過(guò)剩空氣系數(shù)控制對(duì)加熱爐燃燒效率的提升

林墨苑（大慶油田有限責(zé)任公司第二采油廠）

過(guò)剩空氣系數(shù)控制對(duì)加熱爐燃燒效率的提升

林墨苑（大慶油田有限責(zé)任公司第二采油廠）

原油加熱爐的技術(shù)水平及裝備狀況直接影響到油田地面工程建設(shè)的技術(shù)水平與經(jīng)濟(jì)效益，過(guò)剩空氣系數(shù)與排煙熱損失、氣體不完全燃燒熱損失及加熱爐熱效率有著直接的關(guān)系，通過(guò)理論分析過(guò)剩空氣系數(shù)與排煙熱損失、氣體不完全燃燒熱損失的關(guān)系，研究其對(duì)原油加熱爐熱效率的影響，可得出過(guò)剩空氣系數(shù)實(shí)際應(yīng)用的最佳范圍。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)1.7MW加熱爐，單臺(tái)加熱爐年可節(jié)約用氣4.08×104m3，年可節(jié)約生產(chǎn)投入4.08萬(wàn)元。

過(guò)剩空氣系數(shù)；一體化燃燒器；熱效率；燃燒效率

隨著我國(guó)油田開發(fā)的不斷深入，油田生產(chǎn)中使用的加熱爐數(shù)量越來(lái)越多，加熱爐作為降黏、伴熱等生產(chǎn)與保障系統(tǒng)中的重要設(shè)備之一，在油田生產(chǎn)中起著至關(guān)重要的作用。加熱爐的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，直接影響到生產(chǎn)中能耗投入。燃燒器作為加熱爐的核心，其運(yùn)行狀況是加熱爐安全節(jié)能環(huán)保的基本保障，如果運(yùn)行效率低，不僅造成能源浪費(fèi)，還會(huì)導(dǎo)致排放不達(dá)標(biāo)帶來(lái)環(huán)境污染[1]。隨著燃燒器制造技術(shù)、自控技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，先進(jìn)燃燒器控制及爐效管理技術(shù)逐漸在實(shí)際生產(chǎn)中運(yùn)用，加熱爐運(yùn)行效率有了較大提高，有效節(jié)約了日常生產(chǎn)中燃?xì)獾南模档土擞吞锏纳a(chǎn)成本投入。

1 過(guò)剩空氣系數(shù)與加熱爐運(yùn)行效率關(guān)系

1.1 過(guò)剩空氣系數(shù)

加熱爐燃燒使用的燃料與空氣混合燃燒時(shí)存在不均勻性，燃料完全燃燒所需實(shí)際空氣量與理論空氣量的比值為過(guò)剩空氣系數(shù)[2]。

式中：α——過(guò)剩空氣系數(shù)；

VK——實(shí)際燃燒空氣量，m3；

V0——理論燃燒空氣量，m3。

過(guò)剩空氣系數(shù)太大，排煙帶走熱量降低了加熱爐的熱效率。不僅增大熱損失，也會(huì)使煙氣中的含氧量增加，加速爐管的氧化腐蝕。過(guò)剩空氣系數(shù)太小，也會(huì)降低加熱爐的熱效率，同時(shí)造成燃料不完全燃燒，造成資源浪費(fèi)。過(guò)剩空氣系數(shù)不僅影響到加熱爐的熱效率，還影響排煙熱損失[3]（圖1）。

圖1 排煙熱損失與過(guò)剩空氣系數(shù)關(guān)系

由圖1可見，隨著過(guò)剩空氣系數(shù)增大，排煙熱損失也在增大。即大量熱量隨煙氣排放至大氣[4]。圖2為燃?xì)獠煌耆紵龘p失與過(guò)剩空氣系數(shù)關(guān)系曲線。

圖2 燃料不完全燃燒損失與過(guò)剩空氣系數(shù)關(guān)系

當(dāng)過(guò)剩空氣系數(shù)小于1.17時(shí)，燃?xì)馊紵柩趿坎蛔悖斐闪藲怏w不完全燃燒熱，熱損失增加。當(dāng)過(guò)剩空氣系數(shù)在1.17～1.75燃料燃燒充分[4]。

1.2 加熱爐熱效率

向加熱爐提供的能量被有效利用的程度可用加熱爐熱效率η表示，即被加熱流體吸收的有效熱量與燃料燃燒放出的總熱量之比。加熱爐熱效率可由以下公式計(jì)算求得：

式中：η——熱效率，%；

q1——排煙熱損失，%；

q2——不完全燃燒熱損失，%；

q3——其他熱損失，%。

其他熱損q3，一般變化不大，可設(shè)為常值。熱效率主要受q1和q2影響，而q1和q2主要受過(guò)剩空氣系數(shù)影響，則剩空氣系數(shù)是熱效率的主要影響因素。加熱爐效率與過(guò)剩空氣系數(shù)關(guān)系曲線見圖3。當(dāng)過(guò)剩空氣系數(shù)α大于1.16時(shí)，隨著過(guò)剩空氣系數(shù)的增大，排煙熱損q1增大，熱效率降低。當(dāng)過(guò)剩空氣系數(shù)α小于1.16時(shí)，雖然排煙熱損失q1下降，但是由于不完全燃燒熱損失q2增大，使熱效率有下降的趨勢(shì)。

圖3 加熱爐效率與過(guò)剩空氣系數(shù)關(guān)系

可見，過(guò)剩空氣系數(shù)的大小是影響加熱爐運(yùn)行熱效率的主要因素之一，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得過(guò)剩空氣系數(shù)每增加0.1，加熱爐運(yùn)行熱效率約降低0.64個(gè)百分點(diǎn)[4]，降低過(guò)剩空氣系數(shù)是提高加熱爐運(yùn)行熱效率的非常有效的辦法，即當(dāng)α大于1.1、小于1.3時(shí)，加熱爐的熱效率較高。

2 過(guò)剩空氣系數(shù)影響的因素

1）煙溫度與氧氣含量。當(dāng)過(guò)剩空氣系數(shù)過(guò)大時(shí)，加熱爐運(yùn)行中爐內(nèi)煙氣含氧量會(huì)增加，同時(shí)排煙時(shí)大量過(guò)剩空氣量會(huì)將熱量排入大氣，加熱爐熱效率也隨著熱損失增多而下降。過(guò)剩空氣是在出口煙氣溫度下排入大氣的，煙氣溫度與過(guò)剩空氣系數(shù)及熱損失率關(guān)系見圖4。

從圖4可看出，排煙溫度越高，熱量隨過(guò)剩空氣流失得也就越多，加熱爐熱效率越低。相同排煙溫度情況下，過(guò)剩空氣系數(shù)越低，熱損失約低，加熱率效率越高。實(shí)驗(yàn)測(cè)得，每當(dāng)排煙溫度增加10℃，加熱爐熱效率降低約0.7個(gè)百分點(diǎn)。綜上可知排煙溫度、煙氣含氧量是檢測(cè)過(guò)剩空氣主要的輔助系數(shù)。

圖4 加熱爐熱損失與過(guò)剩空氣系數(shù)及排煙溫度的關(guān)系

2）空氣過(guò)剩系數(shù)與爐膛負(fù)壓的關(guān)系。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得，空氣過(guò)剩系數(shù)隨著加熱爐爐膛負(fù)壓的降低，過(guò)剩空氣系數(shù)也隨之降低，爐膛負(fù)壓的最佳控制范圍應(yīng)為10～12mm水柱。爐膛負(fù)壓值是控制加熱爐過(guò)剩空氣系數(shù)的重要參數(shù)[5]。

3）送風(fēng)量、燃?xì)饬康呐浔扰c過(guò)剩空氣系數(shù)的關(guān)系。燃?xì)饬渴鞘芗訜釥t負(fù)荷要求的，送風(fēng)量與燃?xì)饬康呐浔仁沁^(guò)剩空氣系數(shù)的決定性參數(shù)，也是控制過(guò)剩空氣系數(shù)最主要的參數(shù)。依不同的燃料該系數(shù)也不相同[6]。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)一體化燃燒器在1.7MW加熱爐上的實(shí)際測(cè)試，燃燒器在使用天然氣負(fù)荷率45.45%的情況下。排煙熱損失13.18%，不完全燃燒熱損失0.001%，節(jié)氣率7.06%，提高熱效率10.62%。

如果以最低節(jié)氣率5%，加熱爐每天運(yùn)行24h，年運(yùn)行200天，低熱值36MJ/m3，每1MW/h耗氣100m3，燃?xì)鈨r(jià)格1元/m3計(jì)算，則單臺(tái)1.7MW加熱爐節(jié)氣4.08×104m3，年節(jié)約生產(chǎn)投入4.08萬(wàn)元。

目前，各大油田上使用了大量的加熱爐保證生產(chǎn)，如選用可優(yōu)化過(guò)剩空氣系數(shù)的燃燒器，其節(jié)能效果相當(dāng)可觀。

[1]李利子.關(guān)于低過(guò)剩空氣系數(shù)燃燒控制的節(jié)能效果[J].吉林工學(xué)院學(xué)報(bào)，1989（3）：50-56.

[2]張亮軍，陳猛.原油直接式加熱爐過(guò)剩空氣系數(shù)的合理選用[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2009，28（2）：50-51.

[3]傅忠誠(chéng)，潘樹源.過(guò)剩空氣系數(shù)計(jì)算公式的比較[J].煤氣與熱力，2006（5）：27-29.

[4]許康，楊肖曦.過(guò)剩空氣系數(shù)對(duì)原油加熱爐熱效率的影響[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2000，19（12）：51-53.

[5]任建興，鄧萬(wàn)里.過(guò)剩空氣系數(shù)對(duì)多種燃?xì)馊紵郎囟扔绊懙姆治鯷J].節(jié)能，2011，1（21）：24-26.

[6]胡金堂.控制過(guò)剩空氣系數(shù)α的經(jīng)驗(yàn)[J].中國(guó)特種設(shè)備安全，2012（7）：51-52.

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.03.004

林墨苑，工程師，2004年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院（測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)），從事電氣、自控儀表、通信系統(tǒng)的生產(chǎn)管理、規(guī)劃設(shè)計(jì)工作，E-mail：linmoyuan@petrochina.com.cn，地址：大慶市第二采油廠規(guī)劃設(shè)計(jì)研究所，163414。

2017-07-13