定向吸熱膜材在真空相變加熱爐的應(yīng)用

文_汪耀華 喬玖春 楊迪

1 中石油長慶油田分公司第十一采油廠 2 中石油長慶油田分公司第四采油廠 3 中石油吉林油田分公司吉松質(zhì)量技術(shù)

油田在原油生產(chǎn)過程中，對油井生產(chǎn)出的液體所采用的儲存、運(yùn)輸、油水分離、氣液分離等工藝，需要產(chǎn)出液體或原油保持在一定溫度，才能不發(fā)生凝結(jié)。根據(jù)管道原油加熱溫度的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對油水混合液的加熱溫度不應(yīng)超過原油初始沸點(diǎn)，通常要加熱至 40～50℃來增加原油（產(chǎn)出混合液）的流動性能。因此，要求加熱爐具有對液體處理能力大和連續(xù)加熱的能力。

1 改造需求說明

在日常的正常生產(chǎn)過程中，大部分加熱爐都要常年24h不間斷運(yùn)行，是油田生產(chǎn)過程中第一大能源消耗體。為了降低能源消耗、降低生產(chǎn)成本，國內(nèi)各個油田早在20世紀(jì)90年代就已經(jīng)開始使用真空相變加熱爐。

1.1 真空相變加熱爐的技術(shù)特點(diǎn)

真空相變加熱爐系統(tǒng)主要由爐體部分和燃燒器等其他輔助設(shè)備組成。其工作原理是：燃料燃燒后產(chǎn)生的熱浪在爐膛內(nèi)進(jìn)行熱傳導(dǎo)，使?fàn)t膛吸熱體真空膽內(nèi)處于負(fù)壓狀態(tài)的液態(tài)介質(zhì)（水或?qū)嵋海┪諢崮?，在一定的溫度條件下產(chǎn)生相變轉(zhuǎn)為蒸汽，蒸汽沸騰，再通過換熱器傳熱給被加熱介質(zhì)（油或混合液）。與被加熱工質(zhì)產(chǎn)生熱交換后，因傳熱介質(zhì)（水或?qū)嵋海┊a(chǎn)生的蒸汽溫度降低而冷凝后，在重力的作用下落回原位，再進(jìn)行加熱而轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝?。如此連續(xù)相變循環(huán)，傳熱介質(zhì)（水或?qū)嵋海┩ㄟ^蒸發(fā)-冷凝的相變過程，將熱量傳導(dǎo)到被加熱工質(zhì)。當(dāng)傳遞熱能過程達(dá)到一種平衡狀態(tài)時，可以保持在負(fù)壓狀態(tài)低于當(dāng)?shù)卮髿鈮毫l件下實現(xiàn)相變。因此，真空相變加熱爐與普通加熱爐相比能耗低、熱效率高，自動化程度高。

但是，經(jīng)過十幾年的油田生產(chǎn)運(yùn)行表明，真空相變加熱爐經(jīng)過5a以上運(yùn)行后（清灰除垢以后），熱效率也會比初裝時的原始設(shè)計熱效率明顯降低。其主要原因是真空相變加熱爐爐膛內(nèi)的吸熱體表面由于長期運(yùn)行形成的氧化膜層逐年加重，阻熱能力不斷加強(qiáng)，影響了真空相變加熱爐的熱交換水平。

1.2 真空相變加熱爐的運(yùn)行現(xiàn)狀

長慶油田第十一采油廠現(xiàn)有各類加熱爐334臺，其中真空相變加熱爐30臺，占比9%；平均使用壽命達(dá)到7a以上，最長使用達(dá)到10a，18臺真空相變加熱爐已經(jīng)生產(chǎn)運(yùn)行7a以上（含7年）。依據(jù)《油田生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測規(guī)范》和《石油工業(yè)用加熱爐熱工測定》等標(biāo)準(zhǔn)， 對我廠11臺熱效率偏低的真空相變加熱爐進(jìn)行了熱工監(jiān)測。經(jīng)監(jiān)測，實際平均熱效率為83.87%，而平均設(shè)計額定熱效率90.34%，比平均設(shè)計額定熱效率低6.47%；平均排煙溫度191℃，其中孟一聯(lián)1#、鎮(zhèn)二聯(lián)和鎮(zhèn)二聯(lián)等7臺加熱爐排煙溫度均超200℃，占比63.6%；經(jīng)節(jié)能監(jiān)測綜合評價8臺加熱爐節(jié)能評價不合格，占比72.7%。

2 改造實施后效果

2.1 節(jié)能改造后的運(yùn)行情況

11臺真空相變加熱爐進(jìn)行原始工況條件下的熱效率測試后，為降低排煙溫度，提升熱效率和節(jié)能率，我們編制了加熱爐提效措施，根據(jù)提效措施針對真空相變加熱爐采取了吸熱體（水冷壁）表面誕敷定向吸熱膜材技術(shù)措施。經(jīng)過5個月運(yùn)行后，對應(yīng)用吸熱體（水冷壁）表面誕敷定向吸熱膜材技術(shù)的真空相變加熱爐使用情況進(jìn)行了熱工監(jiān)測。經(jīng)監(jiān)測，11臺真空相變加熱爐平均排煙溫度從191℃降至149.1℃，下降了41.9℃；平均排煙處過量空氣系數(shù)從1.53降至1.34，下降了0.19；平均熱效率從83.87%升至88.30%，上升4.43%；平均節(jié)能率達(dá)到5.24%。

2.2 節(jié)能改造后的效果

2019年為提升加熱爐熱效率和加溫效率，對11臺真空相變加熱爐進(jìn)行了盤管清垢，爐體大修改造等技改造10臺次，投入資金120.86萬元，經(jīng)技改后，加熱爐熱效率和加溫效率提升不明顯。經(jīng)過2020年對真空相變加熱爐采用在吸熱體表面誕敷定向吸熱膜材技術(shù)后，排煙溫度、剩余空氣系數(shù)、爐體外表溫度、熱效率、節(jié)能率等五項考核技術(shù)指標(biāo)合格率均達(dá)到100%，而且僅運(yùn)行5個月節(jié)約天然氣折合標(biāo)準(zhǔn)煤459.37t，折合人民幣45萬元，11臺真空相變加熱爐投入資金53.35萬元，預(yù)計投入資金半年內(nèi)收回成本，詳細(xì)的對比測試數(shù)據(jù)見節(jié)能量計算結(jié)果匯總(表1)。

表1 節(jié)能量計算結(jié)果匯總表

3 定向吸熱膜材的節(jié)能技術(shù)原理

3.1 定向吸熱，提高熱能吸收效率

在真空相變加熱爐爐膛內(nèi)的受熱體（水冷壁）表面誕敷定向吸熱膜材，當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到 200℃時，形成固化瓷膜，膜層在高溫?zé)嵩吹淖饔孟?，在吸熱體（水冷壁）表面垂直于其切線方向產(chǎn)生的電磁波穿過吸熱體（水冷壁）表面向被加熱介質(zhì)直接輻射，使被加熱介質(zhì)的每一個分子同時獲得能量，提高了被加熱介質(zhì)的熱能吸收速率和熱能吸收效率，減少了排煙熱損失。

3.2 減少灰垢，保護(hù)環(huán)境

由于部分電磁波被折射爐膛，使?fàn)t膛的未燃燼的灰垢分子受到多次輻射而產(chǎn)生不規(guī)則運(yùn)動，這就增加了燃料懸浮粒子在爐膛內(nèi)的停留時間。在煙氣流漩渦分離作用下，細(xì)微燃料顆粒和飛灰甩回爐內(nèi)，形成微爆實現(xiàn)二次燃燒，減少了真空相變加熱爐的化學(xué)熱損失和灰垢分子在爐膛內(nèi)的吸熱體表面的吸附力，也減少飛灰逸出量，保護(hù)環(huán)境。

3.3 抗磨抗氧化，延長真空相變加熱爐爐膛內(nèi)的吸熱體（水冷壁）的使用壽命

在真空相變加熱爐爐膛內(nèi)的吸熱體表面（水冷壁）直接誕敷定向吸熱膜材，當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到 200℃時，定向吸熱膜材形成固化瓷膜，使真空相變加熱爐爐膛內(nèi)的受熱體表面實現(xiàn)了全密閉保護(hù)，抗燃料和氣體沖磨、抗氧化，為設(shè)備的安全運(yùn)行發(fā)揮重要的保護(hù)作用。

4 社會效益

根據(jù)《全國污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，在真空相變加熱爐爐膛內(nèi)的吸熱體（水冷壁）表面誕敷一種定向吸熱膜材， 11臺真空相變加熱爐運(yùn)行5個月，節(jié)能459.37tce，減少向大氣排放CO21204t、SO23905kg、NOX3399kg。