真空相變爐在魏荊線的應(yīng)用

王亞男，吳勝繼

（中國(guó)石化管道儲(chǔ)運(yùn)有限公司，湖北襄陽(yáng) 441002）

魏荊線輸送原油為南陽(yáng)油田高黏度、高凝點(diǎn)、高密度的“三高”原油，自2005年推行“油改氣”工程以來(lái)，全線22臺(tái)加熱爐已有19臺(tái)燃油加熱爐改造為燃?xì)饣蛴蜌鈨捎眉訜釥t，減少了污染排放，節(jié)省了大量的燃料成本，為企業(yè)帶來(lái)了較好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益，但直接式燃?xì)饧訜釥t在多年的運(yùn)行過(guò)程中暴露出爐體結(jié)構(gòu)不合理、容易引發(fā)低溫腐蝕等問(wèn)題。

1 直接式燃?xì)饧訜釥t的主要缺陷

1.1 輻射爐管表面溫度過(guò)高

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)記錄表明，由于管線長(zhǎng)年超低輸量運(yùn)行（管線設(shè)計(jì)輸量350萬(wàn)噸/年，實(shí)際90萬(wàn)噸/年），原油在爐管中的流動(dòng)狀態(tài)為層流，直接式加熱爐的爐管內(nèi)容易出現(xiàn)局部過(guò)熱、結(jié)焦，造成爐管表面溫度局部超高。正常工藝條件下，輻射室爐管管壁最高溫度已達(dá)535℃，遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)最高溫度475℃（20#鋼爐管）[1]。溫度超高會(huì)導(dǎo)致?tīng)t管高溫蠕化、裂紋，縮短爐管的使用壽命，嚴(yán)重時(shí)甚至影響加熱爐的安全運(yùn)行。

1.2 對(duì)流室爐管、釘頭管腐蝕較重

在煙氣排放過(guò)程中由于受環(huán)境溫度的影響，天然氣燃燒產(chǎn)生的大量冷凝水順著煙囪流入對(duì)流室釘頭管及天圓地方處，造成對(duì)流室爐管低溫水腐蝕。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量計(jì)算出對(duì)流室釘頭管直管段腐蝕速率最高達(dá)2.5 mm/a，彎頭箱彎管處最大腐蝕速率達(dá)到1.25 mm/a，腐蝕情況嚴(yán)重。

1.3 爐體結(jié)構(gòu)不符合天然氣的燃燒特性，爐效未達(dá)高效能標(biāo)準(zhǔn)

目前加熱爐改造主要針對(duì)燃燒系統(tǒng)即燃燒器，爐內(nèi)結(jié)構(gòu)并未發(fā)生任何變化，且近年來(lái)加熱爐爐效偏低，未達(dá)到高效運(yùn)行（η≥90%）的要求。因此目前在用直接式燃?xì)饧訜釥t已不能完全滿足當(dāng)前輸油生產(chǎn)運(yùn)行要求，不符合綠色環(huán)保的標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)輸油生產(chǎn)需要和公司要求，根據(jù)襄陽(yáng)輸油處的魏荊線工藝運(yùn)行條件、原油及天然氣的物性參數(shù)等進(jìn)行了燃?xì)饧訜釥t方案設(shè)計(jì)。初步設(shè)想采用螺旋管直接爐、改進(jìn)型快裝管式直接爐等各種直接爐的嘗試，后因計(jì)算原油壓力降過(guò)大、爐型沒(méi)有根本改變等其他因素而放棄。經(jīng)過(guò)調(diào)研，真空相變爐在江蘇油田及河南南陽(yáng)油田都有應(yīng)用，綜合各方面因素及設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果，最后選定真空相變加熱爐型，安裝在魏荊線冬季運(yùn)行熱力消耗最多的胡集站加熱站。

表1 真空相變爐主要技術(shù)參數(shù)

圖1 真空相變加熱爐本體結(jié)構(gòu)

2 真空相變加熱爐結(jié)構(gòu)原理和應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

2.1 真空相變加熱爐工作原理

真空爐在正常工作時(shí)，爐內(nèi)部壓力低于外界大氣壓力（小于0.01 MPa，通常為負(fù)壓），爐內(nèi)形成一定真空度的真空室。燃燒器點(diǎn)燃后，火焰在爐膽內(nèi)燃燒。熱量傳給熱媒水，使熱媒水在真空室中沸騰汽化，產(chǎn)生負(fù)壓蒸汽。負(fù)壓蒸汽在換熱盤(pán)管表面凝結(jié)，放出熱量，將管內(nèi)原油加熱升溫。管外負(fù)壓蒸汽則被冷卻凝結(jié)成水滴，再次被加熱汽化，如此反復(fù)循環(huán)（氣相與液相相互轉(zhuǎn)換）達(dá)到加熱目的。簡(jiǎn)單說(shuō)真空相變爐即鍋爐與換熱器的整合。真空爐在工作過(guò)程中，被原油帶走的熱量與燃料燃燒供給熱媒水、蒸汽的熱量處于一種動(dòng)態(tài)平衡之中。所選用真空相變爐相關(guān)技術(shù)參數(shù)詳見(jiàn)表1。

2.2 真空相變加熱爐結(jié)構(gòu)

真空加熱爐采用鍋爐和換熱器一體化設(shè)計(jì)，二回程式背式結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1），利用真空、相變?cè)?，提高傳熱效率，減小爐體積。爐子在微負(fù)壓工況下工作，配置真空防爆片，保證鍋爐殼體在正常壓力下工作，再加上水浴溫度控制，蒸汽壓力控制，使鍋爐安全有三重保護(hù)，確保安全；且相變爐加熱的是熱媒水，不與原油直接接觸，大大提高運(yùn)行安全系數(shù)。

2.3 自動(dòng)控制與調(diào)節(jié)

相變爐實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)控制，燃燒器采用進(jìn)口奧林燃燒器，運(yùn)行穩(wěn)定、各項(xiàng)保護(hù)參數(shù)設(shè)置齊全合理，爐前配置有氧化鋯在線檢測(cè)分析儀，可以根據(jù)煙氣中氧含量的變化及時(shí)調(diào)整燃燒器的氣風(fēng)比例，確保燃料高效燃燒；燃燒器的出力控制則以水域溫度控制為目標(biāo)，通過(guò)設(shè)定、調(diào)整水域溫度來(lái)間接控制燃燒器的輸出火力與負(fù)荷變化相適應(yīng)，保持出站溫度平穩(wěn)。除就地儀表顯示各項(xiàng)參數(shù)外，還可將信號(hào)遠(yuǎn)傳至調(diào)度室，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控與調(diào)節(jié)，與原來(lái)的SCADA系統(tǒng)整合，為加熱站實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守打下技術(shù)基礎(chǔ)。

2.4 排煙口側(cè)置

此次相變爐設(shè)計(jì)安裝時(shí)，將排煙煙道放置在與爐體平齊的左側(cè)，這種安裝方式增加了回程煙氣熱傳導(dǎo)，提高了換熱效率；并且避免了后部頂置式排煙煙道內(nèi)冷凝水回流對(duì)加熱爐尾部受熱面的腐蝕。同時(shí)在煙道上加裝冷凝器，利用煙囪余熱加熱進(jìn)站原油，降低了爐子排煙熱損失，提高了余熱利用率，從而提高了爐效。

2.5 材質(zhì)選用合理，堅(jiān)固耐用

真空加熱爐的煙管材質(zhì)采用低溫耐腐蝕鋼管，有效減緩了低溫冷凝水的腐蝕，避免了直接爐對(duì)流管易腐蝕的缺陷；由于煙道設(shè)置有換熱器，排煙溫度較低，產(chǎn)生了大量的冷凝水，所以煙道部分采用低溫耐腐蝕鋼材質(zhì)制作，延長(zhǎng)了煙囪使用壽命。

3 運(yùn)行效果分析

經(jīng)過(guò)近兩年的運(yùn)行，優(yōu)勢(shì)明顯，首先是運(yùn)行穩(wěn)定，維護(hù)成本低，與直接燃?xì)鉅t相比，維修費(fèi)用降低，原來(lái)冬季胡集站需要兩臺(tái)加熱爐長(zhǎng)期運(yùn)行，維修工作量大，每年都要進(jìn)行對(duì)流室、輻射室彎頭箱滲水的處理及爐體外防腐處理。更新為相變爐后，相變爐外表面為不銹鋼表面，密封性好，不存在這些問(wèn)題。減少了維修工作量，節(jié)約了成本。

其次是節(jié)能效果明顯。原來(lái)冬季需要運(yùn)行兩臺(tái)加熱爐才能達(dá)到工藝運(yùn)行出站70℃的要求。現(xiàn)只運(yùn)行一臺(tái)真空相變爐就能滿足工藝要求。由于相變爐鍋筒內(nèi)水在全密閉狀態(tài)下相變循環(huán)，無(wú)蒸汽外溢，熱量損失小，大大提高了換熱效果，排煙余熱的應(yīng)用也提高了加熱爐的熱效率。經(jīng)測(cè)試與計(jì)算，爐效率可達(dá)95%以上，原來(lái)2 326 kW直接爐爐率僅為85%。

通過(guò)隨機(jī)查詢胡集站改造前后能源統(tǒng)計(jì)報(bào)表1月、8月、10月數(shù)據(jù)（見(jiàn)表2），可以看出，在相同工藝條件、相同月份下，改造后胡集站耗氣量和耗電量都有明顯下降（天氣特別寒冷時(shí)，以往采用雙爐運(yùn)行，燃燒效率較低）。同時(shí)可以看出越是天氣寒冷（1月），設(shè)備越是接近滿負(fù)荷，節(jié)能效果相對(duì)明顯；而在天氣炎熱時(shí)（8月），由于出站溫度要求不是太高，無(wú)論是真空相變爐還是直接式加熱爐，均處于低負(fù)荷狀態(tài)，能耗差別相對(duì)較小，節(jié)能不明顯。綜合全年的能耗情況來(lái)看，每年的節(jié)能量平均在260噸標(biāo)煤左右，按照220萬(wàn)元的總投資計(jì)算，投資回收期大約為3.7年。

表2 胡集站改造前后能耗對(duì)比

4 檢測(cè)情況

胡集站真空相變加熱爐自2013年底投用以來(lái)沒(méi)有做任何技術(shù)保養(yǎng)處理，為檢查確認(rèn)其性能，2017年3月，輸油處、徐州專(zhuān)業(yè)檢測(cè)公司和加熱爐制造廠家聯(lián)合對(duì)胡集站在用真空相變加熱爐進(jìn)行了全面檢測(cè)。對(duì)筒體、爐膽、煙管、換熱管、排煙口壁厚進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)差值小于0.2 mm，基本沒(méi)有腐蝕情況；管徑、橢圓度、脹粗度、彎曲度均沒(méi)有異常，水壓試驗(yàn)結(jié)果符合設(shè)備技術(shù)和工藝要求；得益于其密閉真空設(shè)計(jì)，鍋爐水在爐體內(nèi)循環(huán)，水質(zhì)檢測(cè)報(bào)告符合GB/T1576—2008《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于鍋爐給水的要求。

5 結(jié)論

真空相變爐在魏荊線的應(yīng)用取得了良好的效果，提高了加熱爐運(yùn)行的安全性，由直接加熱原油變成間接加熱，避免了爐管的低溫腐蝕，減少了維修費(fèi)用；爐效有了明顯提高，節(jié)能效果顯著；實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制與調(diào)節(jié)，為實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守打下技術(shù)基礎(chǔ)。