)研究

梁光川，蒲 鶴

西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院，四川成都 610500

稠油集輸系統(tǒng)加熱爐節(jié)能技術(shù)研究

梁光川，蒲 鶴

西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院，四川成都 610500

集輸系統(tǒng)中的加熱爐是油田耗能的主要設(shè)備，其熱效率的高低直接影響油田的經(jīng)濟(jì)效益。文中分析了集輸系統(tǒng)加熱爐經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的主要影響因素：過?？諝庀禂?shù)、加熱爐熱負(fù)荷、排煙溫度、加熱爐燃燒效率等。利用加熱爐反平衡效率測試法，對現(xiàn)場運(yùn)行的加熱爐進(jìn)行效率測試，得到加熱爐的散熱損失率、排煙熱損失率及燃料不完全燃燒率。利用測試數(shù)據(jù)計(jì)算出加熱爐的熱效率，根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析了造成加熱爐低效運(yùn)行的原因。針對各加熱爐的不同情況，提出實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的主要對策，為稠油集輸系統(tǒng)加熱爐的節(jié)能技術(shù)改造提供依據(jù)。

加熱爐；熱效率；排煙熱損失；散熱損失；改造

0 引言

集輸系統(tǒng)是油田主要能耗環(huán)節(jié)之一，集輸系統(tǒng)中加熱爐的能耗占有很大比例。在稠油集輸系統(tǒng)中，由于稠油中的膠質(zhì)、瀝青等含量高，具有黏度高、密度大、凝點(diǎn)高等特點(diǎn)，因而與輸送稀油相比，液體輸送溫度高、能耗大。據(jù)測算，在生產(chǎn)過程中，稠油集輸過程的加熱爐耗氣（油）量比稀油集輸過程高出一倍多。本文針對某油田稠油集輸系統(tǒng)加熱爐的效率測試結(jié)果，分析了影響加熱爐運(yùn)行效率的主要因素，最終提出了加熱爐優(yōu)化措施。

1 加熱爐運(yùn)行效率測試及結(jié)果分析

1.1 加熱爐效率測試

為了對集輸過程中加熱爐的運(yùn)行情況進(jìn)行分析，利用反平衡法計(jì)算加熱爐效率。通過測定加熱爐各項(xiàng)熱損失來計(jì)算其效率的方法稱為反平衡法，計(jì)算所得的效率稱為反平衡效率。

燃?xì)饧訜釥t熱損失主要包括排煙熱損失、氣體不完全燃燒熱損失和散熱損失，其反平衡效率計(jì)算公式為:

式中η——反平衡效率；

q1——散熱損失/%；

q2——排煙熱損失/%；

q3——燃料不完全燃燒熱損失/%。

散熱損失q1是由于爐子運(yùn)行時(shí)，其爐墻、鋼架、管道和其他附件的表面溫度均較周圍空氣溫度高，造成向空氣散失熱量的熱損失；排煙熱損失q2是煙氣離開加熱爐的最后受熱面時(shí)所帶走的物理熱損失；不完全燃燒熱損失q3是指煙氣中所含少量 CO、H2、CH4等可燃?xì)怏w最終未能燃燒而造成的熱損失。表1列出了某油田集輸系統(tǒng)中部分加熱爐的主要測試數(shù)據(jù)及測算結(jié)果。

表1 加熱爐主要測試數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果

1.2 測試結(jié)果分析

1 號加熱爐的燃料不完全燃燒熱損失過大，主要原因是加熱爐結(jié)構(gòu)不合理，如爐膛火焰溫度不高以及燃料不能夠充分燃燒，同時(shí)增加了過?？諝庀禂?shù)和排煙熱損失。2 號加熱爐的排煙熱損失過大，可能是受到設(shè)備物理特性的影響，如對流段結(jié)垢、積灰；爐體漏風(fēng)。3 號加熱爐的爐體熱損失過高，此類加熱爐的散熱損失正常值應(yīng)為 3% ～ 4%，而該加熱爐的散熱損失大大超過了正常值，分析爐體散熱超標(biāo)的原因，一是爐體表面保溫不良，致使大量熱能散失；二是由于該加熱爐的負(fù)荷率過低，致使散熱損失量相對比例增大。4 號加熱爐的排煙熱損失過高，從測試數(shù)據(jù)看，導(dǎo)致排煙熱損失高的主要原因是空氣系數(shù)偏高及該加熱爐的負(fù)荷率過低，從加熱爐的出力等級及燃料品種看，此類加熱爐過剩空氣系數(shù)正常值應(yīng)為 1 ～ 1.2，最大值也得小于規(guī)定的 1.6。

2 加熱爐運(yùn)行效率理論影響因素分析

2.1 加熱爐運(yùn)行負(fù)荷率

加熱爐運(yùn)行負(fù)荷的變化對加熱爐的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生較大的影響。加熱爐在 80% ～ 100% 負(fù)荷情況下，運(yùn)行效率通常較高，超負(fù)荷和低負(fù)荷運(yùn)行都將降低運(yùn)行熱效率。當(dāng)負(fù)荷降低時(shí)，從理論上講運(yùn)行效率會(huì)增加，但由于存在漏風(fēng)等問題，過量空氣系數(shù)變大，運(yùn)行效率反而會(huì)降低；當(dāng)超負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，加熱爐效率也會(huì)降低，一般超過設(shè)計(jì)負(fù)荷 20% 時(shí)熱效率降低 2% ～ 3%，超過設(shè)計(jì)負(fù)荷 30% 時(shí)熱效率降低 3% ～ 4%。

2.2 加熱爐排煙溫度

排煙溫度的高低直接影響排煙熱損失率，降低排煙溫度可以大大提高加熱爐熱效率。排煙熱損失在總熱損失中占有極大的比例，是影響加熱爐經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的主要因素。當(dāng)爐子熱效率較高（例如 90%）時(shí)，排煙熱損失占總熱損失的 70% ～ 80%；當(dāng)爐子熱效率較低（例如 70%）時(shí)，排煙熱損失約占總熱損失的 90%。

排煙溫度每降低 12 ～ 15 ℃，加熱爐熱效率提高 1%。加熱爐排煙溫度高的主要原因是受熱面和水套結(jié)垢，影響受熱面換熱，導(dǎo)致加熱爐熱效率降低。水垢的導(dǎo)熱系數(shù)很小，為 0.581 ～ 2.33 W/(m?℃) ，加熱爐結(jié)垢后對排煙溫度有很大影響，據(jù)統(tǒng)計(jì)，加熱爐受熱面水垢每增加 1 mm，熱效率會(huì)降低 2% ～ 3%，見表2。

表2 水垢對加熱爐熱效率的影響

2.3 加熱爐燃燒效率

影響燃燒器燃燒效率的因素有很多，燃料氣壓力波動(dòng)、含水、含油、組分變化較大等都會(huì)影響燃燒器的穩(wěn)定燃燒，加熱爐燃燒器結(jié)構(gòu)不合理也會(huì)降低加熱爐熱效率。例如，井口使用的負(fù)壓引射蝸殼式燃?xì)馊紵?，其爐膛火焰溫度不高，輻射強(qiáng)度低，負(fù)壓燃燒時(shí)外界空氣會(huì)漏入爐內(nèi)，影響了燃燒，同時(shí)增加了過?？諝庀禂?shù)和排煙熱損失；另一方面，負(fù)壓燃燒時(shí)流體流速較低，煙管與水套之間的對流換熱效果較差，導(dǎo)致排煙溫度過高，降低了加熱爐效率。

2.4 加熱爐的過?？諝庀禂?shù)

過?？諝庀禂?shù)α是燃燒所消耗的實(shí)際空氣量與理論空氣量之比。一般燃?xì)饧訜釥t的過?？諝庀禂?shù)為1.05 ～ 1.15。運(yùn)行中，如果過?？諝饬吭黾?，使燃燒溫度下降，降低了火焰和高溫?zé)煔鈧鹘o輻射爐管的熱量，且大量過?？諝怆S煙氣將熱量帶走排入大氣，使排煙熱損失增加。過?？諝庀禂?shù)是加熱爐運(yùn)行的一個(gè)重要參數(shù)，對加熱爐的運(yùn)行效率、排煙溫度等影響很大。圖1是加熱爐過?？諝庀禂?shù)α與加熱爐運(yùn)行效率η、不完全燃燒熱損失q3和排煙熱損失q2之間的關(guān)系曲線。

圖1 加熱爐過?？諝庀禂?shù)與運(yùn)行效率關(guān)系曲線

當(dāng)α＜ 1.1 時(shí)，雖然熱效率不低，但燃料不完全燃燒熱損失在 3% 以上，而且隨α的減小而增大，使加熱爐熱效率降低且煙氣對環(huán)境造成很大的危害；當(dāng)1.6 ＜α＜ 3 時(shí)，排煙熱損失q2超過 10%，熱效率隨α的增大下降很快，α每增加 0.1，熱效率平均降低 1.0%；當(dāng)α＞3 時(shí)，燃料不完全燃燒熱損失q3隨α的增加而迅速增加，熱效率低于 70%，同時(shí)煙氣中含有大量的有毒氣體 NOX、SOX等。

有關(guān)資料表明，天然氣加熱爐最佳燃燒區(qū)域?yàn)檫^?？諝庀禂?shù)α= 1.1 ～ 1.6 ，α每降低 0.1，熱效率平均增加0.4%。

3 實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行的主要措施

（1）回收煙氣余熱，降低排煙熱損失。增加對流段的傳熱面積，更多地吸收煙氣中的熱量；增加對流爐管，或?yàn)榱吮苊膺^多增加爐管還可以采用釘頭爐管，即在燃?xì)饧訜釥t上采用翹片管；在加熱爐尾部設(shè)置空氣預(yù)熱器預(yù)熱空氣，管式爐空氣每提高20℃，爐子熱效率提高1%。

（2）減少爐墻散熱損失。選擇新型耐火纖維、陶瓷纖維等代替耐火磚或輕質(zhì)耐火混凝土作為爐襯，這是加熱爐在保溫材料方面的革新和技術(shù)突破；此外，要嚴(yán)格控制爐墻密封，減少氣體的泄漏，爐膛漏氣會(huì)加劇爐管氧化，增大排煙熱損失。

（3）合理控制過剩空氣量。過剩空氣系數(shù)過大或過?。ū砻魉惋L(fēng)量過多或過少）都會(huì)使燃燒不完全，對于聯(lián)合站和計(jì)轉(zhuǎn)站的大功率加熱爐，可引進(jìn)加熱爐送風(fēng)自控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)加熱爐空氣系數(shù)優(yōu)化控制；在采用合適的燃燒控制裝置和保證燃燒穩(wěn)定的條件下，應(yīng)使過量空氣系數(shù)具有最低值，以期得到最佳的熱效率。

（4）提高加熱爐負(fù)荷率。提高加熱爐運(yùn)行負(fù)荷率可以從合理調(diào)整加熱爐的運(yùn)行臺數(shù)入手，即根據(jù)處理油的流量及加熱溫度，結(jié)合各加熱爐的額定功率，通過熱平衡計(jì)算確定各場站加熱爐的運(yùn)行臺數(shù)，在保證正常生產(chǎn)的情況下，通過減少加熱爐的運(yùn)行臺數(shù)，減少燃料的消耗，從而提高加熱爐的整體運(yùn)行效率。

（5）加熱爐采用節(jié)能控制技術(shù)。加熱爐實(shí)現(xiàn)自控運(yùn)行，按照操作人員設(shè)定的溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)加熱爐的燃料供給量，對爐子出口溫度進(jìn)行自動(dòng)跟蹤。正常工況下，實(shí)際溫度與設(shè)定溫度的誤差平均可控制在 ±1 ℃ 以內(nèi)。

4 結(jié)束語

針對集輸系統(tǒng)中的加熱爐而言，影響其運(yùn)行效率的主要因素可從結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)進(jìn)行考慮。工藝參數(shù)是指加熱爐運(yùn)行時(shí)的具體操作參數(shù)，過?？諝庀禂?shù)、熱爐負(fù)荷率、排煙溫度等均屬于工藝參數(shù)。其中，過剩空氣系數(shù)跟散熱損失、排煙熱損失、爐膛的負(fù)壓等有著密切的關(guān)系。因此，在滿足工藝要求的前提下，將影響加熱爐熱效率的各種參數(shù)調(diào)整到最優(yōu)的范圍，使得加熱爐在高效區(qū)運(yùn)行，可大大提高油田集輸系統(tǒng)的能源利用效率。

[1]王志國，馬一太，張義祥，等.稠油集輸系統(tǒng)加熱爐節(jié)能技改方案研究 [J].油氣田地面工程，2003，（2）：32-33.

[2]鄧壽祿.加熱爐正平衡效率測試結(jié)果的誤差分析及減少誤差的方法[J].油田節(jié)能，2005，（2）：39-41.

[3]李勇，李玉軍.加熱爐優(yōu)化狀態(tài)自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用[J].油氣田地面工程，2003，（6）：24-28.

[4]王占勝，遼寧油田稠油集輸工藝優(yōu)化 [J].石油工程建設(shè)，2008，（4）：48-50.

Research on Energy-saving Technique of Heating Furnaces in Heavy Oil Gathering System

Liang Guangchuan，Pu He
Petroleum Engineering College of Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China

The heating furnace in oil gathering system is the main equipment of energy-consumption;its thermal efficiency directly affects oilfield economic benefit.This paper analyzes the main factors affecting economical running of the heating furnace in oil gathering system:excess air coefficient,furnace heat load,exhaust smoke temperature,furnace combustion efficiency.The test method of counter balance efficiency is used to test the efficiency of the heating furnace running in-situ,and it gets the heat dissipation rate of the heating furnace,heat loss of exhaust smoke and incomplete combustion rate of fuel.The tested data are applied to calculate the thermal efficiency of the heating furnace,and the causes of inefficient running of the heating furnace are analyzed based on the calculation results.According to different situations of the heating furnaces,this paper proposes major countermeasures to achieve economical running,and provides the basis for energy-saving technological reformation of the heating furnace in gathering system.

heating furnace;thermal efficiency;heat loss of exhaust smoke;heat dissipation loss;reformation

國家自然科學(xué)基金國際合作交流項(xiàng)目（512101105）；特色重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目資助青年教師科學(xué)基金項(xiàng)目；四川省教育廳青年基金項(xiàng)目（省609）

10.3969/j.issn.1001-2206.2014.01.017

梁光川（1972-），男，重慶彭水人，教授，1993年畢業(yè)于西南石油大學(xué)油氣儲運(yùn)工程專業(yè)，博士，主要從事油氣儲運(yùn)方面的教學(xué)、研究和設(shè)計(jì)工作。

2013-08-20