油田加熱爐節(jié)能技術(shù)應(yīng)用效果評(píng)價(jià)研究

陳立達(dá)，楊光，宋晶

中國石油遼河油田分公司安全環(huán)保技術(shù)監(jiān)督中心（遼寧盤錦 124010）

油田各生產(chǎn)環(huán)節(jié)用熱負(fù)荷大、加熱爐數(shù)量多，能源消耗量巨大。但由于工作環(huán)境惡劣、運(yùn)行負(fù)荷多變，以及運(yùn)行時(shí)間長、設(shè)備老化、自動(dòng)化水平低等原因，加熱爐熱效率普遍偏低[1]。針對(duì)該問題，油田采用節(jié)能技術(shù)來提高能效，主要包括節(jié)能燃燒器技術(shù)、新型保溫技術(shù)、加熱爐清洗除垢技術(shù)及余熱利用技術(shù)等[2]。目前，加熱爐的節(jié)能評(píng)價(jià)以GB/T 24848—2010《石油工業(yè)用加熱爐能效限定值及能效等級(jí)》中的二級(jí)能效為標(biāo)準(zhǔn)，但其對(duì)各節(jié)能技術(shù)尚無單獨(dú)的熱效率指標(biāo)限值，無法獲取節(jié)能技術(shù)對(duì)加熱爐熱效率提升的具體貢獻(xiàn)率[3]。且加熱爐使用一段時(shí)間后，現(xiàn)有工況、運(yùn)行條件與之前存在差異，測(cè)得的熱效率值也發(fā)生變化。因此，結(jié)合油田加熱爐使用情況，以常見的額定功率為0.4 MW的管式加熱爐為研究對(duì)象，運(yùn)用FLUENT與HYSYS軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，確定加熱爐常用的節(jié)能技術(shù)對(duì)熱效率的貢獻(xiàn)程度，為油田加熱爐在應(yīng)用節(jié)能技術(shù)時(shí)選用更高效的措施提供理論依據(jù)。

1 非節(jié)能型燃燒器能效數(shù)值模擬

基于非節(jié)能型加熱爐的基本結(jié)構(gòu)[4]，應(yīng)用FLU?ENT 軟件建立加熱爐火筒的三維模型[5]，并選用標(biāo)準(zhǔn)k-? 湍流模型、物質(zhì)輸送和有限速率化學(xué)反應(yīng)燃燒模型、離散坐標(biāo)輻射模型、污染物形成模型對(duì)火筒三維空間內(nèi)的天然氣燃燒進(jìn)行數(shù)值模擬[6]，定量分析燃料氣與空氣的速度比，以及燃料氣用量的最優(yōu)數(shù)值[7]，為下一步節(jié)能技術(shù)研究提供數(shù)值計(jì)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

模擬對(duì)比中分別選取速度比2.0、2.5、3.5、4.5，和燃料用量120、140、160、180、200、220、240 m3/h。通過分析兩組參數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)、CO2濃度場(chǎng)、O2濃度場(chǎng)和流場(chǎng)的影響，得出燃料氣與空氣的速度比為3.5、燃料用量為200 m3/h時(shí)，湍流混合速度可有效提高，形成低氧燃燒環(huán)境，利于火筒內(nèi)溫度均勻分布，提高加熱爐運(yùn)行效率，同時(shí)能降低出口及附近壁面溫度，降低燒穿事故發(fā)生率，保證加熱爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2 節(jié)能型燃燒器能效數(shù)值模擬

為提高傳統(tǒng)非節(jié)能型加熱爐的加熱效率，利用加熱爐提效技術(shù)，主要從加強(qiáng)傳熱和換熱出發(fā)，改變加熱爐的幾何結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)燃燒效果和增大換熱面積[8]。

2.1 新型燃燒器燃料噴管角度

改變?nèi)剂线M(jìn)口噴嘴結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化燃燒[9]。改變傳統(tǒng)的直管燃料進(jìn)口，增大出口張角，加強(qiáng)燃料與空氣的湍流混合，提高火筒整體壁面平均溫度[10]?；谕牧魅紵碚?，應(yīng)用FLUENT 軟件對(duì)噴管張口角度為30°和60°進(jìn)行數(shù)值模擬，以分析強(qiáng)化燃燒后對(duì)加熱效率的改變程度[11]。圖1 是噴管張口角度為30°的情況。

圖1 加熱爐燃燒器噴管角度30°示意圖

利用前面對(duì)普通加熱爐模擬得到的最佳入口燃料流量200 m3/h、空氣和燃料氣速度比3.5，將其代入邊界條件進(jìn)行模擬[12]。從模擬云圖可以看出，改變?nèi)剂蠚鈬姽苓M(jìn)口角度可提高燃燒效率，在相同換熱面積的基礎(chǔ)上，隨著角度的增加，火筒的最高壁面溫度和平均壁面溫度都有所提升，但整體的提升程度不大，溫度分布見圖2。其中普通加熱爐的壁面平均溫度為1 361.2 ℃，噴管開口角度為30°和60°的加熱爐其壁面平均溫度分別為1 379.8℃和1 386.6℃。對(duì)于相同的傳熱面積，加熱效率提升程度不大。

圖2 火管和煙管內(nèi)壁面溫度分布云圖

2.2 新型燃燒器列管式煙管

在改變進(jìn)口噴嘴結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上改變煙管的換熱面積，加強(qiáng)換熱[13]。將傳統(tǒng)的煙管幾何結(jié)構(gòu)改為列管式分布，采用26 根直徑為90 mm 的煙管，左右各13 根，分3 層遞進(jìn)排列，如圖3 所示。應(yīng)用FLU?ENT 軟件對(duì)新型加熱爐火管進(jìn)行模擬，以分析新型加熱爐的加熱效率。

圖3 加熱爐燃燒器火筒結(jié)構(gòu)示意圖

從模擬結(jié)果看，加熱爐采用列管式煙管換熱面積增加到53.26 m2，與傳統(tǒng)加熱爐換熱面積31.93 m2相比，近乎增加一倍，大大提升了加熱效率。此結(jié)構(gòu)的加熱爐能有效降低排煙溫度，提高燃燒效率，并且利于溫度均勻分布，形成低氧燃燒環(huán)境，減少污染物排放。另外由于列管直徑較小，內(nèi)部流場(chǎng)流速最高可達(dá)42 m/s，對(duì)管壁沖刷效果好，不易結(jié)垢。

3 加熱爐節(jié)能技術(shù)貢獻(xiàn)程度

3.1 節(jié)能評(píng)價(jià)指標(biāo)

對(duì)各種結(jié)構(gòu)的加熱爐性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，需進(jìn)一步對(duì)熱效率進(jìn)行量化分析。根據(jù)GB/T 31453—2015《油田生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測(cè)規(guī)范》，進(jìn)口煙氣溫度取壁面平均溫度，出口煙氣溫度取180 ℃，得到4種類型加熱爐的參數(shù)見表1。

表1 4種類型加熱爐的參數(shù)

已知原油的平均相對(duì)分子質(zhì)量為300，標(biāo)準(zhǔn)密度為783.4 kg/m3，通過HYSYS 對(duì)原油進(jìn)行組分切割，得到原油組分。以此為基礎(chǔ)，利用HYSYS 軟件建立煙管換熱模型[14]，當(dāng)加熱爐煙管溫度從壁面平均溫度換熱到180 ℃時(shí)，可以計(jì)算得到原油量。對(duì)4種加熱爐分別進(jìn)行換熱模擬[15]，結(jié)果匯總見表2。

表2 換熱模擬結(jié)果

將設(shè)計(jì)基本參數(shù)及模擬得到的數(shù)據(jù)帶入熱效率和熱負(fù)荷的計(jì)算公式，可得到4 種類型加熱爐的性能綜合評(píng)價(jià)表[16]，具體數(shù)據(jù)見表3。

根據(jù)表3可知，4種類型的加熱爐中前3種加熱爐的熱效率基本相同，在72%左右，煙管采用列管式的加熱爐熱效率最高為90.59%，并且其熱負(fù)荷最大。說明通過改變加熱爐列管數(shù)，增大換熱面積能更高效地提高加熱爐熱效率，增大加熱爐熱負(fù)荷。

表3 4種類型加熱爐的性能綜合評(píng)價(jià)

3.2 余熱回收

熱效率是衡量加熱爐先進(jìn)性的一個(gè)重要指標(biāo)，提高加熱爐熱效率即意味著節(jié)約燃料、降低裝置能耗?；厥諢煔庵械挠酂?、降低排煙溫度是提高加熱爐熱效率、減少燃料耗量最重要的集成技術(shù)[17]。加熱爐火管出來的尾氣溫度高達(dá)180 ℃，其中攜帶著大量的熱能，需要對(duì)該熱量進(jìn)行回收利用，通過HY?SYS軟件建立尾氣余熱回收模型[18]。

3.3 節(jié)能貢獻(xiàn)程度分析

為提高傳統(tǒng)非節(jié)能型加熱爐的加熱效率，從改變?nèi)剂蠂娮爝M(jìn)口角度（30°和60°）、改變煙管換熱面積以及回收尾氣來降低能耗。通過分析以上3種節(jié)能加熱爐與普通加熱爐的熱負(fù)荷，得到改進(jìn)后的節(jié)能量并定量分析它們所占百分比，進(jìn)而了解管式加熱爐節(jié)能技術(shù)的節(jié)能貢獻(xiàn)程度，具體情況見表4。

從表4 可以看出，改造煙管帶來的節(jié)能貢獻(xiàn)率超過其余2 種措施之和，強(qiáng)化換熱是比強(qiáng)化燃燒和余熱回收更有力的節(jié)能技術(shù)。

表4 加熱爐節(jié)能技術(shù)的貢獻(xiàn)程度

4 結(jié)論

1）以0.4 MW的管式加熱爐為研究對(duì)象，定量分析了加熱爐節(jié)能技術(shù)的節(jié)能貢獻(xiàn)程度，改變?nèi)剂蠂娮爝M(jìn)口角度（30°和60°）、改變煙管換熱面積以及回收尾氣都能降低加熱爐能耗，其中增大煙管換熱面積對(duì)節(jié)能貢獻(xiàn)程度最大，貢獻(xiàn)率達(dá)到63.38%。

2）定量分析管式加熱爐各節(jié)能技術(shù)貢獻(xiàn)率的方法仍適用于其他類型加熱爐（水套爐、火筒爐、相變爐），并能為其他節(jié)能措施量化應(yīng)用效果，為各油田節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用與效果評(píng)價(jià)提供理論依據(jù)。