一種超導原油加熱爐的設計及應用

周 瑞，趙 勇，李樹平，張 振

（1.南京巨龍鋼管有限公司，江蘇南京 210060；2.渤海裝備華油鋼管銷售公司，河北保定 071500；3.華油鋼管有限公司，河北滄州 062650；4.渤海裝備制造有限公司石油機械廠，河北任丘 062550）

0 引言

根據國家“十二五”可持續發展和經濟轉型要求，針對石油資源供應緊張、環境污染嚴重的狀況，使用清潔能源，改善大氣環境，受到了國家的高度重視。隨著節能技術的不斷發展，高效、節能、環保已成為發展趨勢。采油廠距離聯合站較遠的油井，其產出液在進輸油干線前使用小型加熱爐進行一次加熱。目前的單井加熱爐以輕、重油為燃料，采用水套爐形式進行換熱，其燃燒器為負壓燃燒器，燃燒系統無任何安全保障措施。爐管表面煙垢和爐內水垢不便于清理，熱效率低。為此，渤海裝備制造有限公司石油機械廠研發了超導原油加熱爐設備。

1 超導原油加熱爐原理及設計

水套爐的原理和結構，決定了其換熱介質與被加熱介質換熱溫差小（90 ℃）的短板。而超導加熱設備的超導介質可達到270 ℃，以220 ℃的溫差與被加熱介質進行換熱，加熱時間短、強度大、效率高。

加熱爐加熱能力的大小取決于火焰強弱程度、受熱表面積和介質導熱性3 個方面：火焰越強，管壁與介質間溫差越大，傳熱量越大；火焰和高溫煙氣接觸的爐管面積越大，傳熱量越大；加熱管的導熱性越好，傳熱量越大。其中，超導加熱設備參數均優于水套爐（表1）。

表1 井場水套爐和超導原油加熱爐的參數對比

真空超導傳熱技術在我國20 世紀70 年代最先應用于航天衛星表面。衛星在太空飛行，向陽面和陰面溫差約300 ℃，為使衛星表面溫度均勻，采用了真空超導傳熱技術。直至21 世紀初，國家政策開放后，該項技術才逐漸應用于民用行業。其工作原理為：介質的原子和原子相互碰撞時，發生聚集裂變現象，使介質由一種狀態變為另一種狀態（由液態→氣態→液態）。超導介質在45 ℃以下為液態，達到45 ℃時迅速裂變為氣態，并以音速導熱，實現熱量從載體高溫部分傳至低溫部分的熱交換過程。

設備采用超導傳熱技術，避免了火焰與主體內管的直接接觸。燃燒器火焰和超導管局部接觸，就可實現整體冷、熱端部的高效熱交換，使爐體熱效率高達90%以上，且設備體積較傳統管式加熱爐縮小近1/2，降低了安裝難度（圖1）。

圖1 設備結構方案

設備總體技術參數：①額定熱功率175 kW；②設計超額定負荷能力10%，設計使用壽命15 年；③可承壓8 MPa；④傳熱介質為超導介質，熱效率＞90%；⑤燃燒器型號為YH11 NO2，為負壓燃燒器，功率220 kW，可裝配雙電磁閥和火焰檢測器；⑥風機功率0.55 kW，排風量14.16 m3/min。

2 該設備的四大特點

2.1 安全措施豐富

（1）雙層環空管匯設計，火焰不接觸被加熱介質，保障安全。

（2）所有管匯焊接完畢均經過探傷和磁粉檢測后，再進行水壓試驗（壓力12 MPa，保持12 h 無滲漏）。

（3）操作室設有天然氣漏氣報警器，燃燒器為負壓燃燒器，但在傳統負壓燃燒器基礎上裝配風機，點火前可對爐膛內進行掃風（超導加熱設備內部有效空間為1.905 m3，每分鐘吹掃量可達到14.16 m3）。點火前預吹掃時間為5 min，可有效防止點火前爐膛內存在窩氣現象。

（4）燃燒器同時裝配火焰檢測和雙段電磁閥，當大小火焰均熄滅時，雙段電磁閥可切斷氣源，同時聯動遠傳報警，確保管理員第一時間收到停機信息。溫度達到設定值時，一級電磁閥切斷大火，小火為長明火；當溫度低于設定值，電磁閥打開，大火點燃開始加溫。

（5）超導管組配備安全防爆裝置，一旦超過設定值，防爆器自動釋壓力，保障安全。

（6）超導加熱設備爐內有效空間為1.905 m2，外殼配備0.078 m2防爆孔。

2.2 安裝、操作簡單

（1）安裝、維護成本低：爐體內不需要加注軟化水，可節約安裝配套系統相關成本。

（2）操作簡單：當被加熱介質為油井自產液時，無需對鍋筒內進行除垢（水垢）措施。維護簡便，降低了人員勞動強度。

（3）采用整體撬裝式結構，便于運輸。

（4）同時無需在井場打地面基礎、無需專業隊伍進行現場施工，降低了安裝成本。

2.3 熱效率高

設備采用超導傳熱技術，避免了火焰與主體內管的直接接觸。燃燒器火焰和超導管局部接觸，就可實現整體冷、熱端部的高效熱交換，使爐體熱效率高達90%以上，較普通水套爐提高約15%。

內、外殼采用不銹鋼制成，中間填充150 mm 高密度阻熱纖維，在保障加熱體防腐效果、美觀程度的基礎上，體表熱損可控制在0.9%以內。而傳統加熱爐體表面熱損約為3%。

2.4 節能環保

設備前、后封板均可拆卸，外管煙垢可采用鋼刷和高壓水槍清洗，主體內部設有導流槽，底部有泄水孔和快速接頭，可直接將污水引排至下水道。避免空氣吹掃煙垢引起可吸入顆粒物飄散，污染空氣。

設備前部設有操作室，尾部設有防雨罩，防止雨水侵入爐體內部造成腐蝕。獨有的設計和極高的熱效率，可降低對燃料的消耗，減少大氣污染，節約水資源。

3 設備應用

該產品在華北油田采油四廠安56-21 井場進行現場試驗及數據采集工作（圖2）。設備整體運行1 年，運行平穩，積極響應了華北油田公司節能環保的政策，取得良好的經濟效益。

圖2 安56-21 井場現場設備

4 結語

目前各油田需要使用加速集輸的油井數量巨大。渤海裝備制造有限公司石油機械廠產品可應用于所有油井輸油加熱集輸，僅以產品計劃先期投入試驗運營的華北油田采油四廠為例，其該類型產品的需求量為120 臺/套，而其現階段使用的傳統加熱爐的熱效率低、人員成本高、使用輕、重燃油做燃料，能耗大、污染嚴重，亟需一款超低能耗、環保、可靠、方便倒運的新型原油加熱爐，因此具有巨大的市場空間。鑒于現階段市場對節能、降耗、環保型產品的需求日益迫切，該產品具有廣闊的發展前景。此外，渤海裝備制造有限公司石油機械廠還計劃將來豐富該類型產品的產品系列，拓展其應用范圍，將其推廣至各級大小型原油集輸聯合站。