真空相變?cè)图訜釥t技術(shù)在油田聯(lián)合站的應(yīng)用

王洪杰（遼河油田公司質(zhì)量節(jié)能管理部）

遼河油田興隆臺(tái)采油廠目前已開(kāi)發(fā)四十年，是遼河油田唯一一家稀油采油廠，處于油田勘探開(kāi)發(fā)中后期，由于地域廣泛，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，開(kāi)采和穩(wěn)產(chǎn)難度不斷加大，該廠負(fù)責(zé)周邊地區(qū)天然氣外供工作，隨著地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，供求關(guān)系日益緊張。已經(jīng)運(yùn)行二、三十年、安全系數(shù)較低的管式加熱爐和老式水套爐占聯(lián)合站全部運(yùn)行燃?xì)饧訜釥t的三分之二，這些加熱爐年消耗天然氣達(dá)到550×104m3以上，且有遞增趨勢(shì)，因此引進(jìn)先進(jìn)節(jié)能技術(shù)降低消耗，并在一定程度上緩解外供天然氣緊張的矛盾，提高安全性能勢(shì)在必行。

1 真空相變?cè)图訜釥t的工作原理

真空相變?cè)图訜釥t的基本原理是：燃燒器將燃?xì)獬浞秩紵?，通過(guò)輻射、對(duì)流傳導(dǎo)將熱量傳遞給爐殼內(nèi)的中間介質(zhì)水；水受熱沸騰產(chǎn)生蒸汽，蒸汽與低溫的換熱器管壁換熱，冷凝成水，并將熱量傳遞給換熱器內(nèi)流動(dòng)的介質(zhì)原油；凝結(jié)后的水繼續(xù)被加熱汽化，如此循環(huán)往復(fù)，實(shí)現(xiàn)加熱爐的換熱[1]（圖1）。相變?cè)图訜釥t利用水的相變傳熱技術(shù)，中間傳熱介質(zhì)水在封閉狀態(tài)下運(yùn)行極少損失，不需經(jīng)常添加，這樣系統(tǒng)在無(wú)氧無(wú)垢狀態(tài)運(yùn)行（不在爐內(nèi)形成垢層、避免氧腐蝕），提高了加熱爐的使用壽命。

真空相變加熱爐主要由爐體、全自動(dòng)燃燒器、自動(dòng)控制系統(tǒng)和控制箱等構(gòu)成[2]。

爐體為兩回程濕背式結(jié)構(gòu)，燃料自燃燒器向前噴入爐膽，在爐膽內(nèi)正壓燃燒；高溫?zé)煔庠跔t膽內(nèi)轉(zhuǎn)向，再進(jìn)入第二回程煙管（管內(nèi)設(shè)置不銹鋼擾流條）進(jìn)行充分換熱，最后經(jīng)后煙箱和煙囪排出。燃燒室上部安裝原油換熱器，換熱器與水蒸汽高效換熱。

采用適應(yīng)油氣集輸工作條件的高可靠燃?xì)馊詣?dòng)燃燒器，采取二段火自動(dòng)控制，確保設(shè)備的運(yùn)行可靠性和良好的熱效率。

安裝于爐殼上的鉑熱電阻，將內(nèi)部的熱水溫度信號(hào)傳遞到控制系統(tǒng)，與已設(shè)定好的上限溫度、轉(zhuǎn)火溫度、下限溫度相比較，做出判斷，控制燃燒器工作狀態(tài)（如：采用二段火自動(dòng)燃燒器，設(shè)定爐殼內(nèi)上限溫度90℃，下限溫度80℃，轉(zhuǎn)火溫度85℃）。當(dāng)爐殼溫度低于85℃時(shí)，控制燃燒器開(kāi)啟大火，當(dāng)溫度升高到85℃時(shí)，控制燃燒器轉(zhuǎn)為小火；當(dāng)溫度升至90℃時(shí)，控制燃燒器停止燃燒；當(dāng)溫度降至85℃時(shí)，開(kāi)啟小火；若溫度繼續(xù)下滑至80℃時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)大火。通過(guò)對(duì)爐殼內(nèi)溫度的動(dòng)態(tài)控制，保證即使工質(zhì)流量發(fā)生顯著變化，也可使工質(zhì)輸出溫度始終控制在需要的范圍內(nèi)，使得加熱爐能夠通過(guò)自動(dòng)控制適應(yīng)油田開(kāi)發(fā)中后期經(jīng)常出現(xiàn)的原油外輸波動(dòng)情況，保證工況穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)能耗最低[3]。

2 節(jié)能技術(shù)特性

相變換熱技術(shù)，即將加熱爐殼體內(nèi)封閉空間分為氣化空間和相變空間，通過(guò)燃料的燃燒加熱熱媒水產(chǎn)生飽和蒸汽，飽和蒸汽上升到相變空間與低于飽和溫度的換熱管接觸，凝結(jié)放出相變熱，即氣化潛熱，熱量通過(guò)換熱管傳遞給管內(nèi)被加熱介質(zhì)，蒸汽冷凝放熱后冷凝回氣化空間，如此循環(huán)往復(fù)地將熱量傳遞給換熱管內(nèi)被加熱介質(zhì)。

燃燒室采用波型爐膽、錐形爐膽和回燃室組合件，取代傳統(tǒng)加熱爐的火筒。采用波型爐膽可有效增加受熱面，強(qiáng)化傳熱，提高整個(gè)爐膽的柔性，防止?fàn)t膽在較高溫度下產(chǎn)生較大的膨脹量破壞結(jié)構(gòu)的完整性。波型爐膽兩端采用錐形爐膽，可以縮小回燃室和加熱爐的整體尺寸，并可以布置足夠換熱面的煙管，一般情況下，加熱爐外徑可減小100～200mm。增加回燃室可以使燃料得到充分的燃燒，從而提高燃料利用率和加熱爐效率。

考慮到煙管和管板連接處的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力的作用可能產(chǎn)生的管板裂紋及煙管穿孔，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，結(jié)合燃燒機(jī)的火焰長(zhǎng)度和直徑曲線圖確定爐膽的結(jié)構(gòu)尺寸，將回燃室煙氣出口溫度控制在1000℃，對(duì)煙管和管板連接處的焊縫進(jìn)行有效的耐火保護(hù)，防止出現(xiàn)管板裂紋，可增加加熱爐的使用壽命，同時(shí)適當(dāng)降低進(jìn)入煙管和管板處的煙氣溫度。

真空相變加熱爐在運(yùn)行的過(guò)程中，爐體的內(nèi)部壓力始終處于-0.02～0.08MPa的真空狀態(tài)下。爐內(nèi)的熱媒水是完全脫氧的純凈水，無(wú)腐蝕、無(wú)水垢；另一方面，加熱爐在運(yùn)行過(guò)程中，熱媒水始終處于飽和狀態(tài)，不會(huì)發(fā)生低溫腐蝕現(xiàn)象，從而使加熱爐壽命相對(duì)較長(zhǎng)，因此安全性能相對(duì)較高，沒(méi)有安全隱患。

真空相變加熱爐在設(shè)計(jì)中采用模塊化結(jié)構(gòu)，設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，安裝簡(jiǎn)便，設(shè)備體積小，產(chǎn)品易于運(yùn)輸、安裝，與相同負(fù)荷的傳統(tǒng)加熱爐相比，是一種高效、節(jié)能、環(huán)保、低成本類(lèi)產(chǎn)品.

采用真空相變系統(tǒng)換熱，精心設(shè)計(jì)的兩回程燃燒室和優(yōu)化的換熱面設(shè)計(jì)，確保了最佳的熱傳遞，熱效率高達(dá)88%～92%。采用高智能監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，根據(jù)設(shè)定溫度及時(shí)調(diào)整火焰大小，減少無(wú)效加熱能源的浪費(fèi)。采用全自動(dòng)燃燒器的二段火自動(dòng)控制，燃料利用率達(dá)99.9%以上；低氮氧化物和低一氧化碳生成量，使煙氣排放潔凈、無(wú)污染，優(yōu)質(zhì)的保溫隔熱層保證在寒冷的戶外爐體表面散熱小于1%。

3 安全監(jiān)控

安全監(jiān)控主要設(shè)有自動(dòng)燃燒器安全控制和系統(tǒng)安全控制兩種機(jī)制。

自動(dòng)燃燒器安全控制：采用可靠的程控器全自動(dòng)管理燃燒程序，并逐級(jí)檢測(cè)，合格方可運(yùn)行下步程序。啟動(dòng)燃燒器，依次進(jìn)行鼓風(fēng)檢測(cè)—吹掃可能的殘余燃?xì)狻細(xì)鈮毫z測(cè)—（漏氣檢測(cè)，燃燒器功率大于1200kW時(shí)）—火焰監(jiān)測(cè)。以上任何一環(huán)節(jié)未通過(guò)檢測(cè)，燃燒器都會(huì)立即停機(jī)、報(bào)警。

系統(tǒng)安全控制：爐殼上裝有液位傳感器和壓力傳感器，當(dāng)爐殼內(nèi)水位低于下限或高于上限時(shí)，報(bào)警儀發(fā)出聲光報(bào)警，系統(tǒng)自動(dòng)切斷燃料閥，停止燃燒。如果爐殼內(nèi)壓力意外超壓，真空閥因故障未能及時(shí)開(kāi)啟，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警，同時(shí)立即切斷燃燒。

圖1 相變?cè)图訜釥t原理結(jié)構(gòu)圖

4 節(jié)能效果評(píng)價(jià)

自2008年起，在6個(gè)重點(diǎn)聯(lián)合站安裝真空相變?cè)图訜釥t12臺(tái)，依據(jù)SY/T6381—1998《加熱爐熱工測(cè)定》，對(duì)真空相變?cè)图訜釥t的運(yùn)行情況進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)跟蹤測(cè)試，并與安裝前的老式加熱爐的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比（表1），相變?cè)图訜釥t各項(xiàng)指標(biāo)都達(dá)到預(yù)期的節(jié)能要求。

表1 真空相變加熱爐與管式加熱爐的性能對(duì)比

根據(jù)真空相變?cè)图訜釥t的各項(xiàng)參數(shù)，以及采油廠原油油品性質(zhì)特點(diǎn)，參考安裝前老式加熱爐運(yùn)行參數(shù)，做出平均節(jié)氣率5%、年節(jié)氣量2.1×104m3、節(jié)約27.91t標(biāo)煤的預(yù)期目標(biāo)。

1臺(tái)原油加熱爐1天耗氣量是1835m3左右，安裝真空相變?cè)图訜釥t后，節(jié)氣率達(dá)到5.5%，在其他工況不變的情況下，4臺(tái)加熱爐運(yùn)行一年（365天），節(jié)氣量可達(dá)到14.73×104m3，節(jié)能能力為每年195.9t標(biāo)煤，投資回收期9.9年。

5 結(jié)論

真空相變?cè)图訜釥t技術(shù)在換熱原理、結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)方面均大大優(yōu)于老式加熱爐，聯(lián)合站加熱爐耗氣量逐年遞減，實(shí)現(xiàn)了降低能耗緩解天然氣外供矛盾的目標(biāo)；先進(jìn)的自動(dòng)燃燒控制原理可以在適應(yīng)外輸量波動(dòng)的同時(shí)，通過(guò)內(nèi)部調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的；優(yōu)異的自動(dòng)燃燒器安全控制、系統(tǒng)安全控制兩種機(jī)制，確保加熱爐在風(fēng)險(xiǎn)較高的聯(lián)合站實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)行。

如果加熱爐系統(tǒng)效率平均提高1%，全廠每年可節(jié)約天然氣35×104m3以上。面對(duì)節(jié)能技術(shù)推廣資金有限、開(kāi)發(fā)三十多年的老廠集輸系統(tǒng)普遍老化的突出矛盾，通過(guò)科學(xué)測(cè)算合理安排加熱爐更換地點(diǎn)和次序，以外輸量較大、安全隱患較多設(shè)備的重點(diǎn)部位加熱爐的優(yōu)先改造，帶動(dòng)采油廠加熱爐系統(tǒng)效率的整體提高。在工藝配套改造中合理利用真空相變?cè)图訜釥t技術(shù)是快速提升加熱爐系統(tǒng)效率的有效途徑，對(duì)于開(kāi)發(fā)中后期油田系統(tǒng)聯(lián)合站加熱爐節(jié)能改造具有較好的推廣價(jià)值。

[1]馬強(qiáng),婁銀環(huán).相變加熱式水蒸氣導(dǎo)入技術(shù)在礦場(chǎng)油氣集輸系統(tǒng)的應(yīng)用[J].節(jié)能,2013,32（5）:55-57．

[2]Q/SYLH0314—2009VH、DH、XG系列真空相變加熱爐操作規(guī)程[S].盤(pán)錦:遼河油田公司質(zhì)量節(jié)能管理部出版,2009．

[3]王東.相變加熱爐在礦場(chǎng)油氣集輸系統(tǒng)的低碳化應(yīng)用[J].石油石化節(jié)能,2013,3（10）:19-20．