提高加熱爐效率措施及改造思路

王麒 田園（.大慶油田有限責(zé)任公司第七采油廠；.大慶油田電力工程設(shè)計(jì)院）

提高加熱爐效率措施及改造思路

王麒1田園2（1.大慶油田有限責(zé)任公司第七采油廠；2.大慶油田電力工程設(shè)計(jì)院）

油田加熱系統(tǒng)是油田的耗能大戶，提高加熱爐的效率是實(shí)施油田節(jié)能戰(zhàn)略的關(guān)鍵。油田開發(fā)20余年，由于產(chǎn)能遞減，早期安裝的加熱爐部分出現(xiàn)負(fù)荷偏低、加熱效率下降、腐蝕結(jié)垢嚴(yán)重等問題，因此，探討加熱系統(tǒng)的特點(diǎn)及尋求對(duì)應(yīng)的效率措施成為當(dāng)下油田必須實(shí)行的重要任務(wù)。結(jié)合加熱系統(tǒng)現(xiàn)狀，對(duì)影響加熱爐效率的因素進(jìn)行分析，通過對(duì)近年在油田加熱爐所采用的提高爐效措施的探討和總結(jié)，對(duì)加熱爐提高爐效潛力及技術(shù)的應(yīng)用提出初步思路。

加熱爐 提高效率 措施 技術(shù)改造

1 加熱爐運(yùn)行現(xiàn)狀

目前，大慶油田第七采油廠建有各類燃?xì)饧訜嵫b置140臺(tái)，其中加熱爐127臺(tái)，鍋爐13臺(tái)，包括有管式加熱爐（高效爐）、火筒式直接加熱爐（二合一、四合一、五合一、脫水加熱爐、水套爐）、真空加熱爐及鍋爐等（表1、表2）。

表1 加熱爐分類統(tǒng)計(jì)

表2 鍋爐分類統(tǒng)計(jì)

2 影響加熱爐效率因素分析

加熱爐是油田的主要耗能設(shè)備。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，七廠2009年全年消耗能量14.23×104t（標(biāo)煤），其中油田生產(chǎn)用氣為4 937×104m3，折合標(biāo)煤為6.57×104t，占總能耗的46.2%，而生產(chǎn)用氣的90%以上是集輸系統(tǒng)消耗使用。因此，盡可能地提高加熱爐的效率是油田節(jié)能的重要目標(biāo)之一。

根據(jù)加熱爐燃燒器結(jié)構(gòu)分類，確定加熱爐系統(tǒng)效率為79%～83.5%（表3）。

表3 各類加熱爐系統(tǒng)效率目標(biāo)

2011年第二季度全廠加熱爐平均系統(tǒng)效率為83.09%，其中真空加熱爐平均系統(tǒng)效率87.43%，自動(dòng)燃燒器加熱爐的平均系統(tǒng)效率82.42%，高效爐平均系統(tǒng)效率70.25%，只有高效爐的平均系統(tǒng)效率沒有達(dá)到目標(biāo)要求（表4、表5）。

表4 二季度全廠加熱爐爐效統(tǒng)計(jì)

表5 二季度全廠各類加熱爐爐效統(tǒng)計(jì)

造成部分加熱爐爐效偏低的因素主要有以下幾個(gè)方面。

2.1 部分加熱爐使用時(shí)間較長，加熱爐損耗較大，熱效率較低

據(jù)統(tǒng)計(jì)，加熱爐中運(yùn)行時(shí)間在11年以上的有59臺(tái)，占集輸系統(tǒng)加熱爐總數(shù)的47.2%，其中火筒爐42臺(tái)，占該部分加熱爐的71.1%。該部分加熱爐經(jīng)過長時(shí)間的運(yùn)行，普遍存在火筒及煙管腐蝕老化嚴(yán)重，各類故障發(fā)生頻率高，導(dǎo)致加熱爐損耗較大，爐效偏低（表6）。

表6 加熱爐運(yùn)行時(shí)間統(tǒng)計(jì)

2.2 無法保證加熱爐的運(yùn)行狀態(tài)達(dá)到最佳

1）部分加熱爐的參數(shù)設(shè)置不合理，空氣過剩系數(shù)大，帶走的熱量也大，加熱爐效率低；空氣過剩系數(shù)小，燃料不能充分燃燒，加熱爐效率低。大部分加熱爐燃燒器屬于自動(dòng)控制，只能依靠廠家調(diào)設(shè)，導(dǎo)致不能及時(shí)調(diào)整合理的燃?xì)馀浔龋绊懥思訜釥t的效率。

2）個(gè)別加熱爐排煙溫度過高時(shí)，由于缺乏加熱爐檢測儀器及相關(guān)的技術(shù)人員，不能及時(shí)調(diào)節(jié)煙道擋板，影響了加熱爐的效率。

3）由于加熱爐工況的特殊性決定其需要定期維護(hù)保養(yǎng)，其中對(duì)燃燒器火嘴的維護(hù)工作是保證加熱爐燃燒效果的重要環(huán)節(jié)，尤其是使用濕氣的加熱爐燃燒器火嘴，長時(shí)間運(yùn)行火嘴容易結(jié)焦或腐蝕，如不及時(shí)清理或維修，必然會(huì)導(dǎo)致燃燒效果差，甚至偏燒，影響加熱爐的系統(tǒng)效率，同時(shí)造成能源浪費(fèi)。

2.3 部分加熱爐熱負(fù)荷偏低，導(dǎo)致熱效率降低

系統(tǒng)投產(chǎn)至今，由于產(chǎn)能的下降，導(dǎo)致部分加熱爐低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。比如葡二聯(lián)合站地區(qū)，建設(shè)時(shí)間從1989年至1999年不等，改造前只有9#轉(zhuǎn)油站近滿負(fù)荷運(yùn)行，其余轉(zhuǎn)油站的負(fù)荷率在42.5%～88.1%，負(fù)荷率較低（表7）。

表7 葡二聯(lián)合站地區(qū)轉(zhuǎn)油站負(fù)荷現(xiàn)狀

2.4 加熱爐結(jié)垢導(dǎo)致熱效率降低，燃料及運(yùn)行成本增加

根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)介紹，如果油田加熱爐換熱面平均結(jié)垢1～5 mm，燃料至少多消耗3.4%～28.1%，若再加上軟垢部分，燃料至少多消耗5%～30%。一般情況下，加熱爐全年均處于運(yùn)行或備用狀態(tài)，很少開爐檢查除垢，再加上二合一加熱爐的加熱介質(zhì)較為惡劣，導(dǎo)致長期運(yùn)行后加熱爐結(jié)垢嚴(yán)重，影響傳熱效果。同時(shí)，加熱爐結(jié)垢導(dǎo)致加熱介質(zhì)吸收熱量的能力大大降低，剩余的熱量通過煙氣散發(fā)到大氣中，使加熱爐的熱效率降低，造成能源的大量浪費(fèi)。為保證加熱介質(zhì)的出口溫度，必須加大燃?xì)庥昧?，這樣就會(huì)使火管壁溫升得更高，同時(shí)燃料浪費(fèi)也越來越多，形成了惡性循環(huán)。

2.5 部分老式加熱爐受工藝技術(shù)條件限制，加熱爐效率普遍偏低

14#中轉(zhuǎn)站共有高效爐3臺(tái)，平均排煙溫度200℃以上，冬季達(dá)到280℃以上，平均爐效始終維持在71%以下。由于高效爐的火焰直接加熱爐管中的生產(chǎn)介質(zhì)，加熱溫差大，溫升快，管壁易結(jié)垢，且結(jié)垢層分布不均勻，導(dǎo)致管壁局部過熱，嚴(yán)重影響加熱爐的換熱能力。熱量通過煙氣散發(fā)到大氣中，在造成能量浪費(fèi)的同時(shí)，加熱爐的熱效率降低。

另外，還有6臺(tái)水套爐，爐效在71%～84%不等，平均爐效為77%左右。水套爐具有操作簡便、安全、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，符合油田早期開發(fā)對(duì)加熱爐的要求，但是水套爐的熱效率較低，隨著油田生產(chǎn)管理逐步走向精細(xì)化,水套爐已不符合生產(chǎn)低成本、低能耗的要求（表8）。

表8 現(xiàn)有水套爐基本情況

3 提高加熱爐效率的措施

3.1 加強(qiáng)加熱爐日常運(yùn)行管理制度

1）明確加熱爐收油時(shí)間、倒?fàn)t時(shí)間、停爐檢查部位、運(yùn)行溫度等具體要求。確定日常管理的重點(diǎn)和程序，保證加熱爐運(yùn)行在良好工況，均衡使用加熱爐設(shè)備，避免單一過度使用造成設(shè)備疲勞。

2）反復(fù)巡查加熱爐附屬設(shè)備的運(yùn)行狀況，及時(shí)清理或維修加熱爐的運(yùn)行故障，如避免火嘴結(jié)焦或腐蝕導(dǎo)致燃燒效果差，甚至偏燒。

3）加熱爐實(shí)行分級(jí)管理模式，通過加熱爐日常分級(jí)管理進(jìn)行異常狀況控制。明確崗位、隊(duì)(站)、礦、廠的工作職責(zé)，做到層層負(fù)責(zé)、層層把關(guān)，控制異常狀況出現(xiàn)[1]。

4）明確加熱爐運(yùn)行操作技術(shù)界限，明確加熱爐啟爐、停爐操作規(guī)程，明確提溫、降溫等操作的具體方法和完成時(shí)間。

3.2 對(duì)服役期在15年以上加熱爐進(jìn)行改造或維修

對(duì)老化嚴(yán)重、故障較多、效率偏低的加熱爐，原計(jì)劃“十二五”期間進(jìn)行分批更換，由于加熱爐的整體更換需要油田公司鍋爐檢驗(yàn)所提供加熱爐檢測報(bào)告，只有經(jīng)檢測不能滿足安全要求的加熱爐才能更換，難度較大，只能考慮對(duì)爐效偏低的加熱爐進(jìn)行局部改造或維修。

3.3 對(duì)老式加熱爐進(jìn)行技術(shù)改造

真空加熱爐采用真空相變換熱技術(shù)，充分利用汽、液相變潛熱的熱量，其換熱過程首先是利用真空控制閥把加熱爐頂部空間抽成真空，水作為傳熱介質(zhì)吸收燃料燃燒供給的汽化熱蒸發(fā)，由此形成負(fù)壓，水蒸汽在氣相空間與換熱盤管進(jìn)行換熱，蒸汽在釋放熱量后冷凝成液滴回落至液相空間。換熱如此不斷循環(huán)往復(fù)地吸熱蒸發(fā)、放熱冷凝，形成動(dòng)態(tài)熱平衡。目前油田使用的真空加熱爐普遍爐效較高。

針對(duì)3臺(tái)高效爐及6臺(tái)水套爐存在的熱損失大、爐效較低的問題,可以把高效爐及水套爐改造為真空加熱爐，燃燒器更換為漏液檢測燃燒器。參照現(xiàn)有加熱爐的效率（87.43%），改造后加熱爐熱效率提高了7%～15%。

3.4 對(duì)加熱爐及時(shí)清淤除垢，改善加熱爐的傳熱

效果

1）加熱爐個(gè)性化清淤。如果加熱爐煙火管上的硬垢、軟垢和泥沙等雜質(zhì)的累積厚度達(dá)到7～8 mm時(shí)，則很難保證加熱裝置的熱效率和安全生產(chǎn)。因此，除定期清污外，重點(diǎn)加強(qiáng)投運(yùn)新井區(qū)塊、加熱爐易損區(qū)塊的加熱爐清淤，實(shí)施個(gè)性化清淤制度。

2）應(yīng)用效果好的防垢除垢設(shè)備，解決加熱爐結(jié)垢快的生產(chǎn)難題。2008年在葡北1#轉(zhuǎn)油站1#、2#、3#二合一加熱爐應(yīng)用了高頻震蕩除垢防垢技術(shù)，使用3個(gè)月后，發(fā)現(xiàn)爐壁以及堰板前端結(jié)垢已基本去除，煙火管下部垢已大部分除去或脫落，上部也僅留下用手可輕易大片揭下的黑灰色含砂塊狀物，除垢效果較好，可應(yīng)用推廣。

3）真空加熱爐加強(qiáng)空穴射流技術(shù)的推廣。該技術(shù)通過放入管路中的清洗器的金屬葉片產(chǎn)生高頻震蕩，清洗器被急速旋轉(zhuǎn)的渦流所包圍，形成連續(xù)移動(dòng)的低壓區(qū)，該區(qū)域的流水始終呈汽化狀態(tài)，由此產(chǎn)生的細(xì)微氣泡又迅速被壓縮直至崩裂，瞬時(shí)激射出強(qiáng)力的微射流，無數(shù)的微射流會(huì)聚成沖擊波，徹底粉碎沉積物。

4）二合一加熱爐采用高壓水射流等清洗技術(shù)。利用高壓泵的高流速射流沖擊物體表面的垢層或沉積物使其粉碎，在噴射過程中被沖碎的污垢顆粒夾在射流中，能夠幫助沖擊更多的污垢顆粒，加速污垢的清除。該技術(shù)采用的射流介質(zhì)是水，對(duì)環(huán)境無污染，壓力參數(shù)可以自由選擇，不會(huì)造成爐體傷害，清洗徹底，效率高。

3.5 使用高效節(jié)能燃燒器，安裝高溫檢測裝置

近年來，在老油田改造工程、安全隱患工程中對(duì)加熱爐燃燒系統(tǒng)進(jìn)行了改造。目前，油田仍有16臺(tái)加熱爐安裝的均是普通燃燒器，而高效節(jié)能燃燒器能夠依據(jù)加熱爐進(jìn)出口溫度或爐膛溫度的檢測控制燃料氣流量，并對(duì)燃燒的燃料/空氣混合比進(jìn)行調(diào)節(jié)，降低了人為因素對(duì)燃燒的影響，大幅度提高了加熱爐效率。2011年將23臺(tái)存在故障、腐蝕老化的燃燒器更換為防漏液保護(hù)燃燒器，“十二五”期間將按計(jì)劃對(duì)剩余存在故障的燃燒器進(jìn)行更換，普通燃燒器也將逐年更換，提高加熱爐的效率。

加熱爐在運(yùn)行過程中的爐效并不是單純地與火管溫度成正比，如果加熱爐的溫度過高，不但容易造成加熱爐火管燒壞而存在安全隱患，同時(shí)將導(dǎo)致排煙溫度增大，直接影響加熱爐的系統(tǒng)效率。在加熱爐上安裝高溫檢測裝置，用于檢測加熱爐火管的表面溫度；當(dāng)火管溫度超過其設(shè)定溫度(475℃)時(shí)，爐管高溫檢測裝置會(huì)自動(dòng)降低加熱爐的燃?xì)饬浚_保加熱爐火管不被燒壞，保證加熱爐運(yùn)行良好、爐效平穩(wěn)。

3.6 采用超導(dǎo)液替代傳熱介質(zhì)——水，提高真空

爐效率

超導(dǎo)液是一種淡黃色透明液體，無毒、不揮發(fā)、無腐蝕、不結(jié)垢、-40℃不結(jié)冰、沸點(diǎn)低的有機(jī)化合物，pH值為7.9，其余指標(biāo)與水接近。超導(dǎo)液與水相比有不同的特性：

1）沸點(diǎn)比較低。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，超導(dǎo)液的沸點(diǎn)為55℃，水的沸點(diǎn)是100℃。加熱相同單位體積的介質(zhì)時(shí)，超導(dǎo)液所需要的熱量僅為加熱水的熱量的45%。由于超導(dǎo)液沸點(diǎn)較低，不需用太大火燃燒就可滿足油田生產(chǎn)要求，爐膛溫度得到了有效降低，減少了加熱爐因煙火管燒損的幾率。

2）汽化溫度高、傳熱快。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，水蒸氣的溫度為100℃，而超導(dǎo)液汽化后溫度可達(dá)160℃。

3）汽化潛熱值高。達(dá)到100℃時(shí)，超導(dǎo)液汽化潛熱為3 290 J/kg，水的汽化潛熱為2 257 J/kg，比水高1 033 J/kg[2]。

應(yīng)用超導(dǎo)液替代真空加熱爐的傳熱介質(zhì)——水，可改變真空爐運(yùn)行狀況，提高真空爐效率，降低能耗。由于超導(dǎo)液自身特性，無毒、不揮發(fā)、無腐蝕、不結(jié)垢、-40℃不結(jié)冰，對(duì)爐體本身是一種保護(hù)；在冬季加熱爐停運(yùn)時(shí)，不用將爐體液體介質(zhì)外排，可防凍。根據(jù)調(diào)查，其他油田應(yīng)用超導(dǎo)液后爐效平均提高6%，可以考慮在部分爐效偏低的真空加熱爐上試驗(yàn)應(yīng)用。

3.7 涂刷高效節(jié)能涂料，改善加熱爐火管的輻射傳熱效率

在加熱爐的輻射受熱面上涂刷耐高溫紅外線節(jié)能涂料可以增強(qiáng)受熱面的輻射吸收率，并且紅外波涂層反復(fù)多次吸收并轉(zhuǎn)化為內(nèi)能傳遞，自身成為紅外輻射熱源，增強(qiáng)了受熱面吸收輻射熱量的能力。輻射面溫度提高，吸收的熱量能夠透過火筒最大限度地傳遞給加熱爐內(nèi)的流體介質(zhì)，通過增強(qiáng)加熱爐火筒的吸熱、傳熱效果，達(dá)到提高加熱爐效率的目的。

2009年，對(duì)爐效偏低、缺氣較嚴(yán)重地區(qū)的45臺(tái)加熱爐開展了該技術(shù)的應(yīng)用推廣。通過計(jì)算加熱爐涂刷節(jié)能涂料前后1 m3工質(zhì)升溫1℃耗氣量，涂刷后加熱爐平均節(jié)氣率提高9.15%左右。

4 下一步改造思路

通過以上的分析，集輸系統(tǒng)加熱爐在提高爐效方面仍有一定的改善空間。

1）從加熱爐的現(xiàn)狀調(diào)查來看，加熱爐低負(fù)荷運(yùn)行的情況較為嚴(yán)重。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，摻水加熱爐負(fù)荷一般在60%～80%，部分達(dá)到34%～50%。當(dāng)2臺(tái)和2臺(tái)以上同類型加熱爐低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，可以合并為1臺(tái)使用，在保證生產(chǎn)參數(shù)正常的條件下，使加熱爐在高負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行。

2）對(duì)于油田內(nèi)老區(qū)塊由于產(chǎn)能下降較大造成的低負(fù)荷運(yùn)行情況，如果有產(chǎn)能加密或調(diào)整項(xiàng)目，可以在產(chǎn)能或改造項(xiàng)目中使用熱效率高的加熱爐。

3）油田內(nèi)的水套爐可以進(jìn)行負(fù)壓真空加熱技術(shù)改造，將水套爐改造為真空加熱爐，這樣既延緩了老加熱爐的使用壽命，又提高了熱效率。

4）引進(jìn)可靠耐用的自動(dòng)控制燃燒技術(shù)，完善現(xiàn)有加熱爐的自控檢測技術(shù)，減少人為因素造成的低效高耗使用。部分早期安裝的加熱爐由于控制元件老化或本身的質(zhì)量問題，存在燃燒不好的情況，對(duì)于這些燃燒器，今后可以逐步更新或聯(lián)系廠家升級(jí)改造。

5）加熱爐運(yùn)行中要根據(jù)實(shí)際工況及時(shí)進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)，自動(dòng)調(diào)節(jié)存在故障的及時(shí)聯(lián)系廠家維修。

6）做好油田在用加熱爐運(yùn)行情況調(diào)查，為今后幾年加熱爐的改造及維護(hù)做好數(shù)據(jù)及資料準(zhǔn)備。

7）繼續(xù)開展加熱爐除垢技術(shù)研發(fā)與推廣工作，加緊跟進(jìn)與應(yīng)用高壓射流清洗、低功耗高頻振蕩除防垢、超導(dǎo)液、節(jié)能涂料等新型技術(shù)。

[1]徐巍,曾黎.加熱爐綜合治理及防護(hù)技術(shù)應(yīng)用[C]//大慶油田有限責(zé)任公司2009年地面工程論文集（優(yōu)化簡化組）,大慶,2009：296.

[2]楊軍杰.超導(dǎo)液在真空加熱爐的應(yīng)用[C]//大慶油田有限責(zé)任公司2009年地面工程論文集（節(jié)能降耗組）,大慶,2009：176.

10.3969/j.issn.2095-1493.2011.10.014

王麒，2010年畢業(yè)于東北石油大學(xué)，技術(shù)員，從事地面技術(shù)管理工作，E-mail：wangqi@petrochina.com.cn，地址：大慶油田第七采油廠規(guī)劃設(shè)計(jì)研究所，163517。

2011-09-20)