汪耀華 喬玖春 楊迪 韓一龍

（1.長慶油田分公司第十一采油廠；2.長慶油田分公司第四采油廠；3.吉林油田分公司吉松質(zhì)量技術(shù)檢測有限責(zé)任公司；4.吉林省光大節(jié)能技術(shù)有限責(zé)任公司）

在原油生產(chǎn)過程中，對于油井產(chǎn)出液所采用的儲存、運輸、油水分離、氣液分離等工藝，需要產(chǎn)出液或原油保持一定的溫度，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，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和連續(xù)加熱的工作能力。

1 真空相變加熱爐現(xiàn)狀

在日常的生產(chǎn)過程中，大部分加熱爐需要24 h不間斷運行，由此消耗大量的能源，所以加熱爐系統(tǒng)是油田生產(chǎn)過程中第一大能源消耗體。為了降低能源消耗和減少生產(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 技術(shù)特點及缺陷

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)生的熱量在爐膛內(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，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，使得傳熱介質(zhì)（水或?qū)嵋海┮驕囟鹊慕档投淠?，并在重力的作用下落回原位，接著再進(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)通過蒸發(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[1]。因此，真空相變加熱爐與普通加熱爐相比，具有能耗低、熱效率高、自動化程度高的優(yōu)勢[2]。

但是，經(jīng)過十幾年的油田生產(chǎn)運行表明，真空相變加熱爐經(jīng)過5年以上運行后，其熱效率比初裝時的原始設(shè)計熱效率明顯要低。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 運行情況

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%。其平均使用壽命超過7 年，最長使用壽命達(dá)到10 年，18 臺真空相變加熱爐已經(jīng)生產(chǎn)運行7 年以上（含7年）。依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 31453—2015《油田生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測規(guī)范》和石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6381《石油工業(yè)用加熱爐熱工測定》等標(biāo)準(zhǔn)， 對該廠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)測發(fā)現(xiàn)，實際平均熱效率為83.87%，而平均設(shè)計額定熱效率為90.34%，比平均設(shè)計額定熱效率低6.47%；平均排煙溫度為191 ℃，其中孟一聯(lián)1#、鎮(zhèn)一聯(lián)1#和鎮(zhèn)二聯(lián)1#、2#、3#加熱爐的排煙溫度均超200 ℃，占比45.45%。根據(jù)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%。節(jié)能改造前熱工測試結(jié)果[2-7]見表1。

2 改造效果

2.1 運行情況

對11 臺真空相變加熱爐進(jìn)行了原始工況條件下的熱效率測試。為了降低排煙溫度、提升熱效率和節(jié)能率，針對11 臺加熱爐排煙溫度、空氣系數(shù)不達(dá)標(biāo)和熱效率低的原因，制定了加熱爐提效措施。根據(jù)提效措施，在真空相變加熱爐吸熱體（水冷壁）表面采用了定向吸熱膜材技術(shù)。經(jīng)過5個月運行后，對應(yīng)用此技術(shù)的真空相變加熱爐進(jìn)行了熱工監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果表明，11臺真空相變加熱爐平均排煙溫度從191 ℃降至149.1 ℃，下降41.9 ℃；平均排煙處過量空氣系數(shù)從1.53 降至1.34，下降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%。節(jié)能改造后熱工測試結(jié)果見表2[2-7]。

2.2 運行效果

為了提升加熱爐熱效率和加溫效率，2019年對11臺真空相變加熱爐進(jìn)行了盤管清垢、爐體大修等技術(shù)改造10 臺次，投入資金120.86 萬元，但技改后加熱爐熱效率和加溫效率提升并不明顯。2020 年，在真空相變加熱爐吸熱體表面采用了定向吸熱膜材技術(shù)后，其排煙溫度、剩余空氣系數(shù)、爐體外表溫度、熱效率、節(jié)能率五項考核技術(shù)指標(biāo)合格率均達(dá)到100%，而且僅運行5個月節(jié)約天然氣459.37 t（標(biāo)煤），折合人民幣45萬元。11臺真空相變加熱爐投入資金為53.35 萬元，預(yù)計半年內(nèi)收回成本。改造前后節(jié)能量計算結(jié)果匯總見表3，吸熱節(jié)能技術(shù)改造前后加熱爐吸熱體表面形態(tài)的對比情況見圖1、圖2。

表1 節(jié)能改造前熱工測試結(jié)果

表2 節(jié)能改造后熱工測試結(jié)果

圖1 吸熱節(jié)能技術(shù)改造前表面形態(tài)

圖2 吸熱節(jié)能技術(shù)改造后表面形態(tài)

3 定向吸熱膜材的技術(shù)原理及優(yōu)點

1）定向吸熱。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[8]。

2）減少灰垢。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[9]。

3）抗磨抗氧化。在真空相變加熱爐爐膛內(nèi)的吸熱體表面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)備的安全運行發(fā)揮重要的保護(hù)作用[10]。

4 效益分析

根據(jù)國家發(fā)改委提供的相關(guān)數(shù)據(jù)，消耗天然氣1 t（標(biāo)煤）可向大氣排放CO2為2.62 t、SO2為8.5 kg、NOx 為7.4 kg。11 臺真空相變加熱爐運行5 個月，節(jié)約天然氣459.37 t （標(biāo)煤），可以減少 向 大 氣 排 放CO2為1 204 t、SO2為3 905 kg、NOx 為3 399 kg。所以，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，可以減少向大氣排放大量的有毒有害物質(zhì)，凈化空氣，保護(hù)環(huán)境，創(chuàng)造非常可觀的社會效益。

5 結(jié)論

真空相變加熱爐在油田生產(chǎn)過程中，經(jīng)過長期運行，其爐膛內(nèi)的吸熱體表面會形成氧化膜層，阻止熱傳遞和熱交換能力，使真空相變加熱爐的熱效率不同程度地下降而浪費燃料。在真空相變加熱爐爐膛內(nèi)的吸熱體表面誕敷一種定向吸熱膜材，可以明顯提高吸熱體表面和被加熱介質(zhì)的吸熱能力，提高燃料的燃燒效率，減少排煙熱損失和化學(xué)不完全燃燒熱損失，延長加熱爐的使用壽命，降低維修和維護(hù)成本，從而實現(xiàn)節(jié)能降耗、增效、保護(hù)環(huán)境的目的。