油田加熱爐運行現狀及節能潛力分析

楊秀麗胡曉峰鄭煒博樊娜劉曉雷

（1.勝利油田技術檢測中心；2.魯勝石油開發有限責任公司）

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油田加熱爐運行現狀及節能潛力分析

楊秀麗1胡曉峰1鄭煒博1樊娜1劉曉雷2

（1.勝利油田技術檢測中心；2.魯勝石油開發有限責任公司）

國內多數油田已進入開發后期，高含水原油、稠油、特稠油比例越來越大，原油脫水溫度高于輕中質原油，加熱系統能耗大，目前90%聯合站仍使用加熱爐提高脫水溫度和外輸溫度，因此加熱爐的運行效果影響了原油集輸系統的熱能消耗。通過對勝利油田加熱爐檢測數據的匯總分析，掌握了目前油田加熱爐運行現狀，分析了影響加熱爐運行熱效率的各種因素和影響規律，根據各項監測結果找出加熱爐運行時存在的主要問題，并提出優化措施，分析了加熱爐節能潛力。

加熱爐；熱效率；熱損失；節能

加熱爐是將燃料燃燒產生的熱量傳給被加熱介質而使其溫度升高的一種加熱設備。在油田的油氣集輸系統中，廣泛地使用著各種形式的加熱爐，它直接影響油田系統的熱能消耗和利用程度，是油氣集輸系統中的主要耗能設備［1］。據統計，加熱爐熱能消耗占油氣集輸系統的80%以上，由于現場使用條件要求，加熱爐經常處于變工況下運行，如果操作人員不能根據加熱爐工況的改變及時進行調節，就會使得加熱爐的運行效率下降，造成燃料的浪費，因此提高加熱爐效率，使加熱爐長期處于優化運行狀態對降低能源消耗具有重要意義。

1　加熱爐熱損失分析

為通過測試找出加熱爐運行時存在的問題，通常采用反平衡法對加熱爐進行熱工測定。反平衡測量法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效率的方法［2］，當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可以忽略時，反平衡法加熱爐熱效率按式（1）計算：式中:η2——反平衡法加熱爐熱效率，%；

q2——排煙熱損失，%；

q3——氣體未完全燃燒熱損失，%；

q4——固體未完全燃燒熱損失，%；

q5——散熱損失，%；

q6——灰渣物理熱損失，%。

油田加熱爐90%以上為燃油或燃氣加熱爐，因此公式（1）中的固體未完全燃燒熱損失和灰渣物理熱損失均為0，公式（1）可以簡化為

其中，排煙熱損失是加熱爐熱損失中比例最重的一個，而影響排煙熱損失的主要因素是過剩空氣系數和排煙溫度兩個運行指標。按公式（3）進行計算：

式中：α——過剩空氣系數；

tpy——排煙溫度，℃；t0——環境溫度，℃。

散熱損失是較排煙熱損失之后的又一大熱損失，加熱爐的散熱損失主要取決于加熱爐的散熱面積、爐體外表面溫度情況和運行負荷率，可按下式進行計算：

式中：q1'，q2'，q3'，...qn'——各區段的散熱強度，kJ/（m2·h）；

F1，F2，...，Fn——各區段的面積，m2；

Qr——加熱爐供給熱量，kJ/h。

占加熱爐總熱損失最小比例的是氣體未完全燃燒熱損失，主要是由于過小的過剩空氣系數造成的，過剩空氣過小會使燃料燃燒不充分，可按公式（5）進行計算：

式中：Vgy——排煙處干煙氣容積，m3/m3或m3/kg；

B——燃料消耗量，m3/h或kg/h；

CO'——排煙處CO，%；

H2'——排煙處H2，%；

CmHn'——排煙處CmHn，%。

2　加熱爐運行現狀分析

根據近幾年的測試統計，勝利油田各聯合站常運行加熱爐共195臺，平均額定功率為1658 kW，包括116臺燃氣加熱爐和79臺燃油加熱爐，測試結果見表1。根據SY/T 6275—2007《油田生產系統節能監測規范》中規定的評價指標限定值，測試加熱爐平均排煙溫度為196.6℃，排煙溫度合格率為68.2%，燃氣加熱爐平均排煙溫度低于燃油加熱爐平均排煙溫度；平均過剩空氣系數為2.08，過剩空氣系數合格率為56.4%，燃氣加熱爐平均過剩空氣系數高于燃油加熱爐平均過剩空氣系數；平均熱效率為82.63%，熱效率合格率為84.1%，燃氣加熱爐熱效率合格率高于燃油加熱爐熱效率合格率。雖然熱效率合格率較高，但平均熱效率距國外平均85%～90%的水平仍有差距，而且排煙溫度和過剩空氣系數的合格率更低。按照SY/T 6275—2007中要求，分別從熱效率、排煙溫度、過剩空氣系數、表面溫度4個監測指標分析目前油田加熱爐運行現狀。

表1　加熱爐測試結果匯總

2.1加熱爐熱效率分析

加熱爐熱效率是評價加熱爐經濟運行的重要指標，加熱爐熱效率的高低直接影響著原油集輸系統的熱能利用率和綜合能耗。從近幾年節能監測結果來看，油田加熱爐平均熱效率比90年代監測的加熱爐平均熱效率提高至少10個百分點，且已接近于國外平均水平，但離國外先進水平還有一段距離，統計結果見表2。

表2　加熱爐熱效率

由表2可以看出，25.1%的加熱爐熱效率低于80%，53.3%的加熱爐熱效率低于85%，只有6.7%的加熱爐熱效率達到了國外先進水平。

2.2加熱爐過剩空氣系數

過剩空氣系數是衡量燃燒器性能的重要指標，也是加熱爐運行效果的重要監測指標。通過對過剩空氣系數進行實時監測可以減少加熱爐的排煙熱損失和氣體未完全燃燒熱損失，目前油田加熱爐的過剩空氣系數從0.96～11.16不等，其中33.3%的加熱爐過剩空氣系數小于1.5，54.9%的加熱爐過剩空氣系數小于1.9，僅有9.2%的加熱爐過剩空氣系數大于3。

圖1　過剩空氣系數與加熱爐熱效率的關系

由圖1可以看出，過剩空氣系數α在1.01～1.5時，熱效率達到最佳值。α低于1.01時，隨著α的降低，加熱爐的運行效率不斷降低，且變化較快。α大于1.5時，隨著α的增大，加熱爐運行效率總的趨勢是不斷降低的。α每增加0.1，熱效率降低約0.5%。而根據統計數據，僅有32.3%的加熱爐過剩空氣系數在1.0～1.5。

2.3加熱爐排煙溫度

根據公式（2）可知，排煙溫度是影響排煙熱損失的另一個因素，而排煙溫度的高低又和過剩空氣系數密切相關的，只有同時降低加熱爐的排煙溫度和過剩空氣系數，才能使加熱爐的效率有較大的提高。根據目前的監測結果，加熱爐排煙溫度從76.9～434℃之間不等，其中62.1%的加熱爐排煙溫度低于200℃，20%的加熱爐排煙溫度高于250℃。過剩空氣系數在1.01～1.5時，不同排煙溫度的加熱爐與熱效率之間的關系見圖2，從圖中可以看出，排煙溫度低于200℃的加熱爐熱效率較高，當加熱爐排煙溫度高于200℃時，每當排煙溫度增加10℃，加熱爐熱效率降低0.5個百分點。

圖2　排煙溫度與加熱爐熱效率的關系

2.4加熱爐爐體外表面溫度

SY/T 6275—2007中規定加熱爐爐體外表面溫度不高于50℃均為合格，本次測試的195臺加熱爐中僅6臺加熱爐的爐體外表面溫度高于50℃，97%的加熱爐外表面溫度達到標準要求，保溫效果良好。

3　加熱爐節能潛力分析

在加熱爐運行中，燃燒系統和熱交換系統的各個因素相互影響，最后綜合反映到熱效率上。從各項熱損失入手，進行系統的分析，可以找出問題的主要矛盾，通過監測各項指標即可分析出影響加熱爐熱效率的主要環節。各項不合格監測項目存在的主要問題及優化措施見表3，從表中也可以看出控制各項監測項目達到限定值和節能值的節能潛力，由于排煙溫度的高低和過剩空氣系數密切相關的，降低加熱爐的排煙溫度的同時過剩空氣系數也發生變化，因此加熱爐熱效率的節能潛力不能簡單的認為是各項監測項目達到規定值的節能潛力之和。

4　結論與建議

如前所述，構成上述原因的因素是多方面的，既有運行本身方面的因素，也有設計和設備安裝施工方面的因素。因此，欲解決加熱爐運行熱效率低的問題，也應該采取“綜合治理”的方法，不能局限于單從運行方面考慮，而應從設計、研發和運行幾方面同時采取正確的技術對策。

1）設計方面。首先要針對油田工藝加熱爐負荷率逐年遞減、熱功率多為中、小級，以及野外操作條件差的特點，確立這樣的設計原則：對負荷的變化要有較好的適應性，適當采用強化傳熱技術，尾部受熱面宜簡單可靠，墻體保溫盡量采用新材料新工藝。

表3　不合格監測項目問題分析匯總

2）研發方面。應以研制負荷變化適應性能好的燃燒器為重點，其關鍵技術是如何確保在低于經濟負荷段，隨著負荷率的下降過剩空氣系數仍接近合理值。可以說這是一種適應于油田工藝加熱爐特殊需要的專用燃燒器。

3）運行方面。主要是穩定運行工況，及時調整參數，注意觀察檢查，不斷總結操作經驗。此外，還應定期進行熱平衡試驗，以便發現存在問題，及時加以解決。

［1］黃春芳.原油管道輸送技術［M］.北京：中國石化出版社，2005.

［2］中華人民共和國國家發展和改革委員會.加熱爐熱工測定：SY/T 6381—2008［S］.北京：中華人民共和國石油天然氣行業標準，2008.

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.09.010

2016-01-22

（編輯王古月）

楊秀麗，工程師，2009年畢業于石油大學（油氣儲運專業），從事節能監測工作，E-mail:cherry-xl@163.com，地址：山東省東營市濟南路2號檢測中心能源站，257000。