真空加熱爐運行情況淺析

崔曉雨（大慶油田采氣分公司）

真空加熱爐作為氣田開發的重要換熱設備，它熱效率的高低直接影響天然氣的換熱效率，為了合理使用真空加熱爐、平穩生產以及降低能耗，對影響真空加熱爐熱效率的原因進行分析，提出提效措施，并為氣田開發合理使用真空加熱爐提供參考數據及建議。

1 真空加熱爐結構原理

真空加熱爐利用水在不同壓力下沸騰溫度不同的特性，通過沸騰排氣法形成一個一定真空的真空腔，鍋筒內壓力變為負壓（-0.03~0.01 M Pa）。燃氣經燃燒器在爐膛里充分燃燒后，火焰和高溫煙氣通過在爐膽、回燃室及煙管將熱量傳遞給熱媒水。熱媒水在低于負壓下熱蒸發形成飽和蒸汽，通過“蒸發-冷凝-再蒸發-再冷凝”的相變換熱方式將熱量傳遞給盤管內的流動介質-水或油，使其達到用戶所需溫度。

圖1 真空加熱爐結構圖

2 真空加熱爐熱效率計算

行業標準S Y/T 6381—2008《加熱爐熱工測定》對加熱爐熱效率的定義是：“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?！倍鴮τ跓嵝实挠嬎憧梢酝ㄟ^兩種途徑：正平衡法和反平衡法。下面分別進行討論。

所謂正平衡法就是根據熱效率的定義來進行計算：

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：

η=100-(q2+q3+q4)

式中：

q2——排煙熱損失；

q3——氣體未完全燃燒熱損失；

q4——散熱損失。

由于實際情況不具備用反平衡閥計算加熱爐的熱效率，本文接下來用正平衡法計算某集氣站加熱爐的熱效率。

根據表1數據，可以通過公式計算出各單井加熱前后天然氣摩爾熱容值，見表2。

表1 某集氣站2013年1月1日生產數據

C=a0+a1T+a2T2+a3T3

式中：

C——定壓摩爾熱容，kJ/（kmol·K）；

T——溫度，K 。

表2 某集氣站各單井進出加熱爐的摩爾熱容

表3 各單井產氣物質的量

各單井氣體有效利用熱量的計算：

Q氣=(CP1×T1-CP0×T0)×N

表4 各單井氣體有效利用熱量

各單井液體有效利用熱量的計算：

Q液=CMΔT

表5 各單井液體有效利用熱量

各單井總有效利用熱量的計算：

Q總=Q氣+Q液

表6 各單井總有效利用熱量

供給能量的計算：

由于某區所生產的天然氣在標況下的熱值一般在38930~40186kJ/m3，我們取其平均值39558kJ/m3來進行計算。

H=39558kJ/m3=39926kJ/m3

由于兩臺加熱爐只有一臺總自用氣計量，而沒有單獨的自用氣計量，因此無法取得每臺加熱爐準確的自用氣。因此，按照兩臺加熱爐功率比值來估算每臺加熱爐自用氣的消耗。1#加熱爐功率為0.32 M W ，2#加熱爐功率為0.41 M W ，按照日自用氣300 m3計算，兩臺加熱爐分別消耗自用氣為132m3和168m3。

加熱爐熱效率的計算：

η=(QOUT-QIN)/Qr=(QOUT-QIN)/(H ?V)

表7 某集氣站2013年1-6月加熱爐熱效率統計表

從計算接過來看，1號集氣站2號加熱爐熱效率偏低只有53%，接下來將對真空加熱爐熱效率偏低的情況進行詳細分析。

3 真空加熱爐熱效率影響因素

3.1 爐子排煙溫度越高，熱效率越低

排煙熱損失指煙氣離開加熱爐末級受熱面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℃。同時，在有條件的情況下可采用煙氣余熱回收技術。

3.2 過剩空氣系數越大，熱效率越低

當過量空氣系數低，空氣量不足時，爐膛溫度太低，空氣與可燃氣體混合不良，可燃氣體來不及燃盡而排走，從而增大了燃料氣未完全燃燒熱損失，致使熱效率低。此外，過量空氣系數還將影響消煙除塵效果。在燃燒過程中，由于空氣量不當，燃料與空氣混合不好，導致揮發分析出炭黑而形成黑煙，同時加大了排塵量使排塵濃度提高。因此，空氣量是鍋爐燃燒過程和除塵過程中十分重要和關鍵的要素，必須有效地解決鍋爐合理配風、鍋爐漏風和煙（風）道的漏風問題。

3.3 爐壁散熱損失越大，熱效率越低

加熱爐運行中，由于保溫材料并非完全絕熱，加熱爐的介質熱量通過爐墻、煙風道、架構、汽水管道的外表面散發出來，該部分散失的熱量即爐體表面散熱損失。爐體表面散熱損失大小主要是由鍋爐外壁相對面積及外壁溫度所決定，一般來說鍋爐的散熱損失較小，可以通過加強維護保養，整修鍋爐本體及管道保溫層，防止和減少爐體表面熱量損失。

3.4 加熱爐負荷對加熱爐熱效率的影響

由于每臺設備的運行效率都與其運行負荷存在一定的關系，接下來將探討真空加熱爐運行負荷與其運行效率之間的關系。

首先通過加熱爐熱效率正平衡計算方法，計算在不同負荷下加熱爐的運行效率。

表8 某區各集氣站熱效率統計表

通過真空加熱爐熱效率與其負荷的關系圖2，可以看出真空加熱爐熱效率與其負荷存在兩個關系，一是當負荷低于100%時，加熱爐熱效率與其負荷成正比關系；二是當負荷大于100%時加熱爐熱效率與其負荷成反比關系，主要是因為當加熱爐超負荷運行（負荷大于100%）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，從而使熱效率降低。

圖2 某區各集氣站加熱爐熱效率與負荷關系圖

1 號集氣站2號加熱爐負責對a井、b井、c井、d井生產的天然氣進行換熱，而其中a井、b井、c井是高產井，井口來氣溫度較高均在42℃以上，因此這三口氣井來氣一般不需要換熱，而走加熱爐旁通管線。正常生產情況下2號加熱爐只為d井來氣進行換熱，其實際負荷只有12%。這就解釋了為什么2號加熱爐熱效率偏低的原因。同時我們通過統計分，總結出熱負荷在50%額定負荷下區域，為非經濟運行區；在50%~75%額定負荷區，為一般經濟運行區；在75%~100%額定負荷區，為經濟運行區。

3.5 結垢積灰對加熱爐熱效率的影響

加熱爐結垢積灰會導致加熱爐受熱面導熱系數大大降低，影響傳熱效果，導致排煙溫度升高，降低加熱爐熱效率。加熱爐盤管結垢主要與其傳熱介質有關，真空加熱爐的傳熱介質一般采用蒸餾水。煙道積灰主要與其燃料氣有關，燃料氣內雜質過多則極易導致煙道積灰。

4 提高熱效率的措施

4.1 合理優化加熱爐運行負荷

當加熱爐負荷在100%以內時，其熱效率與負荷成正比關系，因此為了提高加熱爐熱效率應避免加熱爐超負荷運行，同時最好能把加熱爐負荷控制在75%~100%的經濟運行區域內。針對1號集氣站2號加熱爐負荷過低的情況，可以把2號爐d井進爐管線與1號爐預留管線通過一根跨線連接，用1號爐來滿足d井的換熱需求。在正常生產時2號加熱爐就可以停運，同時還可以提高1號爐的負荷到92%，在減少自用氣消耗的同時還提高了加熱爐的熱效率。

圖4 加熱爐優化運行示意圖

4.2 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1.28~3.14 kW /(m·K )，而鋼材的導熱系數為35.6~50.6 kW /(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。

4.3 有效利用煙氣余熱

由于煙道內的煙氣也具有較高的溫度，一般都在200℃以上。而目前徐深氣田所使用的真空加熱爐的燃料氣，均通過加熱爐換熱盤管加熱后再進入燃燒器前，而這部分熱量不算作加熱爐有效輸出熱量，因此燃料氣的換熱降低了加熱爐的熱效率。如果在加熱爐煙道內加入燃料氣換熱盤管，就可以利用煙氣余熱為燃料氣伴熱，在滿足需求的同時提高加熱爐熱效率。

4.4 控制風量配比

一般來說，燃料氣不可能在理論空氣量條件下完全燃燒，必須要在一定過剩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?？諝庀禂郸?。而合理的過剩空氣系數α=1.05～1.15。熱效率與過量空氣系數的關系如下圖所示。

從圖5中可以看出：當過剩空氣系數α ＞1.16時，隨著過?？諝庀禂档脑龃?，排煙熱損失不斷增大，熱效率也隨之降低；當過?？諝庀禂郸?＜1.16時，雖然排煙熱損失也隨過?？諝庀禂档慕档投档停煌耆紵裏釗p失隨過?？諝庀禂档南陆刀龃?，使熱效率也出現下降的趨勢。

圖5 熱效率與過量空氣系數的關系圖

而實際生產中為了準確地調節風量配比，可以通過檢測煙氣中的一氧化碳含量，來控制燃燒空氣量。

4.5 采用耐熱和保溫新材料

采用耐熱和保溫新材料，如陶瓷纖維，不但耐高溫（1000℃以上）。而且導熱系數低，可以降低爐壁溫度從而減少爐體的散熱損失。

5 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，現場實際條件下只能用正平衡法計算加熱爐熱效率，而反平衡法則可以用于定性分析影響加熱爐熱效率的因素。

2）在計算加熱爐有效輸出熱量時，不能只計算天然氣的換熱量，還要計算天然氣中水的換熱量。

3）加熱爐熱量損失主要包括排煙熱損失、氣體未完全燃燒熱損失和散熱損失。

4）可以通過以下措施來提高熱效率：及時清理火筒受熱面上的煙灰和水垢、控制風量配比和采用耐熱和保溫新材料。

5）目前某氣田正處在上產階段，真空加熱爐的選型要充分考慮到氣井放產后負荷不能超過100%。集氣站內存在多臺加熱爐時，應做到整合優化運行，把低溫低產井都集中到一臺加熱爐。

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