影響潤滑油加氫裝置加熱爐熱效率的因素分析及對(duì)策

董 健，葛玉龍，馬方義，潘 巖，孫文剛，王 寧

（中海油（青島）重質(zhì)油加工工程技術(shù)研究中心有限公司，山東青島266500）

影響潤滑油加氫裝置加熱爐熱效率的因素分析及對(duì)策

董 健，葛玉龍，馬方義，潘 巖，孫文剛，王 寧

（中海油（青島）重質(zhì)油加工工程技術(shù)研究中心有限公司，山東青島266500）

石蠟基高壓加氫潤滑油裝置共4臺(tái)加熱爐，通過反平衡法計(jì)算出的3臺(tái)加熱爐熱效率較低。從設(shè)計(jì)與運(yùn)行情況、排煙溫度、氧含量、燃料燃燒、負(fù)壓及保溫情況6個(gè)方面分析了影響加熱爐熱效率的因素，并提出了在輻射室增加爐管或在集煙室增加其他低溫介質(zhì)管線；控制好油門、氣門、風(fēng)門及煙道擋板（三門一板），保證燃料充分燃燒，降低過?？諝庀禂?shù)；優(yōu)化4臺(tái)加熱爐煙道擋板開度；對(duì)所有漏風(fēng)和超溫部位的保溫襯里及時(shí)修復(fù)等優(yōu)化措施，以達(dá)到節(jié)能環(huán)保、安全生產(chǎn)的目的。

熱效率 排煙溫度 過剩空氣系數(shù) 紅外熱像儀

1 加熱爐概況

某公司400 kt／a石蠟基潤滑油高壓加氫裝置共設(shè)置4臺(tái)加熱爐。加熱爐分別包括加氫裂化反應(yīng)進(jìn)料加熱爐F101、加氫裂化分餾進(jìn)料加熱爐F201、異構(gòu)脫蠟反應(yīng)進(jìn)料加熱爐F301和異構(gòu)脫蠟減壓進(jìn)料加熱爐F401。4臺(tái)加熱爐燃燒器采用低NOx氣體燃燒器，燃料為天然氣，輻射盤管采用單排水平管雙面輻射布置。其他基本設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 4臺(tái)加熱爐設(shè)計(jì)參數(shù)

4臺(tái)加熱爐共用一套余熱回收系統(tǒng)。采用（擾流子＋熱管）組合式空氣預(yù)熱器回收煙氣余熱，并設(shè)有變頻控制的鼓風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)各一臺(tái)。4臺(tái)加熱爐對(duì)流室頂?shù)臒釤煹郎显O(shè)有高溫?zé)煔庹{(diào)節(jié)擋板。運(yùn)行過程中，4臺(tái)加熱爐的熱煙氣經(jīng)混合煙道進(jìn)入空氣預(yù)熱器與空氣換熱，再由煙氣引風(fēng)機(jī)引至煙囪排放。冷空氣由鼓風(fēng)機(jī)送入空氣預(yù)熱器與熱煙氣換熱后，經(jīng)熱風(fēng)道進(jìn)加熱爐燃燒使用。加熱爐物料及能量轉(zhuǎn)換簡圖見圖1。

2 反平衡法計(jì)算綜合熱效率

利用 TES1260溫濕度計(jì)和 Smart Sensor AS836風(fēng)速儀測得環(huán)境溫度和現(xiàn)場風(fēng)速。利用FLIR630紅外熱成像儀、Testo835紅外高溫測溫儀檢測加熱爐外壁溫度。利用Testo350煙氣分析儀檢測煙氣成分、含量及溫度。

通過對(duì)燃?xì)饧訜釥t的熱平衡效率進(jìn)行測試，可以找出燃?xì)饧訜釥t在設(shè)計(jì)、操作等方面的不合理之處，從而提出可行的改造方案，為燃?xì)饧訜釥t的節(jié)能降耗指明方向［1］。加熱爐標(biāo)定過程采用反平衡進(jìn)行計(jì)算，是通過測試和計(jì)算加熱爐各項(xiàng)熱損失［2］（包括不完全燃燒熱損失、排煙熱損失、機(jī)械不完全燃燒熱損失和散熱損失）以求得熱效率。

反平衡熱效率的計(jì)算公式：

η＝［1－（q2＋q3＋q4＋qp）］×100%

式中：η——熱效率，%；

q2——排煙損失，%；

q3——燃料不完全燃燒損失，%；

q4——散熱損失，%；

qp——附屬設(shè)備損失，%。

加熱爐的熱效率相關(guān)數(shù)據(jù)及煙氣溫度數(shù)據(jù)見表2和表3。由表2可以看出，F(xiàn)101加熱爐熱效率為86.42%，F(xiàn)201加熱爐熱效率為 71.79%，F(xiàn)301加熱爐熱效率為83.81%，F(xiàn)401加熱爐熱效率為90.83%。4臺(tái)加熱爐設(shè)計(jì)負(fù)荷均在10 MW以下，除F401以外，其余3臺(tái)加熱爐熱效率均不符合《中國石化煉化企業(yè)加熱爐管理規(guī)定》熱效率指標(biāo)要求。

圖1 加熱爐的物料及能量轉(zhuǎn)換

表2 加熱爐熱效率相關(guān)數(shù)據(jù) %

3 原因分析

3.1 設(shè)計(jì)與運(yùn)行偏差較大

F101和F301熱效率較低的主要原因?yàn)榧訜釥t運(yùn)行工況嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)條件，造成取熱不足，部分熱源外排浪費(fèi)。根據(jù)表1和表3可知，F(xiàn)101煙氣出輻射室設(shè)計(jì)溫度為536℃，F(xiàn)301煙氣出輻射室設(shè)計(jì)溫度為527℃，而實(shí)測中F101和F301煙氣出輻射室溫度分別為730.3和730.8℃，實(shí)測數(shù)據(jù)比設(shè)計(jì)參數(shù)高約200℃，加熱爐散熱損失相對(duì)較大。同時(shí)，加熱爐排煙溫度高達(dá)161.8℃，排煙損失大。

F201加熱爐運(yùn)行工況嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)條件，運(yùn)行負(fù)荷太低，導(dǎo)致加熱爐散熱損失相對(duì)增大。因反應(yīng)器催化劑活性變好，加熱爐進(jìn)爐溫度比設(shè)計(jì)值高。標(biāo)定期間，加熱爐燃料氣用量僅為44 m3／h左右，燃料用量少，與F201加熱爐設(shè)計(jì)燃料用量偏差較大，造成單位燃料散熱量相對(duì)變大，散熱損失高達(dá)23.28%。

表3 加熱爐煙氣溫度檢測數(shù)據(jù)

3.2 排煙溫度高

由表3可以看出，F(xiàn)101和F301集煙室頂煙氣溫度高達(dá)724.9和728.6℃，主要原因是F101和F301取熱不足，兩臺(tái)加熱爐無對(duì)流室。為滿足加熱爐在滿負(fù)荷下介質(zhì)升溫要求，采取正壓操作，增加煙氣在輻射室的停留時(shí)間，增加取熱量，也相應(yīng)減少了高溫?zé)煔膺M(jìn)空氣預(yù)熱器的流量。

通過4臺(tái)加熱爐對(duì)流室頂（集煙室頂）煙氣流量、組成以及在煙氣溫度下的焓值，計(jì)算空氣預(yù)熱器前混合煙氣的理論溫度應(yīng)為623.9℃，空氣預(yù)熱器入口煙氣溫度為463.5℃，兩者相差較大。主要原因是為保護(hù)空氣預(yù)熱器，通過調(diào)整直排煙道擋板，部分外排煙氣回流，降低空氣預(yù)熱器入口溫度。空氣預(yù)熱器溫度采用擾流子和熱管形式，材質(zhì)為碳鋼，使用溫度應(yīng)在425℃以下，煙氣進(jìn)空氣預(yù)熱器溫度過高，長期超溫使用，易損壞設(shè)備材質(zhì)。

3.3 氧含量偏高

經(jīng)檢測，F(xiàn)201加熱爐輻射室頂氧的體積分?jǐn)?shù)為5.15%，對(duì)流室頂氧的體積分?jǐn)?shù)為5.35%，其余加熱爐氧含量在指標(biāo)范圍內(nèi)。F201輻射室頂部氧含量偏高，主要原因是加熱爐僅部分主火嘴低負(fù)荷燃燒，風(fēng)門未調(diào)整到位，關(guān)閉的主火嘴風(fēng)道擋板漏風(fēng)，導(dǎo)致進(jìn)風(fēng)量相對(duì)增大；輻射室兩端輻射管進(jìn)出活動(dòng)擋板存在漏風(fēng)環(huán)節(jié)，尤其因制作尺寸不規(guī)則，與器壁連接部位空隙小，無法安裝密封墊片，導(dǎo)致漏風(fēng)量增大。

F201對(duì)流室頂氧含量偏高。每端對(duì)流室彎頭箱端板采用15塊擋板拼接，靜密封點(diǎn)尺寸增大，漏風(fēng)環(huán)節(jié)增多，同時(shí)對(duì)流室管線與彎頭箱之間的空隙存在漏風(fēng)。

3.4 燃料燃燒不佳

經(jīng)計(jì)算，F(xiàn)201的過剩空氣系數(shù)為1.312，不在經(jīng)驗(yàn)值（1.05～1.2）之內(nèi)，其余加熱爐過?？諝庀禂?shù)均在經(jīng)驗(yàn)值范圍內(nèi)?，F(xiàn)場檢測F201輻射室頂氧的體積分?jǐn)?shù)為5.15%，CO的質(zhì)量濃度為1 561 mg／m3。同時(shí)由圖2和圖3看出，爐膛發(fā)暗，爐膛內(nèi)火焰軟綿無力，并且部分火嘴燃燒不充分，有回火現(xiàn)象。說明F201燃燒很不充分，油門、氣門、風(fēng)門及煙道擋板（三門一板）調(diào)整不到位，不完全燃燒熱損失較大。

圖2 F201西側(cè)燃燒情況

3.5 壓力波動(dòng)較大

爐膛負(fù)壓實(shí)行監(jiān)管與控制可確保爐內(nèi)燃料的充分燃燒，提高運(yùn)行效率，降低不安全隱患發(fā)生。爐膛內(nèi)負(fù)壓超過正常范圍時(shí)，會(huì)使燃料不能徹底燃燒，造成加熱爐熄火等不良現(xiàn)象，也會(huì)造成排煙熱損失加劇的現(xiàn)象［3］。

圖3 F201東側(cè)燃燒情況

F101，F(xiàn)201和F301三臺(tái)加熱爐實(shí)測數(shù)據(jù)與DCS在線數(shù)據(jù)相差較大，加熱爐壓力波動(dòng)較大，而且經(jīng)常出現(xiàn)正壓。F101和F301加熱爐為正壓操作，一方面可以增加煙氣在加熱爐內(nèi)的停留時(shí)間，增加爐管取熱量；另一方面可以避免過多的高溫?zé)煔膺M(jìn)入空氣預(yù)熱器，對(duì)空氣預(yù)熱器造成損壞。F201加熱爐因三門一板未調(diào)整到位，現(xiàn)場存在漏風(fēng)環(huán)節(jié)，造成壓力波動(dòng)。

3.6 部分部位保溫不好

利用紅外熱成像儀和德圖點(diǎn)溫計(jì)分別檢測了加熱爐輻射室、對(duì)流室、煙道、空氣預(yù)熱器和熱風(fēng)道等外壁溫度。紅外熱像檢測技術(shù)在保溫評(píng)估中應(yīng)用廣泛［4-5］。常規(guī)加熱設(shè)備一般都配置有保溫層，但其保溫效果如何，始終沒有一套準(zhǔn)確統(tǒng)一的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)和方法。做好保溫效果綜合評(píng)估，有利于節(jié)能降耗、確保在流程中各段的工藝溫度及合理實(shí)施保溫工藝改造，減少不必要的浪費(fèi)［6］。

因加熱爐漏風(fēng)和部分保溫襯里不規(guī)范，造成加熱爐對(duì)流室檢修孔、集煙室檢修孔和部分加熱爐煙道等部位局部溫度超過82℃，具體見圖4到圖7。

圖4 F101集煙室檢修孔超溫

圖5 F101爐頂煙道超溫

圖6 F301集煙室人孔超溫

圖7 F301集煙室檢修孔超溫

4 優(yōu)化措施

（1）F101和F301在設(shè)計(jì)條件允許的情況下，在輻射室增加爐管或在集煙室增加其他低溫介質(zhì)管線，有效利用高溫?zé)嵩?，降低外排煙氣溫度，增大加熱爐的操作空間。

（2）對(duì)所有漏風(fēng)部位進(jìn)行處理，保證爐墻耐火材料完好和爐體嚴(yán)密性，對(duì)超溫部位保溫襯里及時(shí)修復(fù)，保證保溫效果，盡可能降低散熱損失。

（3）控制好“三門一板”，保證燃料充分燃燒，降低過?？諝庀禂?shù)，同時(shí)保證加熱爐負(fù)壓在合適的控制范圍，平穩(wěn)加熱爐操作，避免加熱爐負(fù)壓大幅度波動(dòng)。

（4）因共用一臺(tái)引風(fēng)機(jī)，優(yōu)化4臺(tái)加熱爐煙道擋板開度，控制好空氣預(yù)熱器入口溫度，保護(hù)空氣預(yù)熱器不被損壞，提高空氣預(yù)熱器的使用壽命，降低加熱爐排煙溫度。

5 結(jié)束語

加熱爐設(shè)計(jì)與生產(chǎn)使用可能存在偏差，針對(duì)實(shí)際情況，多方面尋求利用高溫?zé)嵩吹目赡苄?，控制好“三門一板”，優(yōu)化加熱爐操作，減少散熱損失，保證加熱爐熱效率。通過對(duì)影響加熱爐熱效率的因素分析，提出有效解決對(duì)策，保證裝置安全生產(chǎn)運(yùn)行。

［1］ 楊肖曦，陳娟.原油加熱爐熱效率分析模型［J］.油氣儲(chǔ)運(yùn)，2006，25（10）：33-35.

［2］ 吳迪.管式加熱爐效率評(píng)價(jià)及節(jié)能改造研究［D］.北京：清華大學(xué)，2010.

［3］ 牟崴.影響加熱爐熱效率的因素分析及優(yōu)化措施［J］.石化技術(shù)，2016（11）：36，57.

［4］ 付冬梅，李曉剛，王欣.用紅外熱像技術(shù)監(jiān)測設(shè)備的保溫效果［J］.無損檢測，2001，23（2）：51-54.

［5］ 付冬梅，李曉剛，王稚生，等.長距離管線的紅外熱像檢測與在線保溫評(píng)估［J］.激光與紅外，2001，31（2）：110-112.

［6］ 李明，李曉剛，付冬梅，等.煉油廠加熱爐熱效率綜合測定技術(shù)［J］.石油化工腐蝕與防護(hù)，2003，20（5）：6-10.

Influencing Factors Analysis and Countermeasures for Heating Efficiency of Reheating Furnace in Lube Oil Hydrogenation Unit

Dong Jian，Ge Yulong，Ma Fangyi，Pan Yan，Sun Wengang，Wang Ning
（CNOOC（Qingdao）Heavy Oil Processing Engineering Technology Research Center Co.，Ltd.，Qingdao 266500，China）

There are4 heating furnaces in paraffin based high-pressure hydrogenation lubricating oil unit，of which heat efficiency of 3 heating furnaces is low according to the results of counter-balance method.Influencing factors were analyzed from 6 aspects of design and operation situations，smoke exhaust temperature，oxygen content，fuel combustion，negative pressure and thermal insulation.Optimization measures were put forward to achieve the purpose of energy saving，environmental protection and safety production，such as adding tube in radiation chamber or low temperature medium pipeline in smoke collecting chamber，optimizing“three valve and one fuel plate”to ensure full combustion of fuel and reduce excess air coefficient，adjusting flue baffle opening of 4 heating furnaces，repairing immediately insulation lining in the location of air leakage and over temperature.

thermal efficiency，exhaust gas temperature，excess air coefficient，infrared thermal imager

2017-07-07；修改稿收到日期：2017-09-12。

董健，工程師，2010年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）過程裝備與控制工程專業(yè)，現(xiàn)從事設(shè)備防腐蝕、節(jié)能減排和助劑評(píng)價(jià)等工作。E-mail：dongjian＠cnooc.com.cn

（編輯 寇岱清）