王亞男，吳勝繼

（中國石化管道儲運有限公司，湖北襄陽 441002）

魏荊線輸送原油為南陽油田高黏度、高凝點、高密度的“三高”原油，自2005年推行“油改氣”工程以來，全線22臺加熱爐已有19臺燃油加熱爐改造為燃氣或油氣兩用加熱爐，減少了污染排放，節(jié)省了大量的燃料成本，為企業(yè)帶來了較好的經(jīng)濟效益與社會效益，但直接式燃氣加熱爐在多年的運行過程中暴露出爐體結(jié)構(gòu)不合理、容易引發(fā)低溫腐蝕等問題。

1 直接式燃氣加熱爐的主要缺陷

1.1 輻射爐管表面溫度過高

現(xiàn)場檢測記錄表明，由于管線長年超低輸量運行（管線設(shè)計輸量350萬噸/年，實際90萬噸/年），原油在爐管中的流動狀態(tài)為層流，直接式加熱爐的爐管內(nèi)容易出現(xiàn)局部過熱、結(jié)焦，造成爐管表面溫度局部超高。正常工藝條件下，輻射室爐管管壁最高溫度已達535℃，遠高于設(shè)計最高溫度475℃（20#鋼爐管）[1]。溫度超高會導致爐管高溫蠕化、裂紋，縮短爐管的使用壽命，嚴重時甚至影響加熱爐的安全運行。

1.2 對流室爐管、釘頭管腐蝕較重

在煙氣排放過程中由于受環(huán)境溫度的影響，天然氣燃燒產(chǎn)生的大量冷凝水順著煙囪流入對流室釘頭管及天圓地方處，造成對流室爐管低溫水腐蝕。通過現(xiàn)場測量計算出對流室釘頭管直管段腐蝕速率最高達2.5 mm/a，彎頭箱彎管處最大腐蝕速率達到1.25 mm/a，腐蝕情況嚴重。

1.3 爐體結(jié)構(gòu)不符合天然氣的燃燒特性，爐效未達高效能標準

目前加熱爐改造主要針對燃燒系統(tǒng)即燃燒器，爐內(nèi)結(jié)構(gòu)并未發(fā)生任何變化，且近年來加熱爐爐效偏低，未達到高效運行（η≥90%）的要求。因此目前在用直接式燃氣加熱爐已不能完全滿足當前輸油生產(chǎn)運行要求，不符合綠色環(huán)保的標準。

根據(jù)輸油生產(chǎn)需要和公司要求，根據(jù)襄陽輸油處的魏荊線工藝運行條件、原油及天然氣的物性參數(shù)等進行了燃氣加熱爐方案設(shè)計。初步設(shè)想采用螺旋管直接爐、改進型快裝管式直接爐等各種直接爐的嘗試，后因計算原油壓力降過大、爐型沒有根本改變等其他因素而放棄。經(jīng)過調(diào)研，真空相變爐在江蘇油田及河南南陽油田都有應(yīng)用，綜合各方面因素及設(shè)計計算結(jié)果，最后選定真空相變加熱爐型，安裝在魏荊線冬季運行熱力消耗最多的胡集站加熱站。

表1 真空相變爐主要技術(shù)參數(shù)

圖1 真空相變加熱爐本體結(jié)構(gòu)

2 真空相變加熱爐結(jié)構(gòu)原理和應(yīng)用優(yōu)勢

2.1 真空相變加熱爐工作原理

真空爐在正常工作時，爐內(nèi)部壓力低于外界大氣壓力（小于0.01 MPa，通常為負壓），爐內(nèi)形成一定真空度的真空室。燃燒器點燃后，火焰在爐膽內(nèi)燃燒。熱量傳給熱媒水，使熱媒水在真空室中沸騰汽化，產(chǎn)生負壓蒸汽。負壓蒸汽在換熱盤管表面凝結(jié)，放出熱量，將管內(nèi)原油加熱升溫。管外負壓蒸汽則被冷卻凝結(jié)成水滴，再次被加熱汽化，如此反復循環(huán)（氣相與液相相互轉(zhuǎn)換）達到加熱目的。簡單說真空相變爐即鍋爐與換熱器的整合。真空爐在工作過程中，被原油帶走的熱量與燃料燃燒供給熱媒水、蒸汽的熱量處于一種動態(tài)平衡之中。所選用真空相變爐相關(guān)技術(shù)參數(shù)詳見表1。

2.2 真空相變加熱爐結(jié)構(gòu)

真空加熱爐采用鍋爐和換熱器一體化設(shè)計，二回程式背式結(jié)構(gòu)（見圖1），利用真空、相變原理，提高傳熱效率，減小爐體積。爐子在微負壓工況下工作，配置真空防爆片，保證鍋爐殼體在正常壓力下工作，再加上水浴溫度控制，蒸汽壓力控制，使鍋爐安全有三重保護，確保安全；且相變爐加熱的是熱媒水，不與原油直接接觸，大大提高運行安全系數(shù)。

2.3 自動控制與調(diào)節(jié)

相變爐實現(xiàn)了全自動控制，燃燒器采用進口奧林燃燒器，運行穩(wěn)定、各項保護參數(shù)設(shè)置齊全合理，爐前配置有氧化鋯在線檢測分析儀，可以根據(jù)煙氣中氧含量的變化及時調(diào)整燃燒器的氣風比例，確保燃料高效燃燒；燃燒器的出力控制則以水域溫度控制為目標，通過設(shè)定、調(diào)整水域溫度來間接控制燃燒器的輸出火力與負荷變化相適應(yīng)，保持出站溫度平穩(wěn)。除就地儀表顯示各項參數(shù)外，還可將信號遠傳至調(diào)度室，實現(xiàn)遠程監(jiān)控與調(diào)節(jié)，與原來的SCADA系統(tǒng)整合，為加熱站實現(xiàn)無人值守打下技術(shù)基礎(chǔ)。

2.4 排煙口側(cè)置

此次相變爐設(shè)計安裝時，將排煙煙道放置在與爐體平齊的左側(cè)，這種安裝方式增加了回程煙氣熱傳導，提高了換熱效率；并且避免了后部頂置式排煙煙道內(nèi)冷凝水回流對加熱爐尾部受熱面的腐蝕。同時在煙道上加裝冷凝器，利用煙囪余熱加熱進站原油，降低了爐子排煙熱損失，提高了余熱利用率，從而提高了爐效。

2.5 材質(zhì)選用合理，堅固耐用

真空加熱爐的煙管材質(zhì)采用低溫耐腐蝕鋼管，有效減緩了低溫冷凝水的腐蝕，避免了直接爐對流管易腐蝕的缺陷；由于煙道設(shè)置有換熱器，排煙溫度較低，產(chǎn)生了大量的冷凝水，所以煙道部分采用低溫耐腐蝕鋼材質(zhì)制作，延長了煙囪使用壽命。

3 運行效果分析

經(jīng)過近兩年的運行，優(yōu)勢明顯，首先是運行穩(wěn)定，維護成本低，與直接燃氣爐相比，維修費用降低，原來冬季胡集站需要兩臺加熱爐長期運行，維修工作量大，每年都要進行對流室、輻射室彎頭箱滲水的處理及爐體外防腐處理。更新為相變爐后，相變爐外表面為不銹鋼表面，密封性好，不存在這些問題。減少了維修工作量，節(jié)約了成本。

其次是節(jié)能效果明顯。原來冬季需要運行兩臺加熱爐才能達到工藝運行出站70℃的要求?，F(xiàn)只運行一臺真空相變爐就能滿足工藝要求。由于相變爐鍋筒內(nèi)水在全密閉狀態(tài)下相變循環(huán)，無蒸汽外溢，熱量損失小，大大提高了換熱效果，排煙余熱的應(yīng)用也提高了加熱爐的熱效率。經(jīng)測試與計算，爐效率可達95%以上，原來2 326 kW直接爐爐率僅為85%。

通過隨機查詢胡集站改造前后能源統(tǒng)計報表1月、8月、10月數(shù)據(jù)（見表2），可以看出，在相同工藝條件、相同月份下，改造后胡集站耗氣量和耗電量都有明顯下降（天氣特別寒冷時，以往采用雙爐運行，燃燒效率較低）。同時可以看出越是天氣寒冷（1月），設(shè)備越是接近滿負荷，節(jié)能效果相對明顯；而在天氣炎熱時（8月），由于出站溫度要求不是太高，無論是真空相變爐還是直接式加熱爐，均處于低負荷狀態(tài)，能耗差別相對較小，節(jié)能不明顯。綜合全年的能耗情況來看，每年的節(jié)能量平均在260噸標煤左右，按照220萬元的總投資計算，投資回收期大約為3.7年。

表2 胡集站改造前后能耗對比

4 檢測情況

胡集站真空相變加熱爐自2013年底投用以來沒有做任何技術(shù)保養(yǎng)處理，為檢查確認其性能，2017年3月，輸油處、徐州專業(yè)檢測公司和加熱爐制造廠家聯(lián)合對胡集站在用真空相變加熱爐進行了全面檢測。對筒體、爐膽、煙管、換熱管、排煙口壁厚進行了測量，測量數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)差值小于0.2 mm，基本沒有腐蝕情況；管徑、橢圓度、脹粗度、彎曲度均沒有異常，水壓試驗結(jié)果符合設(shè)備技術(shù)和工藝要求；得益于其密閉真空設(shè)計，鍋爐水在爐體內(nèi)循環(huán)，水質(zhì)檢測報告符合GB/T1576—2008《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》標準中關(guān)于鍋爐給水的要求。

5 結(jié)論

真空相變爐在魏荊線的應(yīng)用取得了良好的效果，提高了加熱爐運行的安全性，由直接加熱原油變成間接加熱，避免了爐管的低溫腐蝕，減少了維修費用；爐效有了明顯提高，節(jié)能效果顯著；實現(xiàn)了遠程控制與調(diào)節(jié)，為實現(xiàn)無人值守打下技術(shù)基礎(chǔ)。