油田加熱爐運(yùn)行現(xiàn)狀及節(jié)能潛力分析

楊秀麗胡曉峰鄭煒博樊娜劉曉雷

（1.勝利油田技術(shù)檢測(cè)中心；2.魯勝石油開發(fā)有限責(zé)任公司）

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油田加熱爐運(yùn)行現(xiàn)狀及節(jié)能潛力分析

楊秀麗1胡曉峰1鄭煒博1樊娜1劉曉雷2

（1.勝利油田技術(shù)檢測(cè)中心；2.魯勝石油開發(fā)有限責(zé)任公司）

國(guó)內(nèi)多數(shù)油田已進(jìn)入開發(fā)后期，高含水原油、稠油、特稠油比例越來越大，原油脫水溫度高于輕中質(zhì)原油，加熱系統(tǒng)能耗大，目前90%聯(lián)合站仍使用加熱爐提高脫水溫度和外輸溫度，因此加熱爐的運(yùn)行效果影響了原油集輸系統(tǒng)的熱能消耗。通過對(duì)勝利油田加熱爐檢測(cè)數(shù)據(jù)的匯總分析，掌握了目前油田加熱爐運(yùn)行現(xiàn)狀，分析了影響加熱爐運(yùn)行熱效率的各種因素和影響規(guī)律，根據(jù)各項(xiàng)監(jiān)測(cè)結(jié)果找出加熱爐運(yùn)行時(shí)存在的主要問題，并提出優(yōu)化措施，分析了加熱爐節(jié)能潛力。

加熱爐；熱效率；熱損失；節(jié)能

加熱爐是將燃料燃燒產(chǎn)生的熱量傳給被加熱介質(zhì)而使其溫度升高的一種加熱設(shè)備。在油田的油氣集輸系統(tǒng)中，廣泛地使用著各種形式的加熱爐，它直接影響油田系統(tǒng)的熱能消耗和利用程度，是油氣集輸系統(tǒng)中的主要耗能設(shè)備［1］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，加熱爐熱能消耗占油氣集輸系統(tǒng)的80%以上，由于現(xiàn)場(chǎng)使用條件要求，加熱爐經(jīng)常處于變工況下運(yùn)行，如果操作人員不能根據(jù)加熱爐工況的改變及時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)，就會(huì)使得加熱爐的運(yùn)行效率下降，造成燃料的浪費(fèi)，因此提高加熱爐效率，使加熱爐長(zhǎng)期處于優(yōu)化運(yùn)行狀態(tài)對(duì)降低能源消耗具有重要意義。

1　加熱爐熱損失分析

為通過測(cè)試找出加熱爐運(yùn)行時(shí)存在的問題，通常采用反平衡法對(duì)加熱爐進(jìn)行熱工測(cè)定。反平衡測(cè)量法是通過測(cè)定各種燃燒產(chǎn)物熱損失和加熱爐散熱損失來確定效率的方法［2］，當(dāng)被加熱介質(zhì)帶入加熱爐的熱量從輸入到輸出過程所產(chǎn)生的能量損失可以忽略時(shí)，反平衡法加熱爐熱效率按式（1）計(jì)算：式中:η2——反平衡法加熱爐熱效率，%；

q2——排煙熱損失，%；

q3——?dú)怏w未完全燃燒熱損失，%；

q4——固體未完全燃燒熱損失，%；

q5——散熱損失，%；

q6——灰渣物理熱損失，%。

油田加熱爐90%以上為燃油或燃?xì)饧訜釥t，因此公式（1）中的固體未完全燃燒熱損失和灰渣物理熱損失均為0，公式（1）可以簡(jiǎn)化為

其中，排煙熱損失是加熱爐熱損失中比例最重的一個(gè)，而影響排煙熱損失的主要因素是過?？諝庀禂?shù)和排煙溫度兩個(gè)運(yùn)行指標(biāo)。按公式（3）進(jìn)行計(jì)算：

式中：α——過?？諝庀禂?shù)；

tpy——排煙溫度，℃；t0——環(huán)境溫度，℃。

散熱損失是較排煙熱損失之后的又一大熱損失，加熱爐的散熱損失主要取決于加熱爐的散熱面積、爐體外表面溫度情況和運(yùn)行負(fù)荷率，可按下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：q1'，q2'，q3'，...qn'——各區(qū)段的散熱強(qiáng)度，kJ/（m2·h）；

F1，F(xiàn)2，...，F(xiàn)n——各區(qū)段的面積，m2；

Qr——加熱爐供給熱量，kJ/h。

占加熱爐總熱損失最小比例的是氣體未完全燃燒熱損失，主要是由于過小的過剩空氣系數(shù)造成的，過剩空氣過小會(huì)使燃料燃燒不充分，可按公式（5）進(jìn)行計(jì)算：

式中：Vgy——排煙處干煙氣容積，m3/m3或m3/kg；

B——燃料消耗量，m3/h或kg/h；

CO'——排煙處CO，%；

H2'——排煙處H2，%；

CmHn'——排煙處CmHn，%。

2　加熱爐運(yùn)行現(xiàn)狀分析

根據(jù)近幾年的測(cè)試統(tǒng)計(jì)，勝利油田各聯(lián)合站常運(yùn)行加熱爐共195臺(tái)，平均額定功率為1658 kW，包括116臺(tái)燃?xì)饧訜釥t和79臺(tái)燃油加熱爐，測(cè)試結(jié)果見表1。根據(jù)SY/T 6275—2007《油田生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測(cè)規(guī)范》中規(guī)定的評(píng)價(jià)指標(biāo)限定值，測(cè)試加熱爐平均排煙溫度為196.6℃，排煙溫度合格率為68.2%，燃?xì)饧訜釥t平均排煙溫度低于燃油加熱爐平均排煙溫度；平均過?？諝庀禂?shù)為2.08，過剩空氣系數(shù)合格率為56.4%，燃?xì)饧訜釥t平均過剩空氣系數(shù)高于燃油加熱爐平均過?？諝庀禂?shù)；平均熱效率為82.63%，熱效率合格率為84.1%，燃?xì)饧訜釥t熱效率合格率高于燃油加熱爐熱效率合格率。雖然熱效率合格率較高，但平均熱效率距國(guó)外平均85%～90%的水平仍有差距，而且排煙溫度和過?？諝庀禂?shù)的合格率更低。按照SY/T 6275—2007中要求，分別從熱效率、排煙溫度、過?？諝庀禂?shù)、表面溫度4個(gè)監(jiān)測(cè)指標(biāo)分析目前油田加熱爐運(yùn)行現(xiàn)狀。

表1　加熱爐測(cè)試結(jié)果匯總

2.1加熱爐熱效率分析

加熱爐熱效率是評(píng)價(jià)加熱爐經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要指標(biāo)，加熱爐熱效率的高低直接影響著原油集輸系統(tǒng)的熱能利用率和綜合能耗。從近幾年節(jié)能監(jiān)測(cè)結(jié)果來看，油田加熱爐平均熱效率比90年代監(jiān)測(cè)的加熱爐平均熱效率提高至少10個(gè)百分點(diǎn)，且已接近于國(guó)外平均水平，但離國(guó)外先進(jìn)水平還有一段距離，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

表2　加熱爐熱效率

由表2可以看出，25.1%的加熱爐熱效率低于80%，53.3%的加熱爐熱效率低于85%，只有6.7%的加熱爐熱效率達(dá)到了國(guó)外先進(jìn)水平。

2.2加熱爐過?？諝庀禂?shù)

過?？諝庀禂?shù)是衡量燃燒器性能的重要指標(biāo)，也是加熱爐運(yùn)行效果的重要監(jiān)測(cè)指標(biāo)。通過對(duì)過?？諝庀禂?shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)可以減少加熱爐的排煙熱損失和氣體未完全燃燒熱損失，目前油田加熱爐的過?？諝庀禂?shù)從0.96～11.16不等，其中33.3%的加熱爐過?？諝庀禂?shù)小于1.5，54.9%的加熱爐過?？諝庀禂?shù)小于1.9，僅有9.2%的加熱爐過?？諝庀禂?shù)大于3。

圖1　過剩空氣系數(shù)與加熱爐熱效率的關(guān)系

由圖1可以看出，過?？諝庀禂?shù)α在1.01～1.5時(shí)，熱效率達(dá)到最佳值。α低于1.01時(shí)，隨著α的降低，加熱爐的運(yùn)行效率不斷降低，且變化較快。α大于1.5時(shí)，隨著α的增大，加熱爐運(yùn)行效率總的趨勢(shì)是不斷降低的。α每增加0.1，熱效率降低約0.5%。而根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，僅有32.3%的加熱爐過剩空氣系數(shù)在1.0～1.5。

2.3加熱爐排煙溫度

根據(jù)公式（2）可知，排煙溫度是影響排煙熱損失的另一個(gè)因素，而排煙溫度的高低又和過剩空氣系數(shù)密切相關(guān)的，只有同時(shí)降低加熱爐的排煙溫度和過剩空氣系數(shù)，才能使加熱爐的效率有較大的提高。根據(jù)目前的監(jiān)測(cè)結(jié)果，加熱爐排煙溫度從76.9～434℃之間不等，其中62.1%的加熱爐排煙溫度低于200℃，20%的加熱爐排煙溫度高于250℃。過?？諝庀禂?shù)在1.01～1.5時(shí)，不同排煙溫度的加熱爐與熱效率之間的關(guān)系見圖2，從圖中可以看出，排煙溫度低于200℃的加熱爐熱效率較高，當(dāng)加熱爐排煙溫度高于200℃時(shí)，每當(dāng)排煙溫度增加10℃，加熱爐熱效率降低0.5個(gè)百分點(diǎn)。

圖2　排煙溫度與加熱爐熱效率的關(guān)系

2.4加熱爐爐體外表面溫度

SY/T 6275—2007中規(guī)定加熱爐爐體外表面溫度不高于50℃均為合格，本次測(cè)試的195臺(tái)加熱爐中僅6臺(tái)加熱爐的爐體外表面溫度高于50℃，97%的加熱爐外表面溫度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，保溫效果良好。

3　加熱爐節(jié)能潛力分析

在加熱爐運(yùn)行中，燃燒系統(tǒng)和熱交換系統(tǒng)的各個(gè)因素相互影響，最后綜合反映到熱效率上。從各項(xiàng)熱損失入手，進(jìn)行系統(tǒng)的分析，可以找出問題的主要矛盾，通過監(jiān)測(cè)各項(xiàng)指標(biāo)即可分析出影響加熱爐熱效率的主要環(huán)節(jié)。各項(xiàng)不合格監(jiān)測(cè)項(xiàng)目存在的主要問題及優(yōu)化措施見表3，從表中也可以看出控制各項(xiàng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目達(dá)到限定值和節(jié)能值的節(jié)能潛力，由于排煙溫度的高低和過?？諝庀禂?shù)密切相關(guān)的，降低加熱爐的排煙溫度的同時(shí)過?？諝庀禂?shù)也發(fā)生變化，因此加熱爐熱效率的節(jié)能潛力不能簡(jiǎn)單的認(rèn)為是各項(xiàng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目達(dá)到規(guī)定值的節(jié)能潛力之和。

4　結(jié)論與建議

如前所述，構(gòu)成上述原因的因素是多方面的，既有運(yùn)行本身方面的因素，也有設(shè)計(jì)和設(shè)備安裝施工方面的因素。因此，欲解決加熱爐運(yùn)行熱效率低的問題，也應(yīng)該采取“綜合治理”的方法，不能局限于單從運(yùn)行方面考慮，而應(yīng)從設(shè)計(jì)、研發(fā)和運(yùn)行幾方面同時(shí)采取正確的技術(shù)對(duì)策。

1）設(shè)計(jì)方面。首先要針對(duì)油田工藝加熱爐負(fù)荷率逐年遞減、熱功率多為中、小級(jí)，以及野外操作條件差的特點(diǎn)，確立這樣的設(shè)計(jì)原則：對(duì)負(fù)荷的變化要有較好的適應(yīng)性，適當(dāng)采用強(qiáng)化傳熱技術(shù)，尾部受熱面宜簡(jiǎn)單可靠，墻體保溫盡量采用新材料新工藝。

表3　不合格監(jiān)測(cè)項(xiàng)目問題分析匯總

2）研發(fā)方面。應(yīng)以研制負(fù)荷變化適應(yīng)性能好的燃燒器為重點(diǎn)，其關(guān)鍵技術(shù)是如何確保在低于經(jīng)濟(jì)負(fù)荷段，隨著負(fù)荷率的下降過?？諝庀禂?shù)仍接近合理值?？梢哉f這是一種適應(yīng)于油田工藝加熱爐特殊需要的專用燃燒器。

3）運(yùn)行方面。主要是穩(wěn)定運(yùn)行工況，及時(shí)調(diào)整參數(shù)，注意觀察檢查，不斷總結(jié)操作經(jīng)驗(yàn)。此外，還應(yīng)定期進(jìn)行熱平衡試驗(yàn)，以便發(fā)現(xiàn)存在問題，及時(shí)加以解決。

［1］黃春芳.原油管道輸送技術(shù)［M］.北京：中國(guó)石化出版社，2005.

［2］中華人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì).加熱爐熱工測(cè)定：SY/T 6381—2008［S］.北京：中華人民共和國(guó)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，2008.

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.09.010

2016-01-22

（編輯王古月）

楊秀麗，工程師，2009年畢業(yè)于石油大學(xué)（油氣儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)），從事節(jié)能監(jiān)測(cè)工作，E-mail:cherry-xl@163.com，地址：山東省東營(yíng)市濟(jì)南路2號(hào)檢測(cè)中心能源站，257000。