楊秀麗胡曉峰鄭煒博樊娜劉曉雷

（1.勝利油田技術檢測中心；2.魯勝石油開發(fā)有限責任公司）

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油田加熱爐運行現(xiàn)狀及節(jié)能潛力分析

楊秀麗1胡曉峰1鄭煒博1樊娜1劉曉雷2

（1.勝利油田技術檢測中心；2.魯勝石油開發(fā)有限責任公司）

國內(nèi)多數(shù)油田已進入開發(fā)后期，高含水原油、稠油、特稠油比例越來越大，原油脫水溫度高于輕中質(zhì)原油，加熱系統(tǒng)能耗大，目前90%聯(lián)合站仍使用加熱爐提高脫水溫度和外輸溫度，因此加熱爐的運行效果影響了原油集輸系統(tǒng)的熱能消耗。通過對勝利油田加熱爐檢測數(shù)據(jù)的匯總分析，掌握了目前油田加熱爐運行現(xiàn)狀，分析了影響加熱爐運行熱效率的各種因素和影響規(guī)律，根據(jù)各項監(jiān)測結果找出加熱爐運行時存在的主要問題，并提出優(yōu)化措施，分析了加熱爐節(jié)能潛力。

加熱爐；熱效率；熱損失；節(jié)能

加熱爐是將燃料燃燒產(chǎn)生的熱量傳給被加熱介質(zhì)而使其溫度升高的一種加熱設備。在油田的油氣集輸系統(tǒng)中，廣泛地使用著各種形式的加熱爐，它直接影響油田系統(tǒng)的熱能消耗和利用程度，是油氣集輸系統(tǒng)中的主要耗能設備［1］。據(jù)統(tǒng)計，加熱爐熱能消耗占油氣集輸系統(tǒng)的80%以上，由于現(xiàn)場使用條件要求，加熱爐經(jīng)常處于變工況下運行，如果操作人員不能根據(jù)加熱爐工況的改變及時進行調(diào)節(jié)，就會使得加熱爐的運行效率下降，造成燃料的浪費，因此提高加熱爐效率，使加熱爐長期處于優(yōu)化運行狀態(tài)對降低能源消耗具有重要意義。

1　加熱爐熱損失分析

為通過測試找出加熱爐運行時存在的問題，通常采用反平衡法對加熱爐進行熱工測定。反平衡測量法是通過測定各種燃燒產(chǎn)物熱損失和加熱爐散熱損失來確定效率的方法［2］，當被加熱介質(zhì)帶入加熱爐的熱量從輸入到輸出過程所產(chǎn)生的能量損失可以忽略時，反平衡法加熱爐熱效率按式（1）計算：式中:η2——反平衡法加熱爐熱效率，%；

q2——排煙熱損失，%；

q3——氣體未完全燃燒熱損失，%；

q4——固體未完全燃燒熱損失，%；

q5——散熱損失，%；

q6——灰渣物理熱損失，%。

油田加熱爐90%以上為燃油或燃氣加熱爐，因此公式（1）中的固體未完全燃燒熱損失和灰渣物理熱損失均為0，公式（1）可以簡化為

其中，排煙熱損失是加熱爐熱損失中比例最重的一個，而影響排煙熱損失的主要因素是過?？諝庀禂?shù)和排煙溫度兩個運行指標。按公式（3）進行計算：

式中：α——過?？諝庀禂?shù)；

tpy——排煙溫度，℃；t0——環(huán)境溫度，℃。

散熱損失是較排煙熱損失之后的又一大熱損失，加熱爐的散熱損失主要取決于加熱爐的散熱面積、爐體外表面溫度情況和運行負荷率，可按下式進行計算：

式中：q1'，q2'，q3'，...qn'——各區(qū)段的散熱強度，kJ/（m2·h）；

F1，F(xiàn)2，...，F(xiàn)n——各區(qū)段的面積，m2；

Qr——加熱爐供給熱量，kJ/h。

占加熱爐總熱損失最小比例的是氣體未完全燃燒熱損失，主要是由于過小的過?？諝庀禂?shù)造成的，過?？諝膺^小會使燃料燃燒不充分，可按公式（5）進行計算：

式中：Vgy——排煙處干煙氣容積，m3/m3或m3/kg；

B——燃料消耗量，m3/h或kg/h；

CO'——排煙處CO，%；

H2'——排煙處H2，%；

CmHn'——排煙處CmHn，%。

2　加熱爐運行現(xiàn)狀分析

根據(jù)近幾年的測試統(tǒng)計，勝利油田各聯(lián)合站常運行加熱爐共195臺，平均額定功率為1658 kW，包括116臺燃氣加熱爐和79臺燃油加熱爐，測試結果見表1。根據(jù)SY/T 6275—2007《油田生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測規(guī)范》中規(guī)定的評價指標限定值，測試加熱爐平均排煙溫度為196.6℃，排煙溫度合格率為68.2%，燃氣加熱爐平均排煙溫度低于燃油加熱爐平均排煙溫度；平均過?？諝庀禂?shù)為2.08，過剩空氣系數(shù)合格率為56.4%，燃氣加熱爐平均過剩空氣系數(shù)高于燃油加熱爐平均過?？諝庀禂?shù)；平均熱效率為82.63%，熱效率合格率為84.1%，燃氣加熱爐熱效率合格率高于燃油加熱爐熱效率合格率。雖然熱效率合格率較高，但平均熱效率距國外平均85%～90%的水平仍有差距，而且排煙溫度和過剩空氣系數(shù)的合格率更低。按照SY/T 6275—2007中要求，分別從熱效率、排煙溫度、過?？諝庀禂?shù)、表面溫度4個監(jiān)測指標分析目前油田加熱爐運行現(xiàn)狀。

表1　加熱爐測試結果匯總

2.1加熱爐熱效率分析

加熱爐熱效率是評價加熱爐經(jīng)濟運行的重要指標，加熱爐熱效率的高低直接影響著原油集輸系統(tǒng)的熱能利用率和綜合能耗。從近幾年節(jié)能監(jiān)測結果來看，油田加熱爐平均熱效率比90年代監(jiān)測的加熱爐平均熱效率提高至少10個百分點，且已接近于國外平均水平，但離國外先進水平還有一段距離，統(tǒng)計結果見表2。

表2　加熱爐熱效率

由表2可以看出，25.1%的加熱爐熱效率低于80%，53.3%的加熱爐熱效率低于85%，只有6.7%的加熱爐熱效率達到了國外先進水平。

2.2加熱爐過?？諝庀禂?shù)

過剩空氣系數(shù)是衡量燃燒器性能的重要指標，也是加熱爐運行效果的重要監(jiān)測指標。通過對過?？諝庀禂?shù)進行實時監(jiān)測可以減少加熱爐的排煙熱損失和氣體未完全燃燒熱損失，目前油田加熱爐的過?？諝庀禂?shù)從0.96～11.16不等，其中33.3%的加熱爐過?？諝庀禂?shù)小于1.5，54.9%的加熱爐過?？諝庀禂?shù)小于1.9，僅有9.2%的加熱爐過?？諝庀禂?shù)大于3。

圖1　過?？諝庀禂?shù)與加熱爐熱效率的關系

由圖1可以看出，過剩空氣系數(shù)α在1.01～1.5時，熱效率達到最佳值。α低于1.01時，隨著α的降低，加熱爐的運行效率不斷降低，且變化較快。α大于1.5時，隨著α的增大，加熱爐運行效率總的趨勢是不斷降低的。α每增加0.1，熱效率降低約0.5%。而根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，僅有32.3%的加熱爐過?？諝庀禂?shù)在1.0～1.5。

2.3加熱爐排煙溫度

根據(jù)公式（2）可知，排煙溫度是影響排煙熱損失的另一個因素，而排煙溫度的高低又和過剩空氣系數(shù)密切相關的，只有同時降低加熱爐的排煙溫度和過剩空氣系數(shù)，才能使加熱爐的效率有較大的提高。根據(jù)目前的監(jiān)測結果，加熱爐排煙溫度從76.9～434℃之間不等，其中62.1%的加熱爐排煙溫度低于200℃，20%的加熱爐排煙溫度高于250℃。過?？諝庀禂?shù)在1.01～1.5時，不同排煙溫度的加熱爐與熱效率之間的關系見圖2，從圖中可以看出，排煙溫度低于200℃的加熱爐熱效率較高，當加熱爐排煙溫度高于200℃時，每當排煙溫度增加10℃，加熱爐熱效率降低0.5個百分點。

圖2　排煙溫度與加熱爐熱效率的關系

2.4加熱爐爐體外表面溫度

SY/T 6275—2007中規(guī)定加熱爐爐體外表面溫度不高于50℃均為合格，本次測試的195臺加熱爐中僅6臺加熱爐的爐體外表面溫度高于50℃，97%的加熱爐外表面溫度達到標準要求，保溫效果良好。

3　加熱爐節(jié)能潛力分析

在加熱爐運行中，燃燒系統(tǒng)和熱交換系統(tǒng)的各個因素相互影響，最后綜合反映到熱效率上。從各項熱損失入手，進行系統(tǒng)的分析，可以找出問題的主要矛盾，通過監(jiān)測各項指標即可分析出影響加熱爐熱效率的主要環(huán)節(jié)。各項不合格監(jiān)測項目存在的主要問題及優(yōu)化措施見表3，從表中也可以看出控制各項監(jiān)測項目達到限定值和節(jié)能值的節(jié)能潛力，由于排煙溫度的高低和過剩空氣系數(shù)密切相關的，降低加熱爐的排煙溫度的同時過?？諝庀禂?shù)也發(fā)生變化，因此加熱爐熱效率的節(jié)能潛力不能簡單的認為是各項監(jiān)測項目達到規(guī)定值的節(jié)能潛力之和。

4　結論與建議

如前所述，構成上述原因的因素是多方面的，既有運行本身方面的因素，也有設計和設備安裝施工方面的因素。因此，欲解決加熱爐運行熱效率低的問題，也應該采取“綜合治理”的方法，不能局限于單從運行方面考慮，而應從設計、研發(fā)和運行幾方面同時采取正確的技術對策。

1）設計方面。首先要針對油田工藝加熱爐負荷率逐年遞減、熱功率多為中、小級，以及野外操作條件差的特點，確立這樣的設計原則：對負荷的變化要有較好的適應性，適當采用強化傳熱技術，尾部受熱面宜簡單可靠，墻體保溫盡量采用新材料新工藝。

表3　不合格監(jiān)測項目問題分析匯總

2）研發(fā)方面。應以研制負荷變化適應性能好的燃燒器為重點，其關鍵技術是如何確保在低于經(jīng)濟負荷段，隨著負荷率的下降過?？諝庀禂?shù)仍接近合理值。可以說這是一種適應于油田工藝加熱爐特殊需要的專用燃燒器。

3）運行方面。主要是穩(wěn)定運行工況，及時調(diào)整參數(shù)，注意觀察檢查，不斷總結操作經(jīng)驗。此外，還應定期進行熱平衡試驗，以便發(fā)現(xiàn)存在問題，及時加以解決。

［1］黃春芳.原油管道輸送技術［M］.北京：中國石化出版社，2005.

［2］中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會.加熱爐熱工測定：SY/T 6381—2008［S］.北京：中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標準，2008.

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.09.010

2016-01-22

（編輯王古月）

楊秀麗，工程師，2009年畢業(yè)于石油大學（油氣儲運專業(yè)），從事節(jié)能監(jiān)測工作，E-mail:cherry-xl@163.com，地址：山東省東營市濟南路2號檢測中心能源站，257000。