加熱爐節(jié)能潛力分析

聶懷勇（大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠）

加熱爐節(jié)能潛力分析

聶懷勇（大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠）

目前，加熱爐年消耗天然氣占油田總能耗的2 5%左右，是油田的用能大戶，加熱爐能耗的高低直接影響到油田節(jié)能減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。因此，提高加熱爐熱效率、降低熱損失對(duì)提高經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益有著重要的意義。通過(guò)對(duì)影響加熱爐熱效率的因素進(jìn)行分析，找到了問(wèn)題的關(guān)鍵，并采取了針對(duì)性措施，取得了較好的節(jié)能效果。對(duì)5臺(tái)加熱爐進(jìn)行了試驗(yàn)，平均爐效由71.3%提高到81%，實(shí)現(xiàn)年節(jié)氣30.7×104m3。

加熱爐 熱效率 能耗 節(jié)能 潛力

隨著油田開(kāi)發(fā)進(jìn)入特高含水期，開(kāi)采成本日益增加，噸油成本大幅上升，能耗控制難度加大。在保證產(chǎn)量的同時(shí)，降低能源消耗、控制生產(chǎn)成本成為油田生產(chǎn)的主線，節(jié)能降耗成了提高油田經(jīng)濟(jì)效益及行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的一個(gè)重要途徑。油田生產(chǎn)能耗主要分為機(jī)械采油系統(tǒng)能耗、原油集輸系統(tǒng)能耗、注水注聚系統(tǒng)能耗等，其中原油集輸系統(tǒng)能耗占總能耗的比例約為70%，存在較大的節(jié)能空間。加熱爐作為原油集輸系統(tǒng)中的主要耗能設(shè)備，消耗著大量的一次能源，產(chǎn)生大量的廢熱，造成較大的熱污染和能源浪費(fèi)[1]。因此，能否提高加熱爐的熱效率，降低加熱爐能耗，成為油田節(jié)能降耗的關(guān)鍵所在。同時(shí)，研究加熱爐節(jié)能降耗技術(shù)，不僅節(jié)約能源，而且有利于環(huán)境保護(hù)，具有較好的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。

1 生產(chǎn)現(xiàn)狀

目前，油田用加熱爐主要應(yīng)用在中轉(zhuǎn)站內(nèi)的摻水、熱洗系統(tǒng)。隨著井?dāng)?shù)的增加及開(kāi)采方式的轉(zhuǎn)變，摻水、熱洗所需熱量仍居高不下，導(dǎo)致加熱爐能耗較大。加熱爐運(yùn)行年消耗天然氣約占油田總能耗的25%，是油田的用能大戶，加熱爐運(yùn)行效率的高低直接影響油田總的能耗水平及油田節(jié)能減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)[2]。油田用加熱爐存在的主要問(wèn)題是爐效低，熱損失大。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果顯示，加熱爐爐效平均為75%，低于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；排煙溫度平均為200℃，最高可達(dá)400℃；過(guò)剩空氣系數(shù)平均為2.68，遠(yuǎn)高于規(guī)范要求的1.25。因此，急需進(jìn)行加熱爐節(jié)能技術(shù)的研究及應(yīng)用，對(duì)加熱爐運(yùn)行狀況進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，以提高加熱爐熱效率、降低加熱爐熱損失。

2 節(jié)能潛力

針對(duì)加熱爐存在的問(wèn)題及現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況，對(duì)影響加熱爐熱效率的因素進(jìn)行分析，挖掘加熱爐節(jié)能潛力，并采取針對(duì)性的措施，提高加熱爐熱效率，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

2.1 影響因素

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果分析可知，影響加熱爐爐效的主要因素是排煙熱損失、化學(xué)不完全燃燒熱損失和爐體散熱損失。其中排煙熱損失為主導(dǎo)，占加熱爐熱損失的99%[3]，也是加熱爐節(jié)能治理的關(guān)鍵。排煙熱損失的大小，主要取決于加熱爐排煙溫度和過(guò)?？諝庀禂?shù)兩個(gè)參數(shù)。

排煙溫度是指在煙囪底部的煙管出口處的煙氣溫度。此溫度不應(yīng)低于煙氣露點(diǎn)的溫度，否則會(huì)造成低溫腐蝕，但排煙溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致大量熱量隨煙氣散失，增加熱損失。排煙溫度的高低直接影響到排煙損失率的大小，排煙溫度每降低12～15℃，加熱爐熱效率就可以提高1%。因此，應(yīng)將排煙溫度控制在合理范圍之內(nèi)，即：氣體燃料不含硫、煙囪不保溫時(shí)，不應(yīng)低于120℃；氣體含硫?yàn)?.05%～1%、煙囪不保溫時(shí)，不應(yīng)低于150～205℃，煙囪保溫時(shí)不應(yīng)低于120～175℃。排煙溫度的高低主要由受熱面和水套的熱傳導(dǎo)情況決定。研究表明，當(dāng)水垢的導(dǎo)熱系數(shù)為0.58 1～2.33 W/（m·℃）時(shí)，加熱爐受熱面結(jié)水垢1 mm，熱效率降低2%～3%。水垢對(duì)熱效率的影響見(jiàn)表1。

表1 水垢對(duì)加熱爐熱效率的影響

煙垢的導(dǎo)熱系數(shù)是水垢導(dǎo)熱系數(shù)的1/10，僅為0.0581～0.116W/（m·℃）。由表1可知，若受熱面和水套結(jié)垢將嚴(yán)重影響換熱，導(dǎo)致排煙溫度過(guò)高，使得熱損失增大。

過(guò)?？諝庀禂?shù)是指實(shí)際入爐空氣量與理論空氣量之比。過(guò)?？諝庀禂?shù)也直接影響著排煙熱損失，另外還對(duì)氣體未完全燃燒熱損失有一定的影響。過(guò)剩空氣系數(shù)太大，入爐空氣量多，相對(duì)降低了爐膛溫度和煙氣的黑度，影響傳熱效果；過(guò)?？諝庀禂?shù)太小，燃料燃燒所需空氣量不足，燃燒不充分，造成燃料浪費(fèi)，所以過(guò)?？諝庀禂?shù)也是影響加熱爐經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的一個(gè)非常重要的參數(shù)。在加熱爐的排煙溫度一定時(shí)，過(guò)剩空氣系數(shù)大則排煙量大，煙氣從煙囪帶走的熱量多，增加了熱損失，全爐熱效率降低。過(guò)多的空氣還會(huì)使煙氣中含氧量高，加劇爐管表面的氧化腐蝕，縮短管子的壽命。因此，在保證燃料完全燃燒的前提下，合理控制過(guò)?？諝庀禂?shù)，可減少排煙熱損失、提高加熱爐熱效率。影響過(guò)?？諝庀禂?shù)的主要因素有燃料性質(zhì)、燃燒器的性能、爐體的密封性能、加熱爐的測(cè)控水平、煙囪擋板開(kāi)度等。經(jīng)驗(yàn)表明，過(guò)?？諝庀禂?shù)每增加0.1，排煙熱損失就要增加0.5%左右。加熱爐熱效率與過(guò)?？諝庀禂?shù)的變化關(guān)系見(jiàn)圖1。

圖1 加熱爐熱效率與過(guò)?？諝庀禂?shù)的變化關(guān)系

由圖1可以看出，過(guò)?？諝庀禂?shù)在1.25左右時(shí)，熱效率最大；過(guò)?？諝庀禂?shù)小于1.25時(shí)，熱效率隨著過(guò)?？諝庀禂?shù)的降低而降低，且變化較快；過(guò)?？諝庀禂?shù)大于1.25時(shí)，隨著過(guò)剩空氣系數(shù)的增大，熱效率也不斷降低，使得加熱爐熱損失增大。所以，合理控制加熱爐排煙溫度和過(guò)?？諝庀禂?shù)是加熱爐經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的關(guān)鍵。

2.2 技術(shù)措施及效果

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果顯示，加熱爐排煙熱損失較大，平均熱損失為20%，最高熱損失達(dá)35%。高溫?zé)煔鈳ё叽罅繜崮?，使天然氣的燃燒值中相?dāng)部分不能得到利用，降低了能源利用率。為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)，在保證設(shè)備安全運(yùn)行的前提下，對(duì)加熱爐運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了摸索，以期達(dá)到降低排煙熱損失、提高加熱爐爐效的目的。

1）合理控制加熱爐合風(fēng)。通過(guò)合理控制加熱爐合風(fēng)，進(jìn)而控制過(guò)剩空氣系數(shù)。過(guò)剩空氣系數(shù)太小，空氣量供給不足，燃料不能完全燃燒，加熱爐效率降低；過(guò)?？諝庀禂?shù)過(guò)大，相對(duì)降低了爐膛溫度和煙氣輻射能力，影響了傳熱效果[4]。通過(guò)合理控制合風(fēng)，既滿足燃料完全燃燒所需空氣量，又使得排煙量最小，從而減少熱損失。

2）合理控制煙道負(fù)壓。如果煙道負(fù)壓大，燃燒不好，說(shuō)明進(jìn)風(fēng)小，應(yīng)調(diào)大風(fēng)門，增大進(jìn)風(fēng)量；如果負(fù)壓小，煙氣含氧量大，說(shuō)明進(jìn)風(fēng)多，應(yīng)關(guān)小風(fēng)門，減少進(jìn)風(fēng)量[5]。利用煙道內(nèi)安裝的U型管壓力計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)煙道負(fù)壓，將煙道負(fù)壓控制在20~30 Pa之間，進(jìn)而控制過(guò)剩空氣系數(shù)，延長(zhǎng)換熱時(shí)間，減少排煙損失。根據(jù)爐子最大負(fù)荷確定擋板最大開(kāi)度位置。根據(jù)季節(jié)情況對(duì)擋板位置進(jìn)行定位，控制爐子負(fù)壓及入爐空氣量。

煙氣氧含量是加熱爐的重要運(yùn)行參數(shù)，可間接反映燃燒的熱效率。依據(jù)氧氣含量這一參數(shù)，對(duì)加熱爐合風(fēng)、煙道擋板進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而控制過(guò)?？諝庀禂?shù)和排煙溫度。為了精確控制排煙溫度和過(guò)?？諝庀禂?shù)，在加熱爐煙道出口處安裝氧含量分析儀表，監(jiān)測(cè)煙道氧氣含量。并且，開(kāi)發(fā)了以氧含量為輸入信號(hào)的運(yùn)行軟件，在線實(shí)時(shí)對(duì)煙氣中的含氧量進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)。把信號(hào)送入PLC系統(tǒng)進(jìn)行處理，把氧含量控制在4%~4.5%；輸出指令給合風(fēng)控制器和煙道擋板調(diào)節(jié)裝置，調(diào)節(jié)合風(fēng)開(kāi)度和煙道擋板位置，把參與燃燒的氧氣量控制在最佳狀態(tài)。

基于以上研究，對(duì)5臺(tái)加熱爐進(jìn)行了試驗(yàn)，平均爐效由71.3%提高到8 1%，效率提高了9.7個(gè)百分點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)年節(jié)氣30.7×104m3。

3 結(jié)論認(rèn)識(shí)

通過(guò)分析可知，加熱爐的排煙熱（下轉(zhuǎn)第4 9頁(yè)）

圖4 R-X 2井鉆遇硫化氫情況數(shù)據(jù)

從圖4可以看出，改進(jìn)后鉆臺(tái)H2S傳感器發(fā)現(xiàn)H2S時(shí)間滯后的問(wèn)題得到有效解決（比改進(jìn)前提前3min發(fā)現(xiàn)H2S氣體），鉆臺(tái)H2S傳感器測(cè)得H2S氣體濃度值偏低的問(wèn)題得到了徹底解決（實(shí)測(cè)H2S氣體濃度值由原來(lái)0~0.39×10-6提高到0~114×10-6）。這樣，在鉆進(jìn)過(guò)程中，當(dāng)井口有H2S溢出時(shí)，可及時(shí)地發(fā)現(xiàn)H2S，并且測(cè)得H2S濃度的準(zhǔn)確性得到了可靠的保證，可及時(shí)向有關(guān)施工人員發(fā)出H2S報(bào)警信號(hào)，為及時(shí)采取預(yù)防H2S中毒措施贏得了寶貴的時(shí)間，從而達(dá)到了預(yù)期的技術(shù)革新目的。

目前，該項(xiàng)技術(shù)革新已經(jīng)在施工的3個(gè)錄井隊(duì)投入使用。自投入使用以來(lái)，從現(xiàn)場(chǎng)各錄井隊(duì)的使用情況來(lái)看：由于H2S傳感器安裝位置靠近井口，當(dāng)有H2S氣體溢出井口時(shí)，可以被H2S傳感器第一時(shí)間檢測(cè)到；由于被檢測(cè)到的H2S氣體受風(fēng)速、風(fēng)向以及檢測(cè)器與氣源距離、高度等因素影響較小，不僅可以更加直接、快速地檢測(cè)到H2S氣體，而且所測(cè)得的H2S氣體濃度值的準(zhǔn)確性也大大提高，從而進(jìn)一步提高了H2S有毒氣體預(yù)報(bào)的及時(shí)性、準(zhǔn)確性和可靠性。

3 應(yīng)用前景分析

未能及時(shí)預(yù)報(bào)H2S溢出所造成的主要經(jīng)濟(jì)影響主要為：鉆機(jī)停鉆來(lái)處理H2S溢出事故所損失的費(fèi)用；錄井儀處理H2S溢出事故所損失的費(fèi)用；當(dāng)有H2S顯示時(shí)，處理1次鉆井液（按鉆井液總量120m3計(jì)算）所需要的鉆井液處理藥品堿式碳酸鋅為0.072t。H2S傳感器安裝檢測(cè)方法改進(jìn)后，RM L項(xiàng)目避免了鉆井停工造成的損失，節(jié)省了用于H2S處理的鉆井液，節(jié)約了鉆井液處理時(shí)所消耗的藥品。

本項(xiàng)技術(shù)解決了現(xiàn)場(chǎng)迫切要求解決的及時(shí)發(fā)現(xiàn)和準(zhǔn)確預(yù)報(bào)H2S的問(wèn)題，并且容易推廣，具有非常好的實(shí)用效果。革新成果在RM L項(xiàng)目上進(jìn)一步深入推廣后，可以極大提高H2S預(yù)報(bào)的及時(shí)性和準(zhǔn)確性，不僅可以為H2S的預(yù)防工作爭(zhēng)取寶貴的時(shí)間，也可為鉆井工程的順利進(jìn)行提供更加安全可靠的保障，并能有效避免H2S中毒事故的突發(fā)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)H2S預(yù)報(bào)的及時(shí)性和準(zhǔn)確性相關(guān)課題進(jìn)行進(jìn)一步的研究，可以為H2S預(yù)報(bào)工作拓展更為廣闊的空間，創(chuàng)造出更好的社會(huì)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。

[1]隋秀香.井場(chǎng)硫化氫檢測(cè)系統(tǒng)的研制[J].天然氣工業(yè),2 0 1 1(9):8 2-8 5.

10.3969/j.issn.2095-1493.2012.06.008

2012-02-24）

聶懷勇，2007年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東），從事節(jié)能測(cè)試評(píng)價(jià)工作，E-mail：niehuaiyong@petrochina.com.cn，地址：黑龍江省大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠規(guī)劃設(shè)計(jì)研究所，163114。