油田加熱爐的熱力學(xué)分析

成慶林 宋達(dá)明 吳 浩 解紅軍 呂莉莉 于淳光

1.東北石油大學(xué)提高采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 黑龍江 大慶 163318; 2.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司規(guī)劃總院, 北京 100083

0 前言

節(jié)約能源被喻為“第五大能源”。在集輸系統(tǒng)中,加熱爐占整個(gè)系統(tǒng)能耗的一半以上,對(duì)加熱爐采取節(jié)能降耗措施在節(jié)約資源、環(huán)境保護(hù)、經(jīng)濟(jì)效益等方面有重要的意義。隨著加熱爐運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng),加熱爐內(nèi)各部件的老化,不規(guī)范的操作流程,以及加熱爐自身的缺陷是導(dǎo)致加熱爐效率低下的主要原因[1]。因此,應(yīng)依據(jù)熱力學(xué)定律找到加熱爐用能的薄弱環(huán)節(jié),并給出相應(yīng)的加熱爐在結(jié)構(gòu)上和操作上的改進(jìn)措施。

1 加熱爐的熱力學(xué)分析方法

1.1 加熱爐能平衡分析

加熱爐能平衡是指加熱爐體系的輸入熱量與輸出熱量在數(shù)量上的平衡,通過(guò)能平衡可分析出輸入加熱爐體系的熱量利用情況,明確加熱爐輸入能量的有效利用和損失情況,以便采取針對(duì)性措施來(lái)提高加熱爐熱效率,減少不必要的熱損失。加熱爐能平衡模型見(jiàn)圖1。

加熱爐能平衡模型公式如下:

Q+Qr=Q+Q2+Q3+Q4+Q5

(1)

Qr=(Q+Q+Q)·B

(2)

1.1.2 理論空氣量

V0=4.76×10-2·[0.5CO+0.5H2+1.5H2S

(3)

1.1.3 加熱爐排煙熱損失

加熱爐排煙熱損失按式(4)計(jì)算:

(4)

1.1.4 其他參數(shù)

1.1.5 加熱爐熱效率

1.1.5.1 正平衡熱效率

直接測(cè)量加熱爐輸入熱量的有效利用熱量來(lái)確定效率的方法,亦稱(chēng)直接測(cè)量法或輸入輸出法。

正平衡熱效率按式(5)計(jì)算:

(5)

1.1.5.2 反平衡熱效率

反平衡測(cè)量法就是通過(guò)計(jì)算各個(gè)內(nèi)部和外部損失來(lái)確定效率的方法。反平衡熱效率按式(6)計(jì)算:

(6)

1.2 加熱爐平衡分析

加熱爐是一種集燃燒、冷卻、熱交換、物質(zhì)排放等多種不可逆過(guò)程為一身的工程設(shè)備。加熱爐平衡分析主要內(nèi)容:計(jì)算加熱爐效率,以評(píng)價(jià)其能質(zhì)利用的有效性;計(jì)算加熱爐內(nèi)部和外部各項(xiàng)損失,以評(píng)價(jià)用能的合理性,揭示用能的不合理環(huán)節(jié)。

圖2 加熱爐平衡模型

由圖2模型可得:

E=E+ΔE+ΔE+ΔE+ΔE+

ΔE+ΔE+ΔE

(7)

或

λ+Δλ1+Δλ2+Δλ3+Δλ4+Δλ5+Δλ6+Δλ7=1

(8)

ΔE=Qr

(9)

氣體不完全燃燒是直接由未參與燃燒的可燃?xì)怏w造成的。氣體不完全燃燒損失ΔEx3按式(10)計(jì)算:

Δλ3=q3

ΔE=Eq3

(10)

(11)

1)燃燒反應(yīng)過(guò)程

由于燃料不能絕熱燃燒,實(shí)際燃燒溫度低于理論燃燒溫度,故加熱爐燃燒反應(yīng)損失ΔEx1按式(12)計(jì)算:

ΔE=E-E

(12)

2)燃燒產(chǎn)物冷卻過(guò)程

燃燒產(chǎn)物溫度是從理論燃燒溫度冷卻到實(shí)際燃燒溫度所具有的熱值。故加熱爐的燃燒產(chǎn)物冷卻過(guò)程損失ΔEx6按式(13)計(jì)算:

ΔE=E-E

(13)

E=E+ΔE+ΔE+ΔE

(14)

ΔE=E-(E+ΔE+ΔE)

(15)

(16)

(17)

Δλ6+Δλ7)

(18)

2 實(shí)例分析

2.1 加熱爐能量分析數(shù)據(jù)

計(jì)算過(guò)程以大慶油田某轉(zhuǎn)油站2016年5月到2017年4月數(shù)據(jù)為例,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)資料及文獻(xiàn)資料,匯聚加熱爐效率和熱效率基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1。其中部分參數(shù)的取值參考相關(guān)資料:燃料比熱容為1.15 kJ/(kg·℃),燃料氣體的低位發(fā)熱量為4.13×104kJ/m3,燃燒產(chǎn)物平均定壓比熱為1.55 kJ/(Nm3·K),燃料氣密度為0.72 kg/m3,過(guò)量空氣系數(shù)為1.6～1.98,加熱爐功率為2 MW,采暖爐功率為0.29 MW,排煙溫度為515.15～559.15 K,燃料氣比為4.34×104kJ/Nm3,理論空氣量為10.62 m3/m3。該轉(zhuǎn)油站采用雙管摻水工藝流程加熱爐在7、8、9月地溫升高時(shí)，采取不加熱集輸工藝，故對(duì)加熱爐進(jìn)行停爐操作,不對(duì)其進(jìn)行分析。

2.2 加熱爐能分析結(jié)果

2.2.1 熱平衡分析結(jié)果

運(yùn)用表1數(shù)據(jù),通過(guò)加熱爐熱平衡模型計(jì)算,2016年5月到2017年4月正、反平衡熱效率見(jiàn)圖3(由于7、8、9月采取停爐操作,故圖3～8中7、8、9月數(shù)據(jù)均未表示)。

表1加熱爐效率和熱效率基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表

年份月份燃料消耗量/(m3·d-1)燃料溫度/K進(jìn)口溫度/K出口溫度/K回?fù)剿髁?(104 kg·h-1)環(huán)境溫度/K201713.36×103272.15309.65332.583.67257.6522.38×103270.05313.15338.472.50263.1532.34×103270.75311.65337.072.35272.6541.31×103272.25310.15327.221.98282.65201651.44×103275.25312.15330.672.09289.656131.8283.45312.58314.272.48294.15101.23×103273.15310.45321.553.36281.65112.79×103278.95309.44327.694.12264.15123.16×103275.05310.23330.753.96260.15

排煙損失在熱損失中占主導(dǎo)地位,散熱損失次之,不完全燃燒損失可忽略[4],由圖3數(shù)據(jù)可以看出。2016年6月和10月的環(huán)境溫度較其他月份高,爐體溫度與環(huán)境之間溫差變小,散熱損失降低;而爐體排煙損失也由于入口冷空氣溫度的提高,而使其與排煙溫度差的幅度變低,從而減少了爐體排煙損失,使其熱效率變高。從全年整體來(lái)看,6月和10月環(huán)境溫度較高月份效率較高,寒冷月份效率較低,熱效率與環(huán)境溫度呈一定程度的正相關(guān)。

圖3 加熱爐全年的熱效率

圖4 排煙過(guò)程損系數(shù)

圖5 冷卻過(guò)程損系數(shù)

圖6 換熱過(guò)程損系數(shù)

圖7 燃燒過(guò)程損系數(shù)

圖8 加熱爐全年效率

表2加熱爐的平衡與能平衡分析結(jié)果對(duì)照

項(xiàng)目能平衡分析平衡分析熱值/(kJ·kg-1)熱損率/(%)值/(kJ·kg-1)損系數(shù)/(%)燃料供給能2.27×106100.002.37×106100.00有效輸出1.42×10662.521.6×1058.71外部損失 排煙損失4.59×10574.62.21×10510.0 不完全燃燒損失4.53×1030.704.41×1030.20 散熱損失1.51×10524.61.02×1054.60內(nèi)部損失 燃燒反應(yīng)過(guò)程損失--3.05×10513.80 換熱過(guò)程損失--8.23×10537.30 冷卻過(guò)程損失--6.09×10527.60

3 改進(jìn)措施

3.1 改進(jìn)二合一加熱爐的措施

3.1.1 減少排煙損失

排煙溫度的降低亦可提高加熱爐的熱效率。但排煙溫度過(guò)低會(huì)使受熱面壁面溫度低于排煙氣體的酸露點(diǎn),使受熱面金屬發(fā)生腐蝕,帶來(lái)安全隱患[11]。加熱爐排煙溫度主要影響因素為燃料氣含水率和加熱爐負(fù)荷率。隨著燃料氣含水率升高,同樣會(huì)降低爐膛溫度,致使排煙溫度升高;由于負(fù)荷遞減,燃料量隨之下降,但爐膛容積不變,將導(dǎo)致?tīng)t膛產(chǎn)熱的強(qiáng)度降低,爐膛溫度降低,削弱爐內(nèi)輻射傳熱,排煙溫度也相應(yīng)提高?？梢圆捎寐?lián)合站來(lái)的干氣作為加熱爐燃料并通過(guò)調(diào)節(jié)熱爐負(fù)荷率來(lái)降低加熱爐排煙溫度[12]。

3.1.2 減少燃燒過(guò)程損失

3.1.3 減少換熱損失

隨著油氣集輸工藝不斷變化,加熱介質(zhì)成分復(fù)雜,物性難以掌控,含鹽、含泥沙、含懸浮顆粒的工況增多,因結(jié)垢而導(dǎo)致熱阻、流動(dòng)阻力的增大,使加熱爐的換熱損失增加。其中Ca2+、Mg2+離子是硬垢形成的主要原因,由于人工清垢、添加防垢劑和酸洗等清垢方法成本高,故采用在二合一進(jìn)口匯管處添加防垢儀的方法除垢,以延長(zhǎng)清垢周期[15]。也可從操作規(guī)范優(yōu)化角度改進(jìn)除垢的方法,優(yōu)化摻水溫度,通過(guò)在合理范圍內(nèi)降低摻水溫度,增加流速的方法來(lái)減緩結(jié)垢速率,此方案從節(jié)能和延長(zhǎng)加熱爐壽命的兩方面來(lái)解決結(jié)垢問(wèn)題。

3.1.4 回收排煙余熱

3.1.5 減少散熱損失

3.2 更換更高效率的設(shè)備

3.2.1 改二合一加熱爐為相變加熱爐

相變加熱爐與火筒加熱爐相比,前者屬于間接式加熱爐,相變加熱爐火筒壁基本不會(huì)結(jié)垢結(jié)焦,不會(huì)發(fā)生爐管損壞及爆管事故,安全系數(shù)更高。相變加熱爐以沸騰和凝結(jié)換熱代替?zhèn)鹘y(tǒng)的火筒加熱爐自然對(duì)流換熱,換熱損失更小,由于換熱損失占總損失的比重很大,故相變加熱爐的效率更高[18]。

3.2.2 用其他系統(tǒng)替代加熱爐系統(tǒng)

加熱爐的內(nèi)部損失由于傳熱過(guò)程的特性,溫差過(guò)大引起的不可逆過(guò)程是無(wú)法在加熱爐結(jié)構(gòu)上解決的,不能滿(mǎn)足能級(jí)匹配的要求,故可采用以下方法替換加熱爐。

3.2.2.1 改加熱爐為熱-電-動(dòng)聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

為滿(mǎn)足能級(jí)匹配,即盡可能縮小供熱物與受熱物之間的能級(jí)差。實(shí)現(xiàn)能量的梯級(jí)利用。故可以采用熱—電—?jiǎng)勇?lián)產(chǎn)系統(tǒng)對(duì)整個(gè)轉(zhuǎn)油站進(jìn)行供能,其中燃?xì)廨喭蟿?dòng)工作機(jī)(一級(jí)利用)——余熱鍋爐(二級(jí)利用)——低溫余熱回收器(三級(jí)利用)[19]。這樣實(shí)現(xiàn)了燃?xì)獾幕瘜W(xué)能梯級(jí)利用,使整個(gè)系統(tǒng)效率得到大幅度提升。此系統(tǒng)適用于耗能體量較大、以天然氣為燃料的礦區(qū)。

3.2.2.2 改加熱爐為熱泵

通過(guò)泵加壓、加熱爐加熱的油水混合物,從井口輸送到轉(zhuǎn)油站進(jìn)行油水分離,分離出的污水溫度40～50 ℃。從目前油田生產(chǎn)情況來(lái)看,這些低溫污水的熱量大部分未能被充分利用,僅用于回注或回?fù)絒20]?？梢酝ㄟ^(guò)用熱泵回收污水熱量的方式代替油田加熱爐,提高整個(gè)系統(tǒng)的效率。

4 結(jié)論

2)加熱爐的內(nèi)部損失占加熱爐整個(gè)能耗的九成,其中換熱過(guò)程損失和冷卻過(guò)程損失占比最大。傳統(tǒng)的能分析中,占比最大的排煙過(guò)程損失只占整個(gè)損失的很小一部分,故傳統(tǒng)節(jié)能方法并不能有效地提高加熱爐的效率,應(yīng)從加熱爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)著手,以能級(jí)匹配為原則,設(shè)計(jì)更適用于油田及效率更高的加熱爐。