冷凝式真空加熱爐在油田生產中的應用

王慶林

（華北油田第三采油廠 滄州 062450）

華北油田所產石油大部分為石蠟基原油，具有“高含蠟、高凝點、高黏度”的特點，為保證連續生產，不論是單井集油還是處理站油氣水分離、原油外輸等環節，都需要對原油進行加熱，因此，加熱爐成為油田生產中不可或缺的重要設備；同時，加熱爐也是耗能比較大的設備。第三采油廠目前共有加熱爐88臺，在用80臺，熱負荷在400～2330kW之間。受生產伴生氣量較小等因素的制約，加熱爐燃料以原油為主，并有少量伴生氣。全廠熱力系統年消耗油氣當量3.5×104t，占全廠原油年產量的3.2%。加熱爐設計熱效率在84%～91%之間，根據節能監測部門現場監測結果，實際運行熱效率在67.3%～89.14%之間，平均熱效率為83.26%，綜合節能達標率僅22.7%。

1 原因分析

影響加熱爐熱效率的主要因素有：排煙熱損失、過剩空氣系數、爐體外表面溫度等[1]。根據對現場加熱爐節能監測數據的分析，影響第三采油廠加熱爐熱效率的因素主要有以下兩個方面：

1）過剩空氣系數過高。過剩空氣系數直接影響著排煙熱損失，還對氣體不完全燃燒熱損失有一定的影響，所以過剩空氣系數是影響加熱爐經濟運行的一個非常重要的參數。經驗表明過量空氣系數每增加0.1，排煙熱損失就要增加0.5%左右。過剩空氣系數在1.2左右時，熱效率最大[2]。由于部分加熱爐應用旋杯式燃燒器，不能實現自動配風，造成過剩空氣系數大于1.2 ，隨著過剩空氣系數的增大，熱效率也不斷降低。

2）排煙溫度過高。該廠排煙溫度超過200℃的加熱爐占加熱爐總數的70%以上，不僅浪費較多的物理顯熱，而且汽化潛熱完全浪費。當天然氣鍋爐的排煙溫度較高時，煙氣所含的水蒸氣不能冷凝放出熱量，隨煙氣排放，熱量被浪費[2]。同時，高溫煙氣也帶走大量熱能，使天然氣的燃燒值中相當部分不能得到利用，降低了能源利用率。

2 技術對策

根據上述分析，提高加熱爐熱效率采取對策如下：

1）將加熱爐燃燒器更換為全自動燃燒器，該燃燒器可根據設定好的介質出爐溫度自動控制燃料供應量和燃燒器風門開度，實現合理控制配風，使過剩空氣系數得以優化。

2）對加熱爐爐膛、煙管定期清灰和爐管定期清垢，解決因灰塵聚集覆蓋和結垢影響換熱效果的問題，從而提高加熱爐運行效率。

3）在煙氣出口增加換熱裝置，通過回收煙氣余熱，提高被加熱介質溫度，或為燃燒器二次風升溫，以降低過高的排煙溫度，從而達到提高加熱爐熱效率的目的，具有較好的節能效益。

目前試驗的冷凝式真空加熱爐，是一種將真空加熱爐和煙氣余熱回收技術結合在一起的組合式加熱爐，通過將兩種技術合二為一，使加熱爐熱效率得到較大幅度提高。

2.1 冷凝式真空加熱爐結構

冷凝式真空加熱爐由真空加熱爐和煙氣余熱回收裝置兩部分組成。

1）真空加熱爐結構。真空加熱爐由鍋殼、火筒、煙管、換熱盤管、煙囪、煙箱、煙風道、燃燒器及梯子平臺等附件組成。

2）余熱回收裝置結構。余熱回收裝置采用由許多相互平行的板單元組成的板式空氣預熱器，第一級為煙氣、水冷凝器，第二級為煙氣—助燃空氣冷凝器。煙氣與空氣在板間交錯流動換熱，板單元可以是平板，也可以是沖壓成各種形狀的波紋板。

板式空氣預熱器的主要優點如下［3-4］：一是阻力小。板式空氣預熱器中氣流在兩板之間流動，具有暢通無阻的氣體流動通道，其壓降較熱管式空氣預熱器小得多。一般情況下，同樣的應用場合，板式空氣預熱器的阻力只有熱管式空氣預熱器的20%～60%；二是不易積灰。板式空氣預熱器單位體積內換熱面積大，有寬且直的流道，故積灰速度比熱管式空氣預熱器緩慢，其結構既便于清灰、又便于布置吹灰器；三是結構緊湊。板式空氣預熱器結構緊湊，占地面積約為熱管式空氣預熱器的50%，可滿足大型裝置的要求，在同樣的工況條件和熱負荷下，板式空氣預熱器的造價只有熱管式空氣預熱器的50%～66%；四是使用壽命長。板式空氣預熱器板材表面易于進行各種處理，表面處理采用各種防腐涂料、滲鋁、搪瓷等措施，增加板材使用壽命，安全可靠。

圖1 煙氣回收裝置安裝示意圖

2.2 冷凝式真空加熱爐運行原理

1）真空加熱爐工作原理。真空加熱爐本體主要由密閉的鍋殼、火筒、盤管、真空閥等組成。加熱爐初次投用時，將水添加至鍋殼液位計的1/3～1/2處，此時鍋殼內水面上部空間為空氣，關閉鍋殼上放空閥門，啟動燃燒器，燃燒器將燃料充分燃燒，熱量經加熱爐火筒（輻射受熱面）及煙管（對流受熱面）傳遞給鍋殼內中間介質水，水受熱沸騰由液相變為氣相蒸發，待水蒸氣壓力達到一定值時，推開真空閥閥球，將鍋殼內的空氣排至大氣中，排汽持續10～15min后，停止燃燒器運行，由于鍋殼內水溫下降，氣相空間體積減小，壓力下降，真空閥閥球在重力作用下回座，實現鍋殼內部與大氣隔絕，內部壓力降低到大氣壓力以下，形成真空空間。由于真空加熱爐水換熱介質在低于100℃下汽化，并且鍋殼承壓低（低于大氣壓），與其他類型加熱爐相比，真空加熱爐具有安全性好，熱效率高的特點。正常生產時，鍋殼內部的水介質被加熱后汽化，水蒸汽逐步充滿鍋殼和盤管的氣相空間，由于盤管內被加熱介質及管壁溫度遠低于蒸汽溫度，從而使蒸汽在換熱管外壁冷凝，并把熱量傳遞給盤管內介質。冷凝后的水在重力作用下落回鍋殼水相空間。如此循環往復，實現了相變換熱過程。

2）余熱回收裝置運行原理。煙氣冷凝余熱回收裝置用溫度較低的水或空氣冷卻煙氣。使煙氣通過裝置后，靠近換熱面的區域溫度降低，煙氣中水蒸氣冷凝，從而使得煙氣顯熱和水蒸氣汽化潛熱釋放，達到回收利用的目的[5]。

燃料燃燒后產生的高溫煙氣（一般160～250℃）中的水蒸氣處于過熱狀態，經煙風道進入煙氣余熱回收裝置，經過煙氣—水冷凝器，為加熱介質預熱，然后進入煙氣—助燃空氣冷凝器，通過兩次換熱，煙氣中的過熱水蒸氣因凝結而放出汽化潛熱，使排煙溫度降低到較低溫度，達到充分回收煙氣中的熱能的目的。

冷凝式真空加熱爐，將真空加熱爐與余熱回收裝置結合在一起，利用余熱回收技術，大幅度降低排煙溫度，回收利用高溫煙氣中的汽化潛熱和顯熱，提高加熱爐熱效率。

圖2 冷凝式真空加熱爐煙氣回收利用流程示意圖

2.3 冷凝式真空加熱爐工藝流程

目前有2臺冷凝式真空加熱爐應用在第三采油廠饒陽采油工區楚二轉油站，用于更換爐管腐蝕穿孔的管式加熱爐。更換后的冷凝式真空加熱爐設計熱負荷與原加熱爐相同，均為2330kW，設計熱效率有了較大幅度提升，由87%提高到96%。

楚二轉油站熱水循環工藝流程是：熱回水罐→熱水泵→冷凝式真空加熱爐→熱水閥組→集油干線伴熱熱水管線→計量總機關閥組→單井伴熱熱水管線→單井井口→單井伴熱回水管線→計量總機關閥組→集油干線伴熱回水管線→熱水閥組→熱回水罐。

冷凝式真空加熱爐的主要作用是為原油集輸系統伴熱循環水升溫，熱回水罐的水經由熱水泵進入加熱爐，一般進爐溫度65～70℃，預計熱水出爐溫度維持在85～90℃。

3 現場應用效果

楚二轉油站2臺冷凝式真空加熱爐安裝投產后，二次風換熱后溫度均達到45℃以上，煙囪排煙溫度由原來的246.9℃和248.6℃，降低到50～70℃，分別降低196.9℃和178.6℃。實驗證明排煙溫度每升高15～20℃，加熱爐熱效率下降約1%，經節能監測部門現場監測，2臺加熱爐熱效率分別達到了92.6%和93.7%，與原加熱爐的78.3%和78.9%相比，分別提高了14.3%和14.8%，平均提高14.55%，過剩空氣系數也由原來的2.9降低到1.29。

由于增加了煙氣余熱回收裝置，對加熱爐所排放煙氣中的煙塵起到滯留作用，一部分煙塵沉積在換熱管中，減少了煙塵隨煙囪排放量。

根據1月份運行數據，該月計劃使用燃料油186t，實際使用燃料油146.4t，節約燃料油39.6t，預計單臺加熱爐一年可節約燃料油475.2t。按照原油價格2300元/t計算，預計2年可收回投資，處于合理范圍之內。

4 結論

通過冷凝式真空加熱爐的現場應用，顯著降低了加熱爐的排煙溫度，過剩空氣系數控制在合理范圍之內，大幅提高了加熱爐熱效率，較好地適應了當前節能減排提高經濟效益的大環境，具有很好的推廣價值。

[1]油氣技術手冊編寫組. 油田油氣集輸設計技術手冊[M]. 北京：石油工業出版社，1994：596-613.

[2]杜立秋. 加熱爐余熱回收的可行性分析[J]. 黑龍江科技信息，2009(20)：29.

[3]黃雙，康強利，劉新軒，等. 板式空氣預熱器在芳烴加熱爐的應用[J]. 石油化工設備，2005，34(02)：57-58.

[4]周建新，宋秉棠，陳韶范，等.板式空氣預熱器的推廣應用[J]. 石油化工設備，2007，36(01)：68-70.

[5]解紅軍，余績慶，劉富余. 加熱爐余熱回收技術綜述[J]. 石油規劃設計，2011，22(06)：36-39.