加熱爐控制排煙溫度及空氣系數(shù)技術(shù)分析與應用

劉錄（大慶油田公共汽車公司西區(qū)分公司）

加熱爐控制排煙溫度及空氣系數(shù)技術(shù)分析與應用

劉錄（大慶油田公共汽車公司西區(qū)分公司）

隨著不加熱集輸技術(shù)的逐漸推廣，節(jié)氣的空間越來越小，因此提高加熱爐的運行效率至關(guān)重要。通過現(xiàn)場調(diào)查和對加熱爐測試數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，影響加熱爐效率的主要原因是過剩空氣系數(shù)不合理、排煙溫度過高、爐膛負壓不合理等問題，導致運行效率降低。針對運行時率高的加熱爐，采用加熱爐煙氣含氧量實時檢測技術(shù)和煙道負壓測試技術(shù)，并輔以煙道擋板調(diào)節(jié)技術(shù)，優(yōu)化加熱爐各項運行參數(shù)，實現(xiàn)對過剩空氣系數(shù)和爐膛負壓的控制，使空氣系數(shù)和排煙溫度處于合理范圍，提高了加熱爐熱效率。

加熱爐 含氧量檢測 負壓測試 參數(shù)優(yōu)化 排煙溫度 空氣系數(shù)

加熱爐是油田集輸過程中廣泛使用的加熱設(shè)備。目前，油田二合一加熱爐和水套爐主要用于季節(jié)性摻水及熱洗一次提溫，管式爐主要用于熱洗，真空爐用于季節(jié)性摻水 （表1）。自開展不加熱集輸以來，大部分加熱爐停運。2011年3月采油六廠在運 加 熱 爐 121 臺 ， 其 中 熱 洗 爐 45 臺 、 摻 水 爐 65臺 、 脫 水 爐 8臺 、 外 輸 爐 3臺 。2011年 對36臺 符 合測 試 條 件 的 加 熱 爐 進 行 了 爐 效 測 試 ， 根 據(jù) SY/ T6275-2007 《油 田 生 產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測規(guī)范》 進 行 了節(jié)能評價，有15臺加熱爐效率低于節(jié)能標準。

表1 加熱爐爐型分類統(tǒng)計

1 原因分析

根據(jù)加熱爐煙氣中的氧含量、一氧化碳含量、排煙溫度等運行參數(shù)，計算出空氣系數(shù)、排煙熱損失、未完全燃燒損失、散熱損失，進而確定加熱爐熱效率。通過現(xiàn)場調(diào)研和測試評價，找出了導致爐效低的原因。

1.1過剩空氣系數(shù)沒有控制在合理的范圍之內(nèi)

油 田 生 產(chǎn) 系 統(tǒng) 節(jié) 能 監(jiān) 測 規(guī) 范 規(guī) 定 ： 1.16～2.5 MW 加 熱 爐 空氣系數(shù)的合 格 值 在 1.8～2.0 之間 。 測 試的 36 臺 加 熱 爐 ， 有 11 臺 過 剩 空 氣 系 數(shù) 大 于 2.0。 過剩空氣系數(shù)受燃料性質(zhì)、燃燒方式、燃燒設(shè)備、風速因素的影響，是動態(tài)變化的。空氣系數(shù)小，會造成不完全燃燒損失；空氣系數(shù)大，加熱爐排煙量增多。

1.2加熱爐排煙溫度沒有控制在合理的范圍之內(nèi)

油 田 生 產(chǎn) 系 統(tǒng) 節(jié) 能 監(jiān) 測 規(guī) 范 規(guī) 定 ： 1.16～2.5 MW 加 熱 爐 排 煙 溫 度 應 控 制 在 180～220 ℃ 之 間 。 測試 的 36臺 加 熱 爐 ， 有 7臺 排 煙 溫 度 高 于 220 ℃ 。 排煙熱損失是加熱爐的主要熱損失之一，可達 10%～20%。現(xiàn) 場測試數(shù)據(jù) 表明，排煙 溫度每降低 12～15 ℃，加熱 爐效 率可提高 1%，排煙溫度的高 低直接影響加熱爐的效率。

1.3加熱爐煙道擋板開度不易調(diào)節(jié)

煙道擋板可以調(diào)節(jié)進出加熱爐空氣量，控制調(diào)整爐內(nèi)負壓，以及調(diào)節(jié)火焰燃燒情況。目前加熱爐煙道擋板位置高，只有控制手柄，不利于調(diào)節(jié)擋板。煙道擋板的開度需要根據(jù)加熱爐負荷變化、風力的大小進行實時調(diào)節(jié)。煙道擋板開度的大小直接影響爐膛負壓、排煙溫度及過剩空氣系數(shù)，影響加熱爐的燃燒效率。

1.4自動熄火保護燃燒裝置運行參數(shù)不合理

加熱爐自動熄火保護燃燒裝置開發(fā)時側(cè)重于安全管理，主要實現(xiàn)熄火保護、自動點火功能。燃燒器空燃比控制原理是運用理論燃燒計算公式，根據(jù)不同負荷計算出加熱爐燃燒曲線，執(zhí)行機構(gòu)依據(jù)燃燒曲線調(diào)節(jié)合風開度。當爐膛負壓變化時，自動燃燒器控制系統(tǒng)不能實現(xiàn)實時的動態(tài)調(diào)節(jié)，致使燃燒器空氣系數(shù)不合適；同時由于爐膛負壓不合適，影響了加熱爐的熱效率。

2 解決措施

推廣不加熱集輸技術(shù)后，二合一加熱爐停運較多，且運行負荷偏低，因此加熱爐爐效治理應以高效爐為主。根據(jù)加熱爐熱效率工藝特點，采用下列數(shù)學模型：

η =106.13-32.19（O）-1089.13（ O ）2-0.0588TP

式中：

η——熱效率，%；

（O）——氧含量，%；

TP——排煙溫度。

保證加熱爐熱效率最優(yōu)的約束條件是: a＜（O）＜ b ； c＜T＜d ； P ≥ e ； 其 中 a、b、c、d、e為常數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場工藝情況確定； T 為煙氣溫度；P為爐膛負壓。

2.1對于應用自動燃燒器的高效爐，應用煙氣含氧量檢測技術(shù)和煙道擋板調(diào)節(jié)技術(shù)

采 油 六 廠 喇 400 站 4#熱 洗 爐 （1.74MW）使 用自動燃燒器，經(jīng)連續(xù)監(jiān)測，平均效率只有72%，低于設(shè)計爐效。應用含氧量實時檢測技術(shù)和煙道擋板調(diào)節(jié)技術(shù)優(yōu)化加熱爐運行參數(shù)，具體措施如下。

2.1.1 檢測煙氣中的氧含量，實時調(diào)節(jié)空氣系數(shù)

通過氧化鋯氧分析儀檢測煙氣中的氧含量，開發(fā)以氧含量為輸入信號的運行軟件， PLC可編程控制器對輸入氧含量信號進行判斷，進行比例、積分、微分運算后，計算出控制量，校正燃燒曲線。系統(tǒng)輸出指令給合風控制器，調(diào)節(jié)合風，把過剩空氣系數(shù)控制在最佳狀態(tài)。空氣系數(shù)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)各部分功能如下所述。

◇檢測部分

氧分析儀完成氧含量檢測，轉(zhuǎn)換器把氧濃度電勢轉(zhuǎn)換成4～20mA標準信號。

氧分析儀測氧部件是鋯管，電爐對鋯管加熱后，其內(nèi)外壁接觸氧分壓不同的氣體，氧化鋯管就成為一個氧濃差電池，在兩個鉑電極上將發(fā)生如下反應：

在 空氣邊 （參 比 邊）電極上：O2＋4e→2O2－

在 低氧邊 （被 測 邊）電極上：2O2－→O2＋4e

根據(jù)參比氣體的濃度可得出煙道中的氧濃度，為參數(shù)調(diào)節(jié)提供依據(jù)。

◇ 控制部分 （圖1）

PLC可編程控制器對氧分析儀檢測出的信號進行 計 算 、 比 較 ， 使 氧 含 量 界 于 4% ～4.5% ， 然 后輸出。

圖1 燃 燒器 PLC控 制圖

◇執(zhí)行機構(gòu)

根據(jù)控制部分發(fā)出的指令調(diào)節(jié)合風，使空氣系數(shù)處于合理范圍。

2.1.2 改進煙道擋板控制機構(gòu)，提高操控性能

通過傳動機構(gòu)將煙道擋板控制點由爐子上轉(zhuǎn)移到地面，可根據(jù)加熱爐負荷變化、風力的大小進行實時調(diào)節(jié)，控制過剩空氣系數(shù)，延長換熱時間，減少排煙損失。擋板開度與加熱爐負荷有近似比例關(guān)系，開度越大，加熱爐熱負荷越大。根據(jù)加熱爐進出口溫度和加熱流量估算出加熱爐負荷率，確定擋板開度。

2.1.3 加熱爐煙道安裝排煙溫度表，監(jiān)測排煙溫度

加熱爐煙道安裝排煙溫度表后，可以隨時監(jiān)測加熱爐煙道出口溫度，初步掌握加熱爐排煙熱損失的情況。

2.1.4 運行效果及推廣應用

喇 400 站 4#爐 實 施 各 項 技 術(shù) 措 施 后 ， 對 熱 效 率進行了測試，結(jié)果見表2。

表2 喇 400 站 4#熱洗爐 措 施前后 對 比

措 施 后 ， 喇 400 轉(zhuǎn) 油 站 4#熱 洗 爐 過 剩 空 氣 系 數(shù)由 1.73 下 降 到 1.26， 排 煙 溫 度 由 373 ℃ 下 降 到213 ℃ ， 效 率 由 72.5%提 高 到 81.1%。 加 熱 爐 改 造 投入 為 3 萬 元 ， 年 節(jié) 氣 9.5× 104m3， 投 資 回 收 期 為 7個月。控制系統(tǒng)依據(jù)氧含量信號調(diào)節(jié)合風，配合調(diào)節(jié)煙道擋板，可將排煙溫度和空氣系數(shù)控制在合理的范圍內(nèi)。

后期效果跟蹤時發(fā)現(xiàn)，雖然 4#加熱爐的空氣系數(shù)在合理范圍內(nèi)，但排煙溫度仍有超標現(xiàn)象，爐效測試數(shù)據(jù)見表3。

表3 喇 400 站 4#熱 洗爐爐效 數(shù)據(jù)

現(xiàn) 場 調(diào) 查 發(fā) 現(xiàn) ， 喇 400 站 熱 洗 泵 實 際 流 量 36 m3/h， 超 出 了 加 熱 爐 額 定 負 荷 ， 由 于 加 熱 爐 超 負 荷運行，導致排煙溫度升高，熱效率下降。針對喇400 轉(zhuǎn) 油 站 4#熱 洗 爐 超 負 荷 情 況 ， 通 過 控 制 熱 洗 泵流量，避免了加熱爐超負荷現(xiàn)象，爐效達到80.9%， 符 合 節(jié) 能標準。 測 試 數(shù) 據(jù) 見表4。

表4 喇 400 站 4#熱 洗爐爐效 數(shù)據(jù)

在試驗取得成功的基礎(chǔ)上，推廣了該項技術(shù)。在 喇 150-4#、 290-1#、 360-5#加 熱 爐 上 安 裝 氧 分 析儀 、 擋 板調(diào)節(jié)機 構(gòu) ， 年 節(jié) 氣 28.5×104m3。

喇 600 轉(zhuǎn) 油 站 1#、2#加熱爐、喇 560 外 輸 爐 共 安裝3套煙道擋板調(diào)節(jié)機構(gòu)，可及時調(diào)節(jié)爐膛負壓，控 制 排 煙損失， 年 節(jié) 氣 5.2×104m3。

2.2對于沒有應用自動燃燒器的的高效爐，應用煙道負壓測試技術(shù)和煙道擋板調(diào)節(jié)技術(shù)

加熱爐的爐膛負壓是反映燃燒工況的重要參數(shù)，爐內(nèi)燃燒工況發(fā)生變化，爐膛負壓隨即發(fā)生相應變化。控制爐膛負壓就能控制爐內(nèi)的過剩空氣系數(shù)，減少排煙損失，提高加熱爐的熱效率。加熱爐空 氣 過 剩 系 數(shù) 與 爐 膛 負 壓 有 直 接 關(guān) 系[1]。 加 熱 爐 設(shè)計規(guī)范規(guī)定爐膛負壓應控制在 20Pa為宜，以保持爐 子 抽 力 正 常 。 喇 381 轉(zhuǎn) 油 站 熱 洗 爐 容 量 為 1.16 MW， 使 用 普 通 燃 燒 器 。 喇 381 站 熱 洗 爐 應 用 了 煙道負壓測試技術(shù)，在加熱爐側(cè)面安裝U型管壓力計，用耐高溫軟管將煙氣引入U型管壓力計，檢測煙道負壓。現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)，調(diào)節(jié)煙道負壓可以控制爐膛負壓，當負壓過大時，排煙損失大，燃燒效率低；負壓過小時，燃燒不充分。通過調(diào)節(jié)合風、煙道 擋 板 ， 喇 381 站 熱 洗 爐 爐 效 達 到 79.4%， 達 到 節(jié)能標準。爐效測試結(jié)果見表5。

表5 喇 381站熱 洗爐措施 前后對比

通過調(diào)節(jié)合風、煙道擋板，喇 381站熱洗爐煙道 負 壓 由 80Pa 降 到 25Pa， 空 氣 系 數(shù) 由 2.397 下 降到 1.42， 排 煙 溫 度 由 229 ℃ 下 降 到 211 ℃ ， 效 率 由71.1% 提 高 到 79.4% ， 年 節(jié) 氣 6.5× 104m3。 加 熱 爐 改造投 入 為 0.7萬元 ， 投 資 回 收期為 2 個月。

目 前 在 喇 271、501、600等 7座 轉(zhuǎn) 油 站 12臺 加熱爐推廣應用了U型管壓力計和煙道擋板調(diào)節(jié)裝置，監(jiān)測調(diào)節(jié)煙道負壓，將排煙溫度和空氣系數(shù)控制在了合理范圍，年節(jié)氣 66×104m3。

3 應用前景預測

通過現(xiàn)場調(diào)查和測試評價，針對加熱爐實際運行情況，采取個性化組合型技術(shù)改造措施，控制排煙溫 度 及 空 氣 系數(shù)，降 低 加 熱 爐 運行能耗 （表6）。

表6 加熱爐節(jié)能改造效果預測

實 施 后 ， 預 計年節(jié)氣 401×104m3， 天 然 氣 價 格按每 立 方 米 0.9 元 計 算 ， 經(jīng) 濟效益為 360.9 萬元 。

4 結(jié)論

通過對加熱爐運行情況的分析，找到影響加熱爐運行效率的主要因素。通過應用煙氣含氧量實時檢測技術(shù)和煙道負壓測試技術(shù)，并輔以煙道擋板調(diào)節(jié)技術(shù)，優(yōu)化加熱爐各項運行參數(shù)，使空氣系數(shù)和排煙溫度處于合理范圍，提高了加熱爐熱效率，減少了燃料消耗。同時降低 CO、NOX等有害氣體的廢氣排放量，減輕工業(yè)廢氣對環(huán)境的污染，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

[1]李勇,李玉軍,王維佳.加熱爐優(yōu)化狀態(tài)自動控制系統(tǒng)的應用[J].油氣田地面工程,2003,22(6):40.

10.3969/j.issn.2095-1493.2013.006.005

2012-12-13）

劉錄，2008年畢業(yè)于齊齊哈爾大學 （機械專業(yè)），現(xiàn)從事 公 交 公 司 車 隊 管 理 工 作 ， E-mail： liulu002@cnpc.com.cn， 地 址 ：黑龍江省大慶油田公共汽車公司西區(qū)分公司，163500。