青海油田加熱爐提效節(jié)能技術(shù)改造

婁真真 張農(nóng)林 楊成（中國石油青海油田分公司設(shè)備管理處）

加熱爐作為原油集輸系統(tǒng)中的主要耗能設(shè)備，消耗著大量的一次能源，產(chǎn)生大量的廢熱，造成較大的熱污染和能源浪費。近年來，青海油田為了提高油田加熱爐熱效率，從生產(chǎn)管理、技術(shù)改造、工藝優(yōu)化等多方面入手開展了大量的工作，加熱爐熱效率得到了有效提升。2012—2013年，集團公司對各油田加熱爐耗能狀況進(jìn)行了普查，青海油田加熱爐熱效率較低，與中石油平均水平相比還存在一定的差距。

為了進(jìn)一步提高青海油田加熱爐效率，從2013年開始，組織相關(guān)部門開展了節(jié)能技術(shù)調(diào)研、現(xiàn)場先導(dǎo)性試驗和技術(shù)論證，探索節(jié)能減排的技術(shù)方案和措施。通過現(xiàn)場試驗證明，必須從優(yōu)化爐體結(jié)構(gòu)、降低排煙溫度和減小空氣過剩系數(shù)等方面入手才能達(dá)到提高加熱爐熱效率的目的。

1 加熱爐熱效率低的原因分析

為了找出青海油田加熱爐熱效率低的原因，對在用加熱爐的熱效率、排煙溫度、空氣系數(shù)、爐體外表溫度等4項重要指標(biāo)進(jìn)行了全面測試，通過對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，得到導(dǎo)致加熱爐熱效率低的原因有以下幾個方面：

1）青海油田地處高原，空氣中氧含量較低，為了確保加熱爐能夠正常運行，加大配風(fēng)量運行，使排煙量增加，爐膛內(nèi)氣體流速加大，爐膛換熱變差，排煙熱損失增加，同時降低了加熱爐火筒的溫度，不利于被加熱介質(zhì)吸收熱量；火筒溫度過低，不利于燃料的充分燃燒，從而增加了氣體不完全燃燒熱損失。

2）在加熱爐更新選型時，為了確保能夠達(dá)到預(yù)期介質(zhì)溫度，存在選型過大的問題，正常運行時負(fù)荷率較低，調(diào)配風(fēng)不及時，導(dǎo)致加熱爐空氣系數(shù)超標(biāo)、熱效率降低。

3）隨著油田自動化程度的提高，正常運行時加熱爐是根據(jù)介質(zhì)溫度自動啟停，負(fù)荷低時采取小火保溫運行，負(fù)荷大時采取大火運行，但配風(fēng)調(diào)整還不能實現(xiàn)自動調(diào)整，負(fù)荷變化時不能及時調(diào)整配風(fēng)量，導(dǎo)致加熱爐空氣系數(shù)超標(biāo)。

4）青海油田在用加熱爐大部分由青海油田機械廠生產(chǎn)，部分生產(chǎn)年限較長的加熱爐設(shè)計效率偏低，實際熱效率設(shè)計指標(biāo)只有80%～85%，難以達(dá)到中石油要求的平均指標(biāo)。

5）加熱爐監(jiān)控儀表不全現(xiàn)象普遍存在。缺少單臺加熱爐燃料量的計量儀表和煙溫監(jiān)控儀表，使加熱爐的運行調(diào)節(jié)缺失了必要的依據(jù)，也使加熱爐的節(jié)能管理缺乏必要的手段。

6）青海油田負(fù)責(zé)加熱爐運行的崗位人員絕大多數(shù)都是兼職，平時只負(fù)責(zé)加熱爐正常啟停及巡回檢查，缺乏調(diào)整加熱爐配風(fēng)的經(jīng)驗，不能夠按負(fù)荷變化及時調(diào)整加熱爐配風(fēng)，導(dǎo)致加熱爐空氣系數(shù)超標(biāo)。

2 改造措施

通過現(xiàn)場先導(dǎo)性試驗和技術(shù)論證，對加熱爐的提效工作制定如下改造措施。

2.1 優(yōu)化、簡化系統(tǒng)

結(jié)合工藝結(jié)構(gòu)、工藝布局、工藝關(guān)聯(lián)的調(diào)整，對低效高耗、存在安全隱患的加熱爐實施關(guān)停。隨著井口含水上升，停用一些經(jīng)計算核實可以進(jìn)行常溫輸送的設(shè)備，對工藝調(diào)整負(fù)荷降低的加熱爐實施工藝優(yōu)化。加熱爐提效作為一個整體系統(tǒng)考慮，對油田在用的加熱爐根據(jù)場站配置、熱負(fù)荷進(jìn)行優(yōu)化簡化、合并、備用，減少高耗低效加熱爐運行數(shù)量33臺。

2.2 更新加熱爐

對油田在用的部分大功率、低能效、老式的和損壞嚴(yán)重的加熱爐實施更新，總計更新14臺加熱爐。更新的加熱爐采用新型高效分體式相變加熱爐，設(shè)計熱效率指標(biāo)在92%以上。

2.3 優(yōu)化加熱爐控制系統(tǒng)

把油田部分老式的兩段式燃燒器更新為先進(jìn)的比例式燃燒器（圖1），同時優(yōu)化整個加熱爐控制系統(tǒng)（圖2），更新后的燃燒器能夠?qū)⒖?燃?xì)獗壤M(jìn)行精確控制，對加熱爐煙氣中的含氧量進(jìn)行連續(xù)、準(zhǔn)確、穩(wěn)定的監(jiān)測；并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，在熱負(fù)荷、燃料熱值變動的動態(tài)過程中通過燃燒器PLC控制系統(tǒng)對空氣與燃料的動態(tài)比進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，從而有效提高加熱爐熱效率。比例式燃燒器的關(guān)鍵技術(shù)是空燃比自尋優(yōu)監(jiān)測控制技術(shù)。青海油田在用負(fù)壓加熱爐的控制系統(tǒng)是根據(jù)設(shè)定的溫度自動調(diào)節(jié)燃?xì)饪刂崎y的開度，實現(xiàn)輸出負(fù)荷的自動調(diào)節(jié)。當(dāng)溫度低于設(shè)定值時，系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)控制閥，增加燃料供給，增大燃燒器輸出負(fù)荷；反之，則減少燃料供給，降低燃燒器的輸出負(fù)荷，從而減少了加熱爐無用的熱輸出損失，降低了宏觀上的燃?xì)夂臍饬俊Ａ硗猓詣尤紵骶哂悬c火前爐膛自動吹掃、自動點火、爐膛火焰在線檢測、燃?xì)鈮毫z測與送風(fēng)壓力檢測等功能，確保設(shè)備安全運行，避免人為的操作失誤。

圖1 全自動高效節(jié)能燃燒器

圖2 改造現(xiàn)場

加熱爐控制系統(tǒng)的目標(biāo)是控制燃燒過程的介質(zhì)溫度、爐膛負(fù)壓等參數(shù)，同時，本著充分利用現(xiàn)有加熱爐燃燒器的原則，在煙囪入口處安裝調(diào)節(jié)閥，增設(shè)1套適合于負(fù)壓加熱爐使用的計算機監(jiān)測和自動控制系統(tǒng)，除了對加熱爐系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)測及燃燒控制外，還采用最佳空燃比在線自尋優(yōu)策略，維持加熱爐在最佳工況狀態(tài)下運轉(zhuǎn)，保證設(shè)備安全、高效、可靠運行。控制系統(tǒng)工作原理示意圖見圖3。

圖3 工作原理示意圖

系統(tǒng)停電或加熱爐自身控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，為了不影響生產(chǎn)，立即開啟手動模式，讓加熱爐保持正常運行。全自動比例式燃燒器在手動模式下的燃燒效率低于自動運行模式，但由于這類燃燒器結(jié)構(gòu)合理，技術(shù)先進(jìn)，因此，在手動模式下的燃燒效率也要比目前在用的燃燒器效率高。手動模式下的使用方法與目前在用的加熱爐相同，簡單可靠，但效率偏低。

2.4 加熱爐盤管綜合防垢

加熱爐盤管發(fā)生結(jié)垢，大大降低了傳熱效果，造成燃料浪費；污垢的沉積還會引起設(shè)備和管道的局部腐蝕，在短期內(nèi)造成穿孔，同時結(jié)垢還減小了管線的有效面積，增加了管線內(nèi)部壓力，給生產(chǎn)帶來極大的安全隱患。因此，對腐蝕、結(jié)垢、老化嚴(yán)重的加熱爐盤管進(jìn)行部分更換，對結(jié)垢嚴(yán)重的場站安裝強磁防結(jié)垢裝置，為鍋爐加熱爐提供軟化水，通過現(xiàn)場實驗表明，強磁防垢技術(shù)有較好的阻垢、節(jié)能、除氧阻銹防腐效果。

2.5 更新設(shè)計

進(jìn)一步提升青海油田機械廠自行生產(chǎn)加熱爐的設(shè)計制造水平，提高加熱爐的設(shè)計效率，對現(xiàn)有的5套加熱爐圖紙設(shè)計更新?lián)Q代，要求設(shè)計熱效率達(dá)到國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。目前加熱爐設(shè)計更新?lián)Q代的總體思路是在原有成熟爐型結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行局部調(diào)整，使其熱效率由原來的85%提高到92%以上。

以1200kW加熱爐為例，設(shè)計升級主要體現(xiàn)在：增加爐膽長度，由原來的5950mm變?yōu)?450mm；加大爐膽直徑，由原來的800mm增大到850mm，使火焰燃燒更完全；增加螺紋煙管長度，由6190mm變?yōu)?690mm；選用意大利優(yōu)尼瓦斯進(jìn)口燃燒器，型號為cib-unigasR91A。

通過設(shè)計升級，可以達(dá)到如下目的：

1）增大爐膽直徑并加長爐膽長度，使輻射受熱面積由16.4m2增加到21.2m2，輻射受熱面積增加了29.3%，爐膛出口煙溫由822℃下降到684℃。增大爐膽直徑并未影響水套爐殼體的直徑，爐膛的煙氣流速略有下降，因爐膛是以輻射傳熱為主，對流傳熱所占比例忽略不計，煙速只影響對流傳熱。增大直徑使燃燒更完全，也增加了輻射受熱面積。

2）增加了煙管的長度，考慮到原加熱爐的煙管內(nèi)煙速比較合理，因此對煙管的數(shù)量和規(guī)格不作調(diào)整。總對流受熱面積由原來的28.31m2增加到35.18m2，對流受熱面積增加了24.3%。排煙溫度由236℃下降到147℃，水套爐熱效率由原來的86.0%提高到90.4%。

3）在煙氣對流換熱部分，雖然煙管數(shù)量和規(guī)格不變，但是增加了長度，煙管內(nèi)的平均煙溫有所降低，使傳熱系數(shù)由52.3kcal/(m2·h·℃ )降至50.4kcal/(m2·h·℃)，但傳熱面積增加了。

4）結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，使排煙溫度降低，熱效率提高，燃料消耗量下降。每臺水套爐每小時節(jié)約燃料26.9m3，每天節(jié)約645.6m3，節(jié)約燃料16.6%，達(dá)到了節(jié)能增效的目的。

2.6 挖掘管理提效潛力

開展能效監(jiān)測分析，確保加熱爐高效運行。持續(xù)推進(jìn)油田節(jié)能監(jiān)測機構(gòu)及各加熱爐使用單位人員的能力培養(yǎng)和測試儀器的配套工作。實行各單位定期自測與公司專業(yè)監(jiān)測部門抽測的管理機制。各單位指定專業(yè)人員負(fù)責(zé)加熱爐的運行管理，定期檢查、測試加熱爐的各項運行參數(shù)，并根據(jù)加熱爐的運行狀況，及時進(jìn)行運行參數(shù)調(diào)整，確保加熱爐節(jié)能運行。

開展能效對標(biāo)，提升加熱爐效率。針對不同類型、不同場站的加熱爐，設(shè)立能效指標(biāo)和運行參數(shù)指標(biāo)，開展加熱爐能效指標(biāo)對標(biāo)。

編制運行規(guī)定，強化操作培訓(xùn)。結(jié)合生產(chǎn)實際，制定相關(guān)可操作的加熱爐運行管理規(guī)定，規(guī)范運行操作；加強對操作人員的技能培訓(xùn)，提升精細(xì)調(diào)參能力。

3 結(jié)論

通過對青海油田加熱爐熱效率低的原因進(jìn)行分析和探討，針對性地提出了相應(yīng)的提效技術(shù)改造措施。預(yù)計加熱爐提效改造工作結(jié)束后，加熱爐系統(tǒng)平均熱效率可由目前的73.9%提高到81%，實現(xiàn)年節(jié)氣698×104m3的節(jié)能目標(biāo)，節(jié)約燃料達(dá)9.4%以上，同時也促進(jìn)了機械廠加熱爐設(shè)計、制造能力的提高，對設(shè)備管理水平的提升具有重要意義，也為其他油田加熱爐提效改造提供了可借鑒的實例。