氣田加熱爐節(jié)能提效技術(shù)研究

宮立明（大慶油田有限責(zé)任公司采氣分公司（儲(chǔ)氣庫(kù)分公司））

隨著氣田開發(fā)不斷深入，現(xiàn)有氣田生產(chǎn)工藝耗能節(jié)點(diǎn)、運(yùn)行參數(shù)等隨生產(chǎn)負(fù)荷改變出現(xiàn)較大變化，耗能設(shè)備負(fù)荷率、熱效率降低，造成能量利用率低、能耗偏高，氣田能耗管理難度逐漸加大，生產(chǎn)管理成本增加。氣田主要消耗能源為天然氣，占能源消耗總量的90%以上，其中又以加熱爐消耗天然氣量最多，占天然氣消耗量的80%。因此有必要開展進(jìn)行加熱爐能效評(píng)價(jià)、節(jié)能降耗技術(shù)研究，開展加熱爐提效研究，提高天然氣利用水平，挖掘節(jié)能潛力，降低氣田綜合能耗，實(shí)現(xiàn)氣田節(jié)能減排、經(jīng)濟(jì)開發(fā)[1]。

1 氣田加熱爐存在的問(wèn)題

某氣田在用加熱爐830臺(tái)，主要有水套爐、熱媒爐、相變爐等。其中：使用15 a以上的有259臺(tái)（占總數(shù)的31.24%），使用10 a以上的有383臺(tái)（占總數(shù)的46.11%）；而集團(tuán)公司使用年限超過(guò)使用壽命的加熱爐有35.0%左右。使用年限長(zhǎng)的加熱爐存在換熱面結(jié)垢嚴(yán)重，運(yùn)行熱效率遠(yuǎn)低于投產(chǎn)時(shí)熱效率等問(wèn)題，部分加熱爐爐效只有60%左右，主要原因是隨著生產(chǎn)工況變化，加熱爐實(shí)際運(yùn)行工況與加熱爐滿負(fù)荷工況距離較大，運(yùn)行負(fù)荷率低，導(dǎo)致熱效率低[2-3]。

1.1 加熱爐應(yīng)用存在的問(wèn)題

通過(guò)對(duì)氣田379臺(tái)加熱爐進(jìn)行節(jié)能監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)，綜合不合格64臺(tái)，占監(jiān)測(cè)總數(shù)量的17.15%。

其中：排煙溫度不合格33臺(tái)，占總數(shù)量的8.71%；空氣系數(shù)不合格28臺(tái)，占總數(shù)量的7.39%；熱效率不合格28臺(tái)，占總數(shù)量的7.39%。

不合格加熱爐原因：有10臺(tái)加熱爐排煙溫度和熱效率不合格，加熱爐熱效率不合格主要原因是排煙溫度過(guò)高，導(dǎo)致排煙熱損失過(guò)大；有13臺(tái)加熱爐空氣系數(shù)和熱效率不合格，影響這些加熱爐熱效率的主要原因是空氣系數(shù)過(guò)大，導(dǎo)致氣體不完全燃燒損失和排煙熱損失過(guò)大；有9臺(tái)加熱爐排煙溫度和空氣系數(shù)不合格，影響這些加熱爐排煙溫度過(guò)高是配風(fēng)量過(guò)大導(dǎo)致。其中有12臺(tái)加熱爐單項(xiàng)熱效率指標(biāo)不合格，經(jīng)分析這些加熱爐的運(yùn)行熱負(fù)荷率平均為29.26%，遠(yuǎn)低于額定熱負(fù)荷，這些加熱爐熱效率過(guò)低是由于熱負(fù)荷率較低導(dǎo)致。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)氣田加熱爐運(yùn)行過(guò)程中存在以下問(wèn)題：被加熱天然氣成分復(fù)雜、潔凈度差。在氣田生產(chǎn)過(guò)程中，加熱爐存在內(nèi)部換熱面淤積、結(jié)垢問(wèn)題，換熱量大幅降低，運(yùn)行指標(biāo)差；燃燒器簡(jiǎn)易，從技術(shù)上無(wú)法精細(xì)調(diào)節(jié)配風(fēng)；產(chǎn)量遞減、參數(shù)調(diào)整等工況變化或季節(jié)更替，造成負(fù)荷率較低；加熱爐都是安裝在露天環(huán)境，生產(chǎn)負(fù)荷狀況隨時(shí)變化，很難做到現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)時(shí)時(shí)調(diào)整。

1.2 存在問(wèn)題分析及建議

排煙溫度不合格分析及建議。排煙熱損失主要受排煙溫度和空氣系數(shù)的影響，是空氣系數(shù)和排煙溫度的函數(shù)。在空氣系數(shù)一定的情況下，排煙熱損失與排煙溫度呈現(xiàn)二次函數(shù)關(guān)系，排煙溫度越高，排煙熱損失越大；在排煙溫度一定的條件下，排煙熱損失與空氣系數(shù)是一次函數(shù)關(guān)系，空氣系數(shù)越大，排煙熱損失越大[4]?？諝庀禂?shù)與排煙熱損失關(guān)系見(jiàn)圖1。

隨著空氣系數(shù)的增加，排煙熱損失增加的速率大于空氣系數(shù)增加的速率，排煙溫度越高越明顯。當(dāng)排煙溫度一定時(shí)，排煙熱損失與空氣系數(shù)大致呈線性關(guān)系。排煙溫度降低20～30℃，熱效率提高1%。合理的排煙溫度為：高出露點(diǎn)溫度20～30℃。

圖1 空氣系數(shù)與排煙熱損失關(guān)系Fig.1 Relationship between air coefficient and heat loss of exhaust smoke

監(jiān)測(cè)的加熱爐中，共有33臺(tái)加熱爐排煙溫度不合格，占總測(cè)試數(shù)量的9.5%。其中排煙溫度值與指標(biāo)值（限定值）差10℃以內(nèi)的13臺(tái)，該部分加熱爐調(diào)整運(yùn)行參數(shù)，排煙溫度就達(dá)到合格；其中排煙溫度值與指標(biāo)值（限定值）差大于50℃以內(nèi)的6臺(tái)，該部分加熱爐是節(jié)能分析的重點(diǎn)對(duì)象。

因此該部分加熱爐需要注意排煙溫度的控制，從以下方面分析：

1）加熱爐運(yùn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，爐內(nèi)有結(jié)垢現(xiàn)象，導(dǎo)致傳熱系數(shù)下降，熱量不能有效被加熱介質(zhì)吸收。需定期對(duì)加熱爐對(duì)流段進(jìn)行清灰、清垢等管理工作。對(duì)于結(jié)垢比較嚴(yán)重的加熱爐，可安裝刮板機(jī)械式自動(dòng)除防垢加熱裝置、電磁除垢裝置、電脈沖除垢裝置等。

2）對(duì)于排煙溫度過(guò)高的加熱爐可以采用煙氣余熱回收技術(shù)，如板式空氣預(yù)熱器等。通過(guò)對(duì)煙氣余熱進(jìn)行回收用于預(yù)熱進(jìn)爐空氣，空氣溫度每提高15～20℃，加熱爐熱效率提高約一個(gè)百分點(diǎn)。但排煙溫度也不宜過(guò)低（不低于露點(diǎn)），否則易在加熱爐尾部產(chǎn)生滴水現(xiàn)象，產(chǎn)生受熱面腐蝕問(wèn)題[5-6]。

3）采用遠(yuǎn)紅外耐高溫輻射涂料。將涂料涂刷在加熱爐火管內(nèi)壁，受熱可發(fā)射遠(yuǎn)紅外線，將熱能轉(zhuǎn)換成遠(yuǎn)紅外輻射能，穿透管壁直接作用于被加熱介質(zhì)，使其迅速升溫，從而提高傳熱效果，降低排煙溫度；還可將涂料涂刷在管式加熱爐內(nèi)壁上，通過(guò)涂料涂層改善爐內(nèi)熱交換、提高爐膛內(nèi)溫度場(chǎng)強(qiáng)及均勻性、使燃料燃燒更充分，提高加熱爐熱效率，削弱爐墻表面?zhèn)鳠幔岣吣突鸩牧闲阅?，延長(zhǎng)爐體內(nèi)襯使用年限[7]。

2 空氣系數(shù)不合格分析及建議

監(jiān)測(cè)的加熱爐中，空氣系數(shù)不合格28臺(tái)，占總監(jiān)測(cè)數(shù)量的7.39%。針對(duì)空氣系數(shù)不合格問(wèn)題，從以下方面分析：

1）檢查現(xiàn)用配風(fēng)裝置，檢驗(yàn)配風(fēng)效果，針對(duì)加熱爐的類型和參數(shù)，合理選擇配風(fēng)比，也可以采用調(diào)節(jié)靈活、配風(fēng)精確合理、抗干擾性能好的產(chǎn)品。如采用全自動(dòng)高效燃燒器，可減少運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)燃燒空氣不足或過(guò)?，F(xiàn)象，提高燃燒效率[8]。還可以采用膜法富氧燃燒裝置，利用空氣中氧氣和氮?dú)馔ㄟ^(guò)富氧膜時(shí)滲透率不同，在壓差驅(qū)動(dòng)下得到富氧空氣。該裝置把膜法富氧發(fā)生器與加熱爐燃燒器結(jié)合在一起，提高了火焰溫度和熱量利用率，降低了空氣過(guò)量系數(shù)，減少了排煙損失[9]。

2）定期清理火嘴，加熱爐燃燒器火嘴的工作條件比較惡劣，長(zhǎng)期受爐膛高溫輻射和火焰沖刷，容易造成變形和損壞?；鹱扉L(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)結(jié)垢、結(jié)焦，從而引起燃燒不穩(wěn)定的現(xiàn)象，燃燒效率降低。

3 加熱爐節(jié)能技改措施

加熱爐運(yùn)行效率的高低直接影響氣田總的能耗水平及節(jié)能減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。采取一定的節(jié)能技改措施使加熱爐各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到合格時(shí)，可實(shí)現(xiàn)的節(jié)能目的。主要是從降低排煙溫度及空氣系數(shù)方面進(jìn)行加熱爐節(jié)能改造，針對(duì)加熱爐運(yùn)行過(guò)程中存在的問(wèn)題，主要采取以下措施：

1）智能燃燒控制技術(shù)。氣田井口及計(jì)量站加熱爐大量采用自然引風(fēng)（大氣）式燃燒器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，燃?xì)饪刂萍罢{(diào)風(fēng)控制采用人工手動(dòng)調(diào)節(jié)閥門控制；此工藝不能準(zhǔn)確調(diào)節(jié)空燃比，在點(diǎn)火過(guò)程中，燃?xì)饪諝馀浔炔划?dāng)，存在閃爆風(fēng)險(xiǎn)。配風(fēng)的過(guò)量空氣系數(shù)直接影響排煙熱損失和熱效率：過(guò)量空氣系數(shù)過(guò)大，爐膛溫度下降，鼓風(fēng)機(jī)電耗增加、排煙體積和排煙熱損失增加，鍋爐效率下降；過(guò)量空氣系數(shù)過(guò)小，燃料不能完全燃燒。統(tǒng)計(jì)表明，過(guò)量空氣系數(shù)每增加0.1～0.2，鍋爐效率降低0.2%～0.5%。

采用智能燃燒控制技術(shù)可實(shí)現(xiàn)燃料與配風(fēng)分別獨(dú)立控制，通過(guò)變頻控制風(fēng)機(jī)運(yùn)行，控制部分均采用數(shù)字化控制，精度高。同時(shí)對(duì)燃燒尾氣氧含量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并實(shí)時(shí)把測(cè)量值反饋給控制器，控制器實(shí)時(shí)根據(jù)測(cè)量結(jié)果與理想燃燒曲線進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)對(duì)比的結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化空氣/燃料的輸出配比，對(duì)影響燃燒的各種因素進(jìn)行有效補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣系數(shù)的精確控制和動(dòng)態(tài)調(diào)整，避免燃料氣壓力波動(dòng)而影響配比控制。應(yīng)用該技術(shù)后熱效率約提升4.4%，靜態(tài)投資回收期1.6 a左右，萬(wàn)元投資節(jié)能量約6.7 tce/萬(wàn)元（包括燃燒器）。

2）板式空氣預(yù)熱器。其原理是利用板式空氣預(yù)熱器回收煙氣余熱，提高助燃空氣的溫度。板式空氣預(yù)熱器由許多相互平行的板單元組成，煙氣與空氣在板間交錯(cuò)流動(dòng)換熱[10]。板單元可以是平板，也可以是沖壓成各種形狀的波紋板，板材質(zhì)可根據(jù)煙氣溫度及煙氣腐蝕情況進(jìn)行選擇。實(shí)施該技術(shù)后熱效率大約提升4%，萬(wàn)元投資節(jié)能量約6.6 tce/萬(wàn)元，投資回收期1 a左右，有效使用年限8 a左右。

3）冷凝式煙氣余熱回收技術(shù)。冷凝式煙氣余熱回收器是引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的煙氣余熱回收技術(shù)，該產(chǎn)品安裝在加熱爐尾部煙道上，回收煙氣顯熱及部分潛熱，加熱原油、天然氣、水等工質(zhì)，將排煙溫度降至90℃以下，提高加熱爐效率。冷凝煙氣余熱回收器被國(guó)家質(zhì)監(jiān)總局列為首批重點(diǎn)推薦的節(jié)能產(chǎn)品。關(guān)鍵技術(shù)：采用特殊的流場(chǎng)設(shè)計(jì)，低阻力結(jié)構(gòu)，不需要另外增加引風(fēng)機(jī)等輔機(jī)，不需要增加額外的能耗。應(yīng)用此技術(shù)后，熱效率約提升9%，靜態(tài)投資回收期2.4 a左右，萬(wàn)元投資節(jié)能量約2.8 tce/萬(wàn)元，有效使用年限10 a左右。

4）無(wú)機(jī)傳熱技術(shù)。無(wú)機(jī)傳熱技術(shù)是由放在密封的真空容器中的若干種無(wú)機(jī)鹽配制成無(wú)機(jī)材料，無(wú)機(jī)鹽接觸到熱量激發(fā)出的微粒進(jìn)行高速運(yùn)動(dòng)并相互碰撞，實(shí)現(xiàn)快速、高效傳熱，實(shí)現(xiàn)極低熱量損耗及傳遞溫度損失低。無(wú)機(jī)傳熱技術(shù)是傳統(tǒng)熱管技術(shù)升級(jí)，制成的高效熱管可有效提高加熱爐換熱效率。應(yīng)用該技術(shù)后，熱效率平均提升約5%，靜態(tài)投資回收期5.2 a左右，萬(wàn)元投資節(jié)能量約1.28 tce/萬(wàn)元，有效使用年限6 a左右。

截止到2020年，通過(guò)對(duì)加熱爐進(jìn)行節(jié)能技術(shù)改造及采用措施，共減少天然氣消耗1 590.3×104m2，實(shí)現(xiàn)節(jié)能21 150.99 t標(biāo)煤，減少二氧化碳排放34 385.31 t，加熱爐節(jié)能技術(shù)改造及應(yīng)用效果情況見(jiàn)表1。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)加熱爐進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及試驗(yàn)研究，對(duì)加熱爐排煙溫度和空氣系數(shù)不合格的原因進(jìn)行了分析，針對(duì)主要影響因素采用有效節(jié)能技術(shù)手段可有效提升加熱爐熱效率，解決設(shè)備低效問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排；采用智能燃燒控制技術(shù)可實(shí)現(xiàn)燃料與配風(fēng)分別獨(dú)立控制，通過(guò)變頻控制風(fēng)機(jī)運(yùn)行，控制部分均采用數(shù)字化控制，精度高，應(yīng)用該技術(shù)后熱效率約提升4.4%，靜態(tài)投資回收期1.6 a左右，萬(wàn)元投資節(jié)能量約6.7 tce/萬(wàn)元（包括燃燒器）；利用板式空氣預(yù)熱器回收煙氣余熱，提高助燃空氣的溫度。實(shí)施該技術(shù)后熱效率大約提升4%，萬(wàn)元投資節(jié)能量約6.6 tce/萬(wàn)元，投資回收期1 a左右，有效使用年限8 a左右；利用冷凝式煙氣余熱回收技術(shù)熱效率約提升9%，靜態(tài)投資回收期2.4 a左右，萬(wàn)元投資節(jié)能量約2.8 tce/萬(wàn)元，有效使用年限10 a左右；通過(guò)無(wú)機(jī)傳熱技術(shù)熱效率平均提升約5%，靜態(tài)投資回收期5.2 a左右，萬(wàn)元投資節(jié)能量約1.28 tce/萬(wàn)元，有效使用年限6 a左右。

表1 加熱爐節(jié)能技術(shù)改造及應(yīng)用效果情況
Tab.1 Energy-saving technical transformation of heating furnace and its application results

項(xiàng)目名稱智能燃燒控制技術(shù)板式空氣預(yù)熱器冷凝式煙氣余熱回收技術(shù)無(wú)機(jī)傳熱技術(shù)合計(jì)改造數(shù)量/套40 35 45 30 150效率提高/%4.4 495—年實(shí)施后節(jié)能量104 m3 395.17 359.28 541.23 294.62 1 590.30折標(biāo)煤/t 5 255.76 4 778.42 7 198.36 3 918.45 21 150.99二氧化碳減排量/t 8 544.33 7 768.32 11 702.42 6 370.24 34 385.31

[1]仲耀龍，姚志光，王娟. 氣田地面系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整研究應(yīng)用與效果評(píng)價(jià)[J]. 中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2020（1）：121-122.

ZHONG Yaolong，YAO Zhiguang，WANG Juan. Application and effect evaluation of optimization and adjustment of gas field surface system[J]. China Petroleum and Chemical Industry Standards&quality，2020（1）：121-122.

[2]崔鵬. 油田加熱爐維修改造技術(shù)[J]. 設(shè)備管理與維修，2021（12）：70-71.

CUI Peng. Maintenance and modification technology of heating furnace in oilfield[J]. Equipment Management& Maintenance，2021（12）：70-71.

[3]王慶偉. 油田天然氣系統(tǒng)能耗控制措施探討[J]. 石油石化節(jié)能，2021（10）：31-33.

WANG Qingwei. Discussion on energy consumption control measures of natural gas system in oilfield[J]. Energy Conservation in Petroleum & Petrochemical Industry，2021（10）：31-33.

[4]馬強(qiáng)，張蕾，黃鶴楠. 加熱爐排煙溫度對(duì)效率影響的研究[J]. 石油和化工節(jié)能，2019（4）：24-30.

MA Qiang，ZHANG Lei，HUANG Henan. Study on the influence of flue gas temperature on the efficiency of reheating furnace[J]. Energy Conservation in Petroleum and Chemicals，2019（4）：24-30.

[5]包江，尹小靜，李鵬，等. 油氣集輸系統(tǒng)加熱爐熱效率影響因素及應(yīng)對(duì)措施[J]. 石化技術(shù)，2016（12）：290-291.

BAO Jiang，YIN Xiaojing，LI Peng，et al. Influence factors of heating furnace thermal efficiency in oil & gas gathering and transportation system and countermeasures[J]. Petrochemical Technology，2016（12）：290-291.

[6]陳鎮(zhèn)湘，龔振楠，金露. 油田二合一加熱爐熱效率分析及提效研究[J]. 化工安全與環(huán)境，2022（6）：19-24.

CHEN Zhenxiang，GONG Zhennan，JIN Lu. Study on thermal efficiency analysis and efficiency improvement of twoin-one heating furnace in oilfield[J]. Chemical Safety & Environment，2022（6）：19-24.

[7]崔曉冬. 提高常減壓加熱爐熱效率的技術(shù)改造研究[J]. 當(dāng)代化工研究，2021（12）：165-166.

CUI Xiaodong. Study on the improvement of thermal efficiency of atmospheric-vacuum furnace[J]. Research in Contemporary Chemical Engineering，2021（12）：165-166.

[8]溫孝斌. 國(guó)內(nèi)供熱節(jié)能中存在問(wèn)題與解決途徑[J]. 科技傳播化節(jié)能，2020（9）：105-106.

WEN Xiaobin. Problems and solutions in domestic heat supply and energy-saving[J]. Energy-saving Through Science and Technology Communication，2020（9）：105-106.

[9]楊?，? 提高煉油企業(yè)加熱爐熱效率的節(jié)能技術(shù)建議[J]. 石化技術(shù)，2021（3）：77-78.

YANG Ruiying. Suggestions on energy-saving technology for improving heating furnace efficiency in oil refining enterprises[J]. Petrochemical Technology，2021（3）：77-78.

[10]欒輝寶，陶文銓，朱國(guó)慶，等. 全焊接板式換熱器發(fā)展綜述[J]. 中國(guó)科學(xué)：技術(shù)科學(xué)，2013（9）：1020-1033.

LUAN Huibao，TAO Wenquan，ZHU Guoqing，et al. Review of the development of fully welded plate heat exchangers[J]. Chinese science：Technical Science，2013（9）：1020-1033.