井口加熱爐提效優化方法的分析及論證

馬 娜，柏艷玲，李鵬杰，周 浩，許圣君

（新疆石油工程設計有限公司， 新疆 烏魯木齊 830026）

井口加熱爐提效優化方法的分析及論證

馬 娜，柏艷玲，李鵬杰，周 浩，許圣君

（新疆石油工程設計有限公司， 新疆 烏魯木齊 830026）

加熱爐是油氣田集輸過程中廣泛使用的自耗燃料較大的設備之一，為了提高其熱效率降低裝置能耗、提高經濟效益，本文針對新疆某氣田井口加熱爐，從運行現狀以及熱效率計算兩方面進行分析，得出影響加熱爐效率的兩大因素：排煙損失以及散熱損失，同時提出了提高加熱爐熱效率的優化方法，并進行了論證。

加熱爐熱效率；排煙損失；空氣過剩系數；爐體結構

加熱爐是油氣田集輸過程中廣泛使用的加熱設備，也是消耗能量最多的裝置。因此，重視現有老裝置中加熱爐的技術改造和新裝置加熱爐的新技術應用，提高加熱爐熱效率，是降低裝置能耗、提高經濟效益的關鍵所在［1］。

本文針對全面提升新疆某氣田井口加熱爐熱效率，通過計算、分析對比對提高加熱爐熱效率的方法進行論證。

1 已建井口加熱爐現狀

下表為 2015年新疆油氣田各單位加熱爐的測試統計不合格情況統計表，測試結果詳見圖1。

圖1 加熱爐的測試統計Fig.1 The test statistic of heating furnace

井口加熱爐額定功率均小于0.4 MW，根據《油田生產系統節能監測規范》對加熱爐監測項目與指標要求可知，加熱爐的普遍不合格項為過剩空氣系數偏高（規范要求≤2,2）。

在滿足《油田生產系統節能監測規范》對加熱爐監測項目與指標要求的基礎上，若要更好的提高加熱爐熱效率，降低能耗，實現加熱爐熱效率≥86%，需要對影響加熱爐熱效率偏低的因素做出進一步地分析論證［2］。

2 熱效率偏低原因分析

2.1 現狀分析通過對加熱爐運行現狀進行分析，得出以下結論：

1）采用手動燃燒器（大氣式燃燒器）的加熱爐，過?？諝庀禂迪鄬ζ摺?/p>

（1）大氣式燃燒器的配風調節需要操作人員根據現場工況以及氣候條件變化做出調節。在工藝及氣候條件發生變化時未及時調整空燃比，導致過?？諝庀禂迪鄬ζ?。原因分析

（2）簡易燃燒器從技術上無法精細調節配風。采用自然吸氣簡易燃燒器，?？諝庀禂灯毡槠蟆?/p>

2）在額定功率、過?？諝庀禂狄约芭艧煖囟认嘟那闆r下，高負荷率運行加熱爐比低負荷運行的加熱爐熱效率高。即加熱爐負荷率越高，熱效率也越高。

原因分析：

由于氣田井口的日產氣規模會隨開采時間的增長而降低，所需的熱負荷也會降低，這就導致加熱爐運行一段時間后，負荷率就會下降，偏離設計要求。實際所需熱負荷小于加熱爐額定負荷，就會出現大馬拉小車的情況，爐內結構產生的機械熱損失增大，從而導致熱效率降低［3］。

2.2 加熱爐熱效率計算公式分析

（1）正平衡法加熱爐熱效率計算

式中：Q—加熱爐有效輸出熱量，kJ/h;

Qr—供給熱量，kJ/h;

（2）反平衡法加熱爐熱效率計算

式中：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，%;

注：參考《加熱爐熱工測定》SY/T 6381-2008。

2.2.1 影響排煙損失的主要因素

1）過?？諝庀禂?/p>

過剩空氣系數越高，說明進入加熱爐內的空氣越多，大量的過剩空氣隨著排煙，將較多的熱量從煙道排入大氣，熱損失增大。此外，過剩空氣系數過大還使燃燒溫度下降，從而減小熱輻射的強度，增加燃料用量，導致熱效率下降。實踐證明，燃氣加熱爐合理的空氣過量系數一般在1.05～2之間時，燃燒效率最高。

2）排煙溫度

根據熱效率反平衡計算公式可知，排煙溫度越高，排出煙氣的熱焓值越高，帶走熱量就越多，排煙損失就越大。

2.2.2 影響排煙損失的主要因素

1）加熱爐結構

傳統火筒結構制造簡單，選材單一，多采用圓柱形直火筒方式，換熱面積受限，增大爐體結構以及殼體外表面積，即增大了對外散熱損失。

2）加熱爐保溫

選用的加熱爐保溫層厚度不夠，質量不佳也會導致加熱爐隔熱效果不好，增大加熱爐對外散熱損失。

3 提高加熱爐熱效率方案

3.1 降低排煙損失

3.1.1 采用全自動比例調節式燃燒器，控制過?？諝庀禂?/p>

（1）使用先進的全自動比例調節式燃燒器。與大氣式燃燒器相比，全自動電子比例調節式燃燒器可實現以下功能［4］：

①燃燒器自動點火、火焰監測、熄火保護及故障顯示。

②燃氣壓力檢測，助燃空氣溫度自動補償。

③燃燒工況自動調節保證加熱爐運行的最佳工況；

④燃燒器在線動態檢測各執行元件(安全檢測)：

⑤實時監控加熱爐運行參數。

效率的根本就是降低加熱爐的排煙損失以及散熱損失。

（2）加熱爐燃燒器一端增加彩板房，降低外界環境對過?？諝庀禂档挠绊?。

外界環境及氣候條件對加熱爐過?？諝庀禂档挠绊懸彩呛艽蟮摹Ｔ跓o人值守的露天環境下，外界溫度過低，風速過大，均會影響燃燒器吸入的空氣量，進一步影響到燃燒效果。同時全自動比例調節式燃燒器電動執行機構對環境溫度也有一定要求，一般溫度超過-15～50 ℃，電動執行機構將不能正常工作，建議在加熱爐燃燒器一端增加一個保溫防風沙彩板房［5］。

3.1.2 煙氣余熱利用技術

煙氣余熱利用技術是通過高溫預加熱空氣、燃料從而達到降低排煙溫度，提高效率的目的。該裝置由換熱器、風道及加熱爐熱風型燃燒器組成。通過燃燒器風機將熱空氣引入燃燒器，從而降低排煙溫度，并可解決新疆低溫氣候下燃燒器進風口冰凍問題。

3.1.3 降低排煙損失方案對比

對以上兩種降低排煙損失方式進行反平衡法加熱爐熱效率論證計算。計算結果見表1。

通過上表計算結果可知，對于井口加熱爐通過改用自動配風燃燒器熱效率可提高至87.24%，可以滿足加熱爐熱效率提高至86%及以上的要求。

根據統計，井口加熱爐排煙溫度一般都在130～160 ℃左右，通過煙氣余熱利用技術降低排煙溫度，提高加熱爐效率，熱效率僅只可以提高至81.84%。不能滿足加熱爐熱效率提高至86%及以上的要求。

通過對比，綜合考慮熱效率提高程度以及適用性。推薦加熱爐通過采用自動配風燃燒器提高熱效率，在此基礎上在加熱爐燃燒器一端增加彩板房降低外界環境對過?？諝庀禂档挠绊?，使過剩空氣系數保持穩定。

表1 水套爐熱效率計算結果表Table 1 Thermal efficiency calculation sheet of water jacket furnace

3.2 降低散熱損失

加熱爐的散熱損失與加熱爐整體散熱面積、爐內結構、爐壁溫度以及環境溫度、風速均有關。

3.2.1 加熱爐爐體結構的優化

高效加熱爐內部結構優化詳見下圖，加熱爐火筒采用波紋管，煙道采用14根Φ 114管束煙道進行換熱，大大增加了換熱面積，提高了熱量的利用率，且減小了爐子整體尺寸，減小爐整體散熱面積，降低了加熱爐對外散熱損失(圖2)。

3.2.2 保溫材料的優化

加熱爐工作時處于高溫狀態，良好的絕熱設計對降低加熱爐散熱損失也是非常必要的。復合硅酸鹽材料綜合性能優良，施工條件好，作為加熱爐保溫首選材料。同時，施工時還需保證加熱爐保溫層的質量與厚度滿足設計要求。

圖2 加熱爐三維內部結構圖Fig.2 3D internal structure of heating furnace

4 結論

結合現狀，通過計算與分析對比，井口加熱爐優化改造措施主要從降低排煙損失及散熱損失著手，改造方案為： 1)采用自動配風燃燒器控制過剩空氣系數從而降低排煙熱損失； 2)優化加熱爐內部結構，采用波紋管，增加換熱煙管數量，從而增大換熱面積，減小爐體外部尺寸，降低散熱損失(表2)。

表2 水套爐熱效率計算結果表Table 2 Thermal efficiency calculation sheet of water jacket furnace

經過優化改造的加熱爐最終熱效率可提高至86%以上。

［1］ 林軍, 等. 提高水套爐熱效率的方法[J]. 青海石油，2013：98-99．

［2］ 劉錄. 加熱爐控制排煙溫度及空氣系數技術分析與應用[J]. 試驗研究, 2013: 2-14.

［3］ 加熱爐熱工測定SY/T 6381-2008[S]: 25-30.

［4］ 火筒式加熱爐規范SY/T 5262-2009[S]: 45-46.

［5］ 郭韻, 等. 天然氣加熱爐的發展現狀與改進探索[J]. 天然氣應用, 2009，06-12.

Demonstration and Analysis of Improving the Efficiency of Heating Furnace

MA Na，Bai Yan-ling，LI Peng-jie，ZHOU Hao，XU Sheng-jun
（Xinjiang Petroleum Engineering Co., Ltd, Xinjiang Urumchi 830026，China）

Heating furnace is widely used in oil field gathering system. In order to improve the thermal efficiency, reduce the energy consumption and improve the economic benefit, operational status and thermal efficiency of heating furnace in a Xinjiang oilfield were analyzed, two factors of affecting the thermal efficiency were put forward as follows: exhaust loss and heat loss. At last, the measures of improving the efficiency of heating furnace were pointed out.

efficiency; exhaust losses; coefficient of excess air; furnace construction

TQ 052

A

1671-0460（2016）11-2602-03

2016-05-08

馬娜（1991-），女，甘肅省蘭州市人，助理工程師，2013年畢業于東北石油大學化學工程與工藝專業，研究方向：油氣田地面工程。E-m ail：403845532@qq.com。