相變加熱爐熱系統效率的影響因素與對策研究

龔毅　王殿舒　郭建

[摘 要]隨著油田開采技術的發展，相變高效加熱爐技術的進步及油田公司節能減排的要求，相變高效加熱爐以節能、環保、安全、自動化程度高、適應工況能力強、操作簡便等諸多優點廣泛應用于各大油田，作為換熱設備的新興產品，將以其諸多的優點逐步替代其他加熱設備。影響加熱爐熱效率的因素，從加熱爐技術改造、優化操作、增加監測、結構改進、能源更換等方面入手，提出了提高加熱爐熱效率的方法措施及節能降耗的相關建議。

[關鍵詞]加熱爐；熱效率；問題分析；方法措施；節能降耗

中圖分類號：TE974. 文獻標識碼：B 文章編號：1009-914X（2016）01-0039-01

加熱爐是目前原油輸送過程中的主要熱源，也是能耗較大的主要設備，其技術水平、運行工況直接影響著原油消耗的多少和企業的經濟效益。因此，提高加熱爐熱效率，提高設備的科技含量、合理操作，是企業經濟效益最大化的重要保障。 加熱爐熱效率反映了燃料的有效利用率。在同樣的有效熱負荷下，熱效率越高，燃料消耗越少。因此提高熱效率可大大降低熱油管輸費用。衡量加熱爐使用熱效率的操作參數比較多，如：過剩空氣系數；爐管結垢；空氣預熱器；爐體保溫等。提高加熱爐熱效率的關鍵參數是過量空氣系數和排煙溫度，選用適當方法對這兩個參數進行優化，結合實際采取一系列改進完善措施，則可很大程度上提高加熱爐熱效率。

1.相變高效加熱爐的工作原理

相變高效加熱爐燃燒器將燃料在火筒內充分燃燒產生熱量，熱量經加熱爐火筒（輻射受熱面）及煙管（對流受熱面）傳遞給鍋殼內中間液相熱載體--水，水受熱沸騰由液相變為氣相熱載體--水蒸氣，水蒸氣逐步充滿爐體的氣相空間，由于盤管內被加熱介質及管壁溫度低于蒸汽溫度，水蒸氣以自然對流換熱的方式將熱量傳遞給用熱工質（油、天然氣或水），冷凝后的水在重力作用下落回水空間，如此循環往復，實現了相變換熱過程，從而將燃燒產生的熱量，間接傳給用熱工質，實現加熱的目的，在設計過程中采用特有的排氣方法使加熱爐內形成高純度氣相空間，以保證相變高效加熱爐高效率運行。

2.熱效率影響因素分析

加熱爐熱效率是指有效吸熱量占燃料總放熱量的比例。計算公式如下：

η爐=（1-q煙-q散）×100% ，η爐-加熱爐熱效率，q煙-排煙熱損失百分比，q散-通過其它形式損失百分比。

加熱爐正常運行時，應保證燃料燃燒充分，不得冒黑煙。排煙熱損失主要由排煙溫度和煙氣量決定，煙氣量主要取決于加熱爐的過剩空氣系數。因此在過剩空氣系數和排煙溫度增高時，加熱爐熱效率都將降低。提高熱效率的途徑主要是通過降低過剩空氣系數或排煙溫度來實現。

2.1 減少漏風，降低過剩空氣系數

降低過剩空氣系數，能顯著提高加熱爐熱效率。但前提是必須保證燃料完全燃燒。若燃燒不完全，不但燃料內大量化學能不能完全放出，造成燃料浪費，不完全燃燒產生的CO、碳粒還會污染大氣，甚至會造成爐內二次燃燒而影響加熱爐安全運行。從表面看降低了煙氣中的氧含量，提高了熱效率，但實質卻增加了燃料消耗量，并未真正提高熱效率。因此，在保證燃料低耗量且完全燃燒的情況下提高熱效率，必須找到適宜的最佳過剩空氣系數。那么，影響過剩空氣系數的主要因素主要有以下幾點：

（1）燃料性質：氣體燃料易與空氣混合均勻，過剩空氣系數較小（1.1-1.2），液體燃料不易與空氣混合，過剩空氣系數則較高（1.2-1.3）。故當使用液體燃料時，必須盡力提高燃料霧化效果，保證燃料與空氣充分混合，以降低過剩空氣系數。

（2）燃燒器的性能：燃燒器的型號與性能不同，其過剩空氣系數也不同。所以，大力改造燃燒器性能，研制選用各種高效燃燒器是降低過剩空氣系數的關鍵。

（3）爐體密封性：如果爐體密封不好，空氣被大量吸入，使得過剩空氣系數激增，操作難于控制，安全性能突降，因此必須重視封堵漏風的工作。

（4）加熱爐測控水平：因為過剩空氣系數是加熱爐操作中的一個可控變量，故有無完善的測控系統對過剩空氣系數的調節影響很大。

2.2 保證對流段換熱良好，維持較低排煙溫度

對流交換熱量一般占加熱爐交換熱的15%～25%，設法確保對流傳熱和傳熱效率保持在較高水平，便成為降低排煙溫度的關鍵。在實際運行中，對流管積灰是主要影響因素，積灰通常是因為煙氣中存在燃料燃燒后，殘余的不可燃組分和未燃盡的碳粒，在煙氣運行過程中通過沉積、吸附等作用在換熱管表面形成。積灰嚴重引起的對流段熱負荷增加，將使熱效率大幅度下降。

3 提高加熱爐熱效率的措施

3.1 采用全自動比例調節燃燒器

目前，加熱爐燃燒器種類主要有兩種：進口全自動燃燒器和國產手動燃燒器。與國產手動燃燒器相比，采用全自動強制送風比例調節式燃燒器，自動按比例隨機調節過剩空氣系數，在加熱盤管出口及殼體中設置溫度變送器，將溫度信號傳至燃燒器，使燃燒器根據所需的熱負荷自動調節輸入的空氣量和燃料量，調節燃燒器的輸出負荷，可避免“大馬拉小車”的現象。該系統具有燃燒性能好、安全性能好、自動化程度高、操作方便、經濟節約的優點。

3.2 加強監測，制定合理的操作方案

借鑒國外先進技術，可通過運用一種燃燒過程專用計算機最佳控制器，采取計算機網絡參數編程用于加熱爐后臺控制，增加監測，提升監控手段，優化操作，自動調節燃料與空氣的比例，使燃燒過程達到最佳化，從而提高加熱爐現代化測控水平，不但能節約燃料約5%，還可使大氣污染減到最低程度，但這種方法自動化程度要求過高，實用性有待推廣。

結合單位實際，根據理論計算加熱爐排放的煙氣中，氧含量每增加1%，燃料的消耗量將上升3%左右。建議建立加熱爐煙氣的定期監測，配置必要而簡單的檢測儀表，如煙氣氧含量分析儀監測加熱爐煙氣殘余氧含量，科學地控制空燃比，以最小的過剩空氣量達到燃料的充分燃燒，大大減少加熱爐維護管理工作量，并可實現輸出參數的精確控制，根據監測數據及時調整和制定合理的操作參數，最終達到降低原油消耗的目的。

3.3 修補、完善爐體隔熱保溫設施，加強管理，降低散熱損失

定期檢查輻射段頂部、對流段有無保溫缺損，爐體保溫層和爐進出口管線保溫有無破碎。加強運行管理，減少看火門、觀察孔、備用燃燒器、防爆門、爐體等部位漏風，減少熱損失。防止這些部位漏入空氣，造成排煙中過剩空氣系數偏大，而燃燒器由于供風量不足，又存在燃燒不良的情況，導致熱效率降低。因此在實際工作中，增加裝置的密封性能，防止串火對于安全、經濟生產非常重要。

4 結論與認識

本文分析了影響加熱爐熱效率的諸多因素，通過對加熱爐進行技術改造、優化操作、增加監測、結構改進等方法措施，有效提高了加熱爐熱效率，降低了原油消耗，并結合我處輸油站所處地域優勢合理用能，達到節能降耗的目的。 隨著科學技術的進步、采油技術的發展及相變高效加熱爐技術的升級，相變高效加熱爐作為新興加熱設備以其諸多的優點，必將成為其他加熱設備替代產品。

參考文獻

[1] 郭勁松；田萬軍；相變加熱爐在稠油管道上的應用[J]；管道技術與設備；2011年06期.

[2] 詹有輝；貢軍民；肖浪；林森明；相變加熱爐在新疆油田的應用[J]；工業鍋爐；2011年05期.

[3] 謝飛；吳明；王丹；李鑫；范桓；油田集輸系統的節能途徑[J]；管道技術與設備；2010年01期.

[4] 楊洪升，席勵新，毛恒軒；相變換熱技術在油氣集輸加熱設備中的應用[J]；石油工程建設；2005年S1期.