油田加熱爐提效措施研究與運(yùn)用

王翀 孫聰 楊濟(jì)源

（1.遼河油田建設(shè)有限公司；2.遼河油田安全環(huán)保技術(shù)監(jiān)督中心）

油田作為油品的大型生產(chǎn)基地，各生產(chǎn)環(huán)節(jié)用熱負(fù)荷較大，加熱爐數(shù)量較多，導(dǎo)致能源消耗量大；況且油田加熱爐普遍存在分布零散、工作環(huán)境惡劣、運(yùn)行負(fù)荷多變，以及運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、自動(dòng)化水平低等問題，熱效率普遍偏低[1]。以遼河油田為例，共有加熱爐1 萬余臺(tái)，年折合總耗能約為43×104t標(biāo)煤，年平均熱效率卻僅有80%左右。

1 加熱爐現(xiàn)存問題

1.1 使用年限長(zhǎng)，設(shè)備老化嚴(yán)重

由于油田開發(fā)年限長(zhǎng)，使用中的加熱爐普遍存在老化問題，出現(xiàn)了殼體脫落、保溫效果差、結(jié)垢嚴(yán)重等現(xiàn)象。早期建設(shè)的加熱爐受到當(dāng)時(shí)技術(shù)條件限制，熱效率都相對(duì)較低，且還使用人工點(diǎn)火的方式，存在安全隱患[2]。由于受國家宏觀經(jīng)濟(jì)及環(huán)保政策影響，新建加熱設(shè)備呈減少趨勢(shì)，更新?lián)Q代具有難度。

1.2 排煙溫度高，熱損失大

排煙損失作為熱損耗中比重最大的部分，其大小與排煙溫度密切相關(guān)，排煙溫度每提高12～15 ℃，熱損失會(huì)增加1%左右[3]。老式加熱爐由于煙道積灰嚴(yán)重及內(nèi)部傳熱效果差原因，排煙溫度高于平均水平，并且余熱回收裝置不完善，造成煙氣熱量的浪費(fèi)。

1.3 空氣系數(shù)不達(dá)標(biāo)，燃燒不經(jīng)濟(jì)

空氣系數(shù)過大，多余冷空氣會(huì)被加熱并由煙囪帶走，引起排煙熱損失增加；而空氣系數(shù)過小，則不能保證燃料的完全燃燒[4]。一般條件下，該系數(shù)宜控制在1.1～1.3，如果條件允許，可進(jìn)一步精確到1.05～1.1。但實(shí)際上加熱爐結(jié)垢嚴(yán)重，加上燃燒器水平落后，導(dǎo)致進(jìn)風(fēng)量難以準(zhǔn)確把握；以及其他因操作不當(dāng)所引起的燃燒不徹底，不僅影響加熱爐熱效率，還會(huì)生成大量的CO、NOX等有害物質(zhì)，造成空氣污染。

1.4 自動(dòng)化水平低，管理欠缺

近幾年自動(dòng)化的運(yùn)用發(fā)展迅猛，如煙氣氧含量連續(xù)分析儀表，全自動(dòng)比例調(diào)節(jié)式燃燒器等[5]。通過對(duì)加熱爐工作數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控，進(jìn)一步提供了人工操作依據(jù)，及時(shí)提示技術(shù)人員進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，確保加熱爐處于節(jié)能、安全的生產(chǎn)狀態(tài)。但普遍老化的加熱爐不具備這一優(yōu)勢(shì)，不能保證加熱爐一直處在高效經(jīng)濟(jì)區(qū)工作，對(duì)出現(xiàn)的問題也不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)。

2 加熱爐提效單項(xiàng)技術(shù)

2.1 高效燃燒

1）優(yōu)化控制燃燒器。對(duì)于煙道靠近燃燒器的加熱爐，可在煙道中安裝余熱回收裝置，利用煙氣余熱給冷空氣加熱，保證穩(wěn)定燃燒時(shí)進(jìn)入燃燒室的空氣為預(yù)熱空氣[6]；并可利用自適應(yīng)控制技術(shù)，為加熱爐增加氧含量在線檢測(cè)，在線實(shí)時(shí)測(cè)量煙氣氧含量，保證燃燒始終處于最佳狀態(tài)。

該技術(shù)匯集了空氣預(yù)熱和自適應(yīng)控制技術(shù)，擁有遠(yuǎn)程通訊及控制功能，具有高節(jié)能率和安全可靠性，但改造難度較大。適用于中大型燃?xì)忮仩t，以及油田專用的燃?xì)饧訜釥t、真空相變加熱爐等。應(yīng)用此技術(shù)后，熱效率平均提升約5%，靜態(tài)投資回收期4 年左右，投資節(jié)能量約1.66 tce/萬元，有效使用年限10年左右。

2）膜法富氧燃燒。利用空氣中氧氣和氮?dú)馔ㄟ^富氧膜時(shí)滲透率的不同，可在壓差驅(qū)動(dòng)下得到富氧空氣，用這種空氣作助燃空氣的燃燒稱為富氧燃燒。該燃燒裝置把膜法富氧發(fā)生器與加熱爐燃燒器結(jié)合在一起，提高了火焰溫度和熱量利用率，降低了空氣過量系數(shù)，減少了排煙損失[7]。

這種技術(shù)可讓燃料充分燃燒，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命；但也會(huì)導(dǎo)致尾氣中氮氧化物含量較高，造成環(huán)境污染，并且操作中需要定期反洗，維護(hù)成本較高，適用于2 MW 以上的油氣田加熱爐。應(yīng)用此技術(shù)后，熱效率平均提升約3.5%，靜態(tài)投資回收期2 年左右，投資節(jié)能量約1.34 tce/萬元，有效使用年限5年左右。

3）溫包式加熱爐溫度自動(dòng)控制裝置。溫包是散熱器恒溫閥的組成元件，用來感受溫度變化并產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)動(dòng)作，其中的工質(zhì)通常為液體、固體或者氣液混合體。該裝置主要根據(jù)溫包的熱脹冷縮原理來控制加熱爐進(jìn)氣量，進(jìn)而調(diào)節(jié)加熱爐溫度[8]。當(dāng)爐膛內(nèi)溫度升高時(shí)，溫包內(nèi)工作介質(zhì)體積急劇增大，使密封容室的壓力增大，推動(dòng)閥芯向上位移，自動(dòng)關(guān)小閥門，減小進(jìn)氣量；反之，開大閥門，增大進(jìn)氣量。

該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)方便，但提效效果不太理想，控制精度略低。應(yīng)用此技術(shù)后，熱效率平均提升約1.5%，靜態(tài)投資回收期1.1 年左右，投資節(jié)能量約1.67 tce/萬元，有效使用年限10年左右。

2.2 高效換熱

1）無機(jī)傳熱熱管。用若干種無機(jī)鹽配制成無機(jī)材料，放在密封的真空容器中，無機(jī)鹽一旦接觸到熱量就激發(fā)出微粒進(jìn)行高速運(yùn)動(dòng)并相互碰撞，實(shí)現(xiàn)快速高效傳熱，熱量損耗幾乎不計(jì)。無機(jī)傳熱技術(shù)是傳統(tǒng)熱管技術(shù)的升級(jí)，用該技術(shù)制成高效熱管可提高加熱爐傳熱效率3倍及以上[9]。

無機(jī)傳熱熱管的換熱效率高、體積小，使用溫度可達(dá)1 000 ℃，安全穩(wěn)定且維護(hù)費(fèi)用低，但靜態(tài)投資回收期較長(zhǎng)。應(yīng)用此技術(shù)后，熱效率平均提升約5%，靜態(tài)投資回收期5.2年左右，投資節(jié)能量約1.28 tce/萬元，有效使用年限6年左右。

2）引射式輻射管。引射式輻射管燃燒主要是利用天然氣自身能量引射空氣，并使天然氣在輻射管內(nèi)燃燒，從而加熱輻射管。引射式輻射管采用直管式，由耐高溫不銹鋼板卷制焊接而成，被加熱的輻射管外表面能夠以漫輻射的方式將熱量投射到火筒內(nèi)表面，使火焰燃燒高溫區(qū)傳遞到火筒的熱負(fù)荷均勻化，降低局部熱流密度最高值；同時(shí)，將輻射管出口處的煙氣溫度控制在安全溫度以下，避免火筒因高溫而燒損[10-11]。

輻射管的直徑對(duì)燃燒無影響，燃燒狀況穩(wěn)定，無爆燃、脫火和回火現(xiàn)象發(fā)生；同時(shí)火管壁面溫度的分布更均勻，溫差通常小于50 ℃，可延緩火管燒損或穿孔現(xiàn)象；輻射管的安裝對(duì)燃燒器的輸出功率無影響，煙氣排放指標(biāo)不變，排煙溫度下降。它適用于燃?xì)饣鹜彩郊訜釥t，尤其適用于二合一加熱爐。應(yīng)用此技術(shù)后，熱效率平均提升約2%，靜態(tài)投資回收期0.8年左右，投資節(jié)能量約8.23 tce/萬元，有效使用年限6年左右。

2.3 阻垢防垢

1）加熱爐可抽式煙火管。可抽式煙火管主要用于加熱爐爐管的可拆性連接。其基本原理是：采用1 個(gè)火管和1 組細(xì)煙管束分層排列，細(xì)煙管束盡量集中排列，以便節(jié)省爐膛空間；將火管、煙管焊接在管板法蘭上，法蘭與管板法蘭采用螺栓連接，煙火管由滾筒支撐，組成可抽式煙火管結(jié)構(gòu)，管板法蘭與封頭上接管采用法蘭連接。當(dāng)需要清爐維修或更換時(shí)，可不割開封頭而將煙火管從爐體內(nèi)抽出，且加熱爐熱效率始終保持較高水平[12]。

細(xì)煙管束提高了加熱爐的傳熱系數(shù)，而煙火管抽送自如，清垢方便徹底，延長(zhǎng)了加熱爐的使用壽命。但是加熱爐清淤空間變小，燃燒器需更換微正壓燃燒器，對(duì)燃?xì)庖筝^高。它適用于火筒式加熱爐，一般用于采出液黏度較大的場(chǎng)合。應(yīng)用此技術(shù)后，熱效率平均提升約3%，靜態(tài)投資回收期2.4年左右，投資節(jié)能量約1.28 tce/萬元，有效使用年限10年左右。

2）刮板機(jī)械式自動(dòng)除防垢加熱裝置。該裝置為分體式結(jié)構(gòu)，即加熱爐和換熱器分體設(shè)置。工作時(shí)，載熱體由出口通過管道進(jìn)入換熱器管程，同時(shí)被加熱介質(zhì)由入口進(jìn)入換熱器殼程，在換熱器內(nèi)載熱體與被加熱介質(zhì)充分換熱，冷卻后的熱載體通過回口流回加熱爐重新加熱升溫，被加熱介質(zhì)吸熱升溫后由出口流出。工作中，其減速機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸帶動(dòng)除垢鋼刷在換熱器內(nèi)的換熱體上下表面運(yùn)動(dòng)，除掉或防止污垢沉積在換熱體的表面上，從而達(dá)到除垢目的[13]。

火筒上安裝了高效熱管，能增強(qiáng)換熱，在加熱聚合物驅(qū)、三元復(fù)合驅(qū)采出液及其污水時(shí)具有明顯優(yōu)勢(shì)。由于換熱器立式安裝運(yùn)行，和其他“二合一”同站操作時(shí)，液位調(diào)控稍有難度；因?yàn)槌拦感Ч?，出換熱器的被加熱介質(zhì)含垢量大，加大了管線結(jié)垢程度。它適用于油田轉(zhuǎn)油站、聯(lián)合站的泵前加熱流程，用以加熱原油和含有各種雜質(zhì)（聚合物、顆粒物）污水。應(yīng)用此技術(shù)后，熱效率平均提升約7%，靜態(tài)投資回收期3.1年左右，投資節(jié)能量約2.12 tce/萬元，有效使用年限10年左右。

3）化學(xué)清洗除垢。化學(xué)清洗方法是將清洗劑注入循環(huán)系統(tǒng)，利用化學(xué)反應(yīng)使管線壁上的垢質(zhì)分解、溶解、脫落，隨后同廢液一起排掉。除了酸堿清洗藥劑外，還要添加絡(luò)合劑，以降低藥劑對(duì)容器的腐蝕程度。堿性藥劑主要是除去換熱面介質(zhì)側(cè)的油垢，酸性藥劑主要是除去碳酸鹽、硅酸鹽等垢質(zhì)。除垢后宜對(duì)換熱面介質(zhì)側(cè)進(jìn)行鈍化處理，以減緩?fù)懂a(chǎn)后的結(jié)垢速度。在除垢清洗過程中，可加氣體擾動(dòng)以提高除垢速度和除垢質(zhì)量[14]。

該技術(shù)使用廣泛，清除污垢徹底且速度快；但會(huì)產(chǎn)生部分有毒氣體，酸堿清洗廢液處理不當(dāng)易對(duì)環(huán)境造成污染，清洗過程時(shí)間長(zhǎng)且不易徹底清垢。應(yīng)用此技術(shù)后，熱效率平均提升約4%，靜態(tài)投資回收期0.4 年左右，投資節(jié)能量約17.28 tce/萬元，有效使用年限1年左右。

3 加熱爐提效集成技術(shù)

3.1 煙氣余熱回收

1）空氣預(yù)熱+高效燃燒。系統(tǒng)利用空氣預(yù)熱器吸收煙氣中的余熱，對(duì)助燃空氣進(jìn)行預(yù)熱，以減少排煙損失。其中，燃燒器主要有兩種形式，普通機(jī)械式燃燒器和電子比調(diào)式燃燒器。

經(jīng)過預(yù)熱器的熱空氣進(jìn)入爐內(nèi)后，加速了燃料的干燥、著火和燃燒過程，保證爐內(nèi)穩(wěn)定燃燒；由于爐內(nèi)燃燒得到改善和強(qiáng)化，加上進(jìn)入爐內(nèi)的熱風(fēng)溫度提高，爐內(nèi)平均溫度也有提高，從而可強(qiáng)化爐內(nèi)輻射傳熱。但該技術(shù)不能適應(yīng)加熱爐高低負(fù)荷的變化，自動(dòng)調(diào)整能力差，適用于排煙溫度180 ℃以上的油田加熱爐、注汽爐等。應(yīng)用此技術(shù)后，熱效率約提升7%，靜態(tài)投資回收期2 年左右，投資節(jié)能量約2.1 tce/萬元，有效使用年限8年左右。

2）熱管介質(zhì)預(yù)熱+高效燃燒。一方面利用熱管回收的煙氣余熱加熱介質(zhì)，另一方面利用全自動(dòng)進(jìn)口高效燃燒器，實(shí)現(xiàn)空氣與燃料比的自動(dòng)跟蹤調(diào)節(jié)，減少運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)空氣不足或過剩的現(xiàn)象，提高燃燒效率。系統(tǒng)主要由燃燒器、熱管預(yù)熱器、煙氣旁通調(diào)節(jié)閥、被加熱介質(zhì)管道及儀表自控系統(tǒng)組成。熱管介質(zhì)預(yù)熱+高效燃燒集成技術(shù)的應(yīng)用如圖1所示。

圖1 熱管介質(zhì)預(yù)熱+高效燃燒集成技術(shù)示意圖

熱管換熱器可較易地實(shí)現(xiàn)冷、熱流體的逆流換熱，有傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、流體阻損小等優(yōu)點(diǎn)，能有效降低排煙溫度；與其他煙氣余熱回收技術(shù)相比，燃燒器與余熱回收裝置沒有關(guān)聯(lián)，可選用余地大；但其適用范圍窄，一般用于被加熱介質(zhì)為水的場(chǎng)合。應(yīng)用此技術(shù)后，熱效率平均提升約8.0%，靜態(tài)投資回收期1.4 年左右，投資節(jié)能量約3.9 tce/萬元，有效使用年限10年左右。

3）煙氣冷凝+高效燃燒。通過在加熱爐尾部煙道上安裝冷凝器將煙氣熱量大部分回收，使排煙溫度降至90 ℃以下；同時(shí)，應(yīng)用了全自動(dòng)進(jìn)口高效燃燒器，有效提高了燃燒效率。煙氣冷凝系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 煙氣冷凝系統(tǒng)流程

加裝煙氣余熱冷凝回收裝置后，熱效率可超過98%，在較理想的工況下節(jié)氣率可達(dá)6%～15%，顯著降低了運(yùn)行費(fèi)用；并且冷凝器煙氣側(cè)阻力不大于500 Pa，實(shí)際使用完全不會(huì)影響鍋爐的燃燒。它適用于功率燃料為天然氣的真空加熱爐、水套爐、火筒式加熱爐等爐型。應(yīng)用此技術(shù)后，熱效率平均提升約11%，靜態(tài)投資回收期1.8 年左右，投資節(jié)能量約4.5 tce/萬元，有效使用年限10年左右。

3.2 高效燃燒

1）高效燃燒+輻射涂料。通過利用全自動(dòng)進(jìn)口高效燃燒器，實(shí)現(xiàn)空氣與燃料比的自動(dòng)跟蹤調(diào)節(jié)。同時(shí)，在爐管（管式加熱爐）外壁或火筒內(nèi)壁噴涂強(qiáng)化吸收涂料來提高黑度，增強(qiáng)輻射熱的吸收能力，在生產(chǎn)負(fù)荷不變的前提下，可以減少燃料的消耗，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

高溫涂料可提高爐管及火筒表面黑度，從而提高輻射率，減少受熱面平均灰垢厚度，降低結(jié)焦強(qiáng)度，爐內(nèi)受熱面輻射和傳導(dǎo)熱量增加；但涂層壽命短，運(yùn)行1～3年后性能下降。應(yīng)用此技術(shù)后，熱效率平均提升約5.5%，靜態(tài)投資回收期1.4 年左右，投資節(jié)能量約3.3 tce/萬元，有效使用年限10 年左右。

2）高效燃燒+對(duì)流強(qiáng)化傳熱。采用波形火筒可使燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔庑纬赏牧餍Ч?，可增大換熱面積、強(qiáng)化輻射傳熱，達(dá)到增加換熱能力的目的。螺紋煙管管壁上的凹槽可以強(qiáng)化煙氣擾流，使煙氣在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生湍流作用，能在有相變和無相變的傳熱過程中顯著提高內(nèi)外的傳熱系數(shù)，起到雙邊強(qiáng)化作用。

波紋爐膽可以吸收火筒熱脹冷縮時(shí)產(chǎn)生的位移，延長(zhǎng)火筒的使用壽命，提高安全系數(shù)。采用螺紋煙管可以在耗費(fèi)同樣材料的情況下，增大換熱系數(shù)，增強(qiáng)換熱。應(yīng)用此技術(shù)后，熱效率平均提升約5.5%，靜態(tài)投資回收期1.6 年左右，投資節(jié)能量約2.7 tce/萬元，有效使用年限3年左右。

4 現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)應(yīng)用

在遼河油田提效工作的開展中，主要依據(jù)“高效燃燒、高效換熱、防垢阻垢”三大技術(shù)及集成技術(shù)，對(duì)老舊加熱爐實(shí)施整體更換或改造2 000 余臺(tái)，致使加熱爐平均排煙溫度下降6 ℃，空氣系數(shù)下降0.5，負(fù)荷率提高7.6%，整體熱效率提高4.8%，取得節(jié)能效果（表1）。

表1 加熱爐節(jié)能效果

5 結(jié)束語

1）遼河油田通過開展一系列節(jié)能工作，成功實(shí)現(xiàn)熱效率提高4.8%，節(jié)能量達(dá)到0.86×104t(標(biāo)煤)，為今后的節(jié)能工作開展提供思路。

2）隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步和大量自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用，未來的發(fā)展將是呈信息化趨勢(shì)，人為影響因素將進(jìn)一步削弱，加熱爐的爐效優(yōu)化仍有巨大提升空間，并且提效技術(shù)將更加智能化與時(shí)效化。