提高真空加熱爐熱效率節能效果分析

宋巍 吳賀（大慶油田采氣分公司）

提高真空加熱爐熱效率節能效果分析

宋巍 吳賀（大慶油田采氣分公司）

真空加熱爐是徐深氣田井站里最重要的設備之一，而熱效率的大小直接關系到加熱爐運行狀態的好壞，提高其熱效率對于節能降耗意義重大。通過對加熱爐熱效率的計算方法進行分析和討論，提出了一些提高加熱爐熱效率的措施，希望能夠為其節能降耗提供參考。

真空加熱爐 熱效率

真空加熱爐是徐深氣田井站里最重要的設備之一，它主要負責各單井產氣的換熱任務，提高三級節流前的溫度，進而防止三節后凍堵。而熱效率是衡量加熱爐運行狀態的重要參數之一，它不僅能夠反映出加熱爐是否工作在最佳狀態，同時還可以在節 能 降 耗 方 面 提 供 參 考[1]。 如 何 計 算 加 熱 爐 的 熱 效率，怎樣提高加熱爐的熱效率，降低燃料氣的消耗，成了亟待解決的課題。

1 真空加熱爐熱效率的計算和分析

1.1真空加熱爐原理

徐深氣田真空加熱爐主要以天然氣為主要燃料，用軟化水作為中間介質，首先燃燒器將燃料氣充分在火筒中燃燒，熾熱的高溫氣體經回煙室以及2～3 回程的煙管與鍋殼內軟化水充分換熱，水受熱沸騰由液相變為氣相蒸發，并與密封在一個容器中的加熱盤管接觸，由于盤管外表面溫度較低，從而使 蒸 汽 冷 凝 ， 并 把 熱 量 傳 遞 給 盤 管 內 介 質[2]。 冷 凝后的水再次落下，如此循環往復，實現了給天然氣加熱的目的，見圖1。

1.2真空加熱爐熱效率計算方法及實例分析

SY/T6381—2008 對 加 熱 爐 熱 效 率 的 定 義 是 ：同一時間內加熱爐的有效輸出熱量與供給能量的比值，用百分數表示。在可以忽略被加熱介質帶入加熱爐的熱量從輸入到輸出過程所產生的能量損失時，加熱爐熱效率為同一時間內加熱爐的被加熱介質輸出熱量與輸入熱量之差與供給能量的比值，用百分數表示。而對于熱效率的計算可以通過兩種途徑：正平衡法和反平衡法。

圖1 真空加熱爐內部結構示意圖

所謂正平衡法就是根據熱效率的定義來進行計算。

式中：

η——熱效率，%；

Cq——天然氣的定壓比熱容，kJ/（kmol·K）；

Ng——天然氣的物質的量，kmol；

Cw——水的比熱容，kJ/（kg·K）；

H ——天然氣的熱值，kJ/kg。

由于徐深氣田所產天然氣大部分含水，并且真空加熱爐位于分離器之前，這樣造成換熱介質不單純是天然氣，還有一部分水的影響，因此，我們應該把水和天然氣共同作為被加熱介質。

計算實例：以徐深某集氣站為例，徐深某集氣站×年×月×日的生產數據見表1。

表1 徐深某集氣站×年×月×日的生產數據

首先計算每口單井的有效利用熱量，以徐深某井為例：

同理可以得出其它5口井的有效利用熱量，則可得出加熱爐的熱效率為：

而反平衡法就是通過測定各種燃燒產物熱損失和加熱爐散熱損失來確定熱效率的方法。其計算公式如下：

式中：

q2——排煙熱損失；

q3——氣體未完全燃燒熱損失；

q4——散熱損失。

通常來說，加熱爐熱效率計算應該同時采用正平衡法和反平衡法，然后求取其平均值來進行確定，但由于各種熱損失只能通過現場測量的方法得到，而目前的條件不允許，所以無法進行定量計算，但可以對影響熱效率的各個因素進行定性分析。

2 真空加熱爐熱效率的影響因素分析

2.1排煙熱損失

排煙熱損失 (q2)指煙 氣進 入煙 囪時帶走的部分熱量。其大小主要取決于排煙溫度的高低和排煙處的煙氣量的大小。在燃料及送風條件保持穩定時，排煙量的變化可以忽略。排煙溫度的高低直接影響熱效率的大小，排煙溫度越高，熱效率越小。一般排煙溫度每升高 10～15 ℃，熱效率會下降 1%。因此，在實際生產中應該盡量降低排煙溫度，進而提高熱效率，但是也不益過低（低于烴露點），否則加熱爐尾部易產生滴水現象，以致誘發加熱爐尾部受熱面腐蝕問題。一般情況下，加熱爐安全排煙溫度要高于煙氣烴露點5～10 ℃。

2.2氣體未完全燃燒熱損失

氣體 未完 全燃 燒熱 損失 (q3)指 燃燒 過程 中產 生的可燃氣體 CO、CH4等未完全燃燒而隨煙氣排走所造成的熱損失。該項損失主要取決于排煙處的CO含量和過量空氣系數。空氣量過大時，增加了加熱爐內部的空氣流動速度，將一部分未燃燒氣體帶走，影響了燃燒效果，增加了 q2熱損失。空氣量不足時，爐膛溫度不高，空氣沒有與可燃氣體充分混合，可燃氣體沒有充分燃燒就排走。

2.3散熱損失

加熱爐在運行過程中，由于保溫材料并不是完全隔熱，加熱爐的介質熱量通過爐墻、煙風道等外表面散發出來，該部分散失的熱量即散熱損失(q4)。 散熱損 失大小 主要是 由鍋爐 外壁面 積及外 壁溫度所決定，通常加熱爐的散熱損失較小，可以通過加強加熱爐本體和管道保溫，防止或減少爐體表面 熱 量 損 失[3]。

3 提高熱效率的措施

根據熱平衡原理，熱損失小了，有效利用熱就多，效率便會提高。因此，如何提高加熱爐熱效率就成為研究如何降低熱損失。通過分析熱損失的影響因素，得出以下提高熱效率的措施。

1）及時清理火筒受熱面上的煙灰和水垢。由于 煙 灰 的 導 熱 系 數 為 0.07～0.12kW/（m · K）， 水 垢的導熱系數為 1.28～3.14kW/（m· K），而鋼材的導熱 系 數 為 35.6～50.6kW/（m · K）， 大 約 是 煙 灰 的463 倍，水垢的 19.5 倍，這樣一來，假如加熱爐在運行中，受熱面上的煙灰和水垢不及時清理，傳熱阻力將大大增加，造成排煙溫度升高。因此應該及時清理火筒受熱面上的煙灰和水垢。

2）控制風量配比。一般來說，燃料氣必須要在一定多余空氣量的條件下才能完全燃燒。燃燒所用的實際空氣量與理論空氣量之比稱為過剩空氣系數α。而合理的過剩空氣系數 α =1.05～1.15。熱效率與過剩空氣系數的關系如圖2所示。

圖2 熱效率與過剩空氣系數的關系

從 圖中可 以 看 出 ：當過 剩 空 氣系數 α ＜1.16時，雖然 q2也隨 α 的降低而降低，但 q3隨 α 的下降而增大，使熱效率也出現下降的趨勢；當過剩空氣 系 數 α ＞1.16 時 ， 隨 著 α 的 增 大 ， q2逐 漸 增大，熱效率逐漸降低。

而實際生產中首先是要選用性能良好的燃燒器，保證在較低的過剩空氣系數下完全燃燒；其次是在操作過程中管好兩門一板（風門、氣門和煙囪擋板）確保加熱爐在合理的過剩空氣系數下運轉，既不讓過剩空氣量太大，也不因過剩空氣不夠而出現不完全燃燒；再者是應做好加熱爐的堵漏，因為真空加熱爐都是負壓操作的，如果看火門、人孔門、彎頭箱門等關閉不嚴或爐墻有泄漏之處，從這些地方漏入爐內的空氣一般都不參與燃燒而白白帶走熱量。

3）修補爐墻或噴涂高溫遠紅外涂料。加熱爐爐外壁以輻射和對流兩種方式向大氣散熱。散熱量與爐外壁溫度、環境溫度和風速等有關。當內壁溫度一定，爐墻材質、結構和尺寸已一定時，環境溫度下降，爐外壁溫度也降低，實際溫差變化不大，散熱損失變化也不大。同樣，環境風速增加，外壁溫度也降低，但對流傳熱系數增加，因此散熱量變化也不大。

4）控制加熱爐的負荷率。通過一臺真空加熱爐在不同月份的縱向對比發現：熱效率與負荷率存在一定關系，其隨著負荷率的降低而降低，見圖3。

圖3 某集氣站加熱爐2011年上半年各月平均熱效率和平均負荷率關系曲線

又通過對各集氣站加熱爐平均熱效率及其負荷率進行統計分析，見圖4。

將平均負荷率按從小到大的順序進行重新排列，見圖5。

從圖5中可以看出：熱效率曲線呈近似拋物線形狀，當負荷率接近 100%時，熱效率最大；而在100%兩側，熱效率逐漸減少。這是由于加熱爐超負荷運轉時，供給的燃料氣相對于供給的空氣較多，此時氣體不完全燃燒，燃料會隨著煙氣排出，造成氣體不完全燃燒熱損失增大，從而熱效率降低。因此我們應該控制加熱爐的負荷率，杜絕超負荷運轉。

圖4 各集氣站加熱爐平均熱效率和平均負荷率關系曲線

圖5 各集氣站加熱爐平均熱效率和平均負荷率關系曲線

4 結論及認識

1）加熱爐熱效率計算有正平衡法和反平衡法兩種方法，熱效率計算應該取兩者的平均值，精度要求不高時可以采用其中一種方法進行計算。

2）影響真空加熱爐熱效率的影響因素主要包括：排煙熱損失、氣體未完全燃燒熱損失和散熱損失。

3）通過及時清理火筒受熱面上的煙灰和水垢、控制風量配比、修補爐墻或噴涂高溫遠紅外涂料和控制加熱爐的負荷率等措施可以提高真空加熱爐的熱效率，達到節能降耗的目的。

[1] 裴召華.提高火筒式加熱爐熱效率的措施[J].石油規劃與設計,2009(9):46-47.

[2] 王金枝,肖明,姜春敏.排煙溫度對鍋爐效率的影響[J].山東電力技術,2008(2):35-37.

[3] 張國光,姜英.鍋爐各種熱損失對鍋爐效率的影響程度分析[J].煤質技術,2009(7):46-49.

10.3969/j.issn.2095-1493.2013.007.029

2013-03-26）

宋巍，2005年畢業于大慶石油學院，從事資產設備管理 工 作 ， E-mail： songwei@petrochina.com.cn， 地 址 ： 黑 龍 江 省 大慶油田有限責任公司采氣分公司第二作業區，163000。