冷凝式油田加熱爐的研制與應(yīng)用

楊笑松 程偉

唐山冀東石油機(jī)械有限責(zé)任公司

加熱爐是油田勘探開發(fā)中的重要設(shè)備之一[1]，是油氣地面集輸、處理與輸送各個環(huán)節(jié)中必不可少的重要生產(chǎn)設(shè)施，油井井口加熱、摻水、熱洗、轉(zhuǎn)油站含水油外輸、原油脫水、聯(lián)合站凈化油外輸、原油穩(wěn)定、成品油輸運(yùn)以及地面設(shè)施的供暖和伴熱等環(huán)節(jié)都離不加熱設(shè)施。目前油田地面集輸領(lǐng)域采用的加熱設(shè)備主要有管式爐、火筒爐、水套爐、蒸汽鍋爐、有機(jī)熱載體爐、相變式加熱爐。傳統(tǒng)的油田加熱爐存在數(shù)量大、能耗高、功能需求多、分布零散、介質(zhì)復(fù)雜多樣、類型單一、單體功率小、設(shè)備使用年限長、被加熱介質(zhì)及燃料潔凈度差和運(yùn)行熱效率偏低等問題。

隨著世界石油資源日益短缺，如何合理利用能源、減少原油開采成本，成為每個油田用戶必須面對的現(xiàn)實(shí)問題。加熱爐是油田生產(chǎn)中提供熱量的關(guān)鍵設(shè)備，也是油氣生產(chǎn)和輸送中的主要耗能設(shè)備。一般加熱爐排煙溫度偏高，最高可達(dá)200 ℃以上，致使熱效率較低。將加熱爐在運(yùn)行過程中的能量利用率在一定范圍內(nèi)合理提高，對減少燃料的消耗量、降低生產(chǎn)成本、減少裝置在生產(chǎn)運(yùn)行過程中的能量消耗有著非常積極的作用。目前國內(nèi)主要通過控制過量空氣系數(shù)減少排煙量和改善爐體內(nèi)傳熱效果來提高燃料的有效利用熱量[2-6]。

1 冷凝式加熱爐開發(fā)的理論基礎(chǔ)

1.1 冷凝式加熱爐與相變加熱爐的區(qū)別

相變加熱爐是近年來在油氣田應(yīng)用的一種新型加熱爐，是應(yīng)用水的相變特性而開發(fā)的高效加熱爐，其充分利用了熱媒的汽化潛熱[7]，利用液體蒸發(fā)、氣體冷凝過程進(jìn)行的熱量傳遞現(xiàn)象，分為真空相變、有壓相變。相變加熱爐采用較低壓力下?lián)碛休^高沸點(diǎn)的中間熱媒體，相對于水浴式加熱增加了一塊汽化潛熱的能量傳遞，可以更有效地提高換熱能力。自1999 年成功推廣應(yīng)用以來，獲得了用戶普遍認(rèn)可，當(dāng)前已成為油氣集輸加熱主力爐型，替代了傳統(tǒng)水域式加熱爐。

冷凝式加熱爐是在原有相變加熱爐（或其他加熱爐）基礎(chǔ)上創(chuàng)新研制而來。它采用了水的相變傳熱特性，并將其充分應(yīng)用在了煙氣余熱回收利用上。燃料燃燒后產(chǎn)生的高溫?zé)煔庵械乃魵馓幱谶^熱狀態(tài)，經(jīng)煙風(fēng)道進(jìn)入煙氣余熱回收裝置，煙氣中的過熱水蒸氣因凝結(jié)而放出汽化潛熱，使排煙溫度降低到較低溫度，充分回收煙氣中的熱能，大幅提高了加熱爐熱效率[8]。

1.2 熱效率計(jì)算

天然氣主要成分為甲烷等烴類，燃燒的化學(xué)反應(yīng)方程為

從反應(yīng)方程可以看出，天然氣燃燒會產(chǎn)生兩倍于天然氣體積的水蒸氣，僅以熱效率90%的1 200 kW 加熱爐為例，正常滿負(fù)荷工況天然氣消耗量約為130 m3/h，即產(chǎn)生的水蒸氣約為250 m3/h，折合成水量為150 kg/h，可見燃?xì)饧訜釥t煙氣中水蒸氣含量巨大，而1 kg 水蒸氣的汽化潛熱在常壓狀態(tài)下為2 257.6 kJ/kg。

汽化潛熱回收前加熱爐熱效率為

汽化潛熱回收后加熱爐熱效率為

式中：Qgl為加熱爐有效利用熱量，kJ；ΔQa為凝結(jié)水的汽化潛熱，kJ；Qdw為燃料低位發(fā)熱值，kJ；

1.3 工作原理

將加熱爐在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的煙氣收集引導(dǎo)進(jìn)入冷凝換熱器內(nèi)，這樣高溫?zé)煔猓ㄕＬ幱?60～200 ℃）在冷凝換熱器內(nèi)與被加熱介質(zhì)進(jìn)行換熱，冷卻介質(zhì)溫度越低換熱效果越好，不但能夠?qū)煔庵幸驗(yàn)闇囟炔町惗憩F(xiàn)出的顯熱吸收，還可以使煙氣中所含大量水蒸氣冷凝，從而吸收其所釋放出的汽化潛熱，最大限度回收預(yù)熱。因天然氣加熱爐效率影響因素從反平衡角度而言，僅有散熱損失及排煙熱損失在結(jié)構(gòu)及配置已定型的情況下仍可控制，所以可從煙氣中盡可能多地回收熱量致使加熱爐效率得到大幅提升。

2 冷凝式加熱爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

冷凝式加熱爐由加熱爐模塊和煙氣余熱回收裝置兩部分組成。結(jié)合不同技術(shù)參數(shù)，冷凝式加熱爐的結(jié)構(gòu)也會有所不同，可以設(shè)計(jì)為一體式、分體式、整體橇裝式三種形式的冷凝式加熱爐。這三種形式的加熱爐主要是加熱爐本體結(jié)構(gòu)不同，加熱爐殼體和換熱器分為一體式和分體式布置，其煙道中均加裝分離式冷凝換熱器回收煙氣余熱。

2.1 一體式加熱爐

加熱爐由殼體、爐膛、對流受熱面、換熱器和煙箱組成，采用一體式布置；煙氣余熱回收裝置由一級冷凝換熱器、二級冷凝換熱器和煙囪組成（圖1、圖2）。

2.2 分體式加熱爐

加熱爐由殼體、爐膛、對流受熱面、換熱器和煙箱組成，其中換熱器與加熱爐爐體采用分體式布置；煙氣余熱回收裝置由一級冷凝換熱器、二級冷凝換熱器和煙囪組成（圖3、圖4）。

2.3 整體橇裝式加熱爐

加熱爐由鍋殼、爐膽、煙管、工質(zhì)換熱器、煙箱、燃燒器、一級換熱器、二級換熱器、煙囪、風(fēng)道、煙道、風(fēng)機(jī)和橇座組成，所有部件均在一個橇座上，整體橇裝布置如圖5 和圖6 所示。

圖1 一體式冷凝加熱爐Fig.1 Integrated condensing heating furnace

圖2 一體式冷凝加熱爐三維模型圖Fig.2 3D model diagram of integrated condensing heating furnace

3 受熱面腐蝕的解決方案

圖3 分體式冷凝加熱爐Fig.3 Split condensing heating furnace

圖4 分體式冷凝加熱爐三維模型圖Fig.4 3D Model of split condensing heating furnace

隨著排煙溫度降低和結(jié)構(gòu)的變化，產(chǎn)生了冷凝器受熱面腐蝕問題。為解決此問題，采用當(dāng)前市面上較為常用的典型材料20#光管、20#螺紋管、搪瓷管、SHY-99 涂層管、316L 不銹鋼管、Ni-P 合金涂層管六種材料，在煙氣冷凝液中進(jìn)行了為期3 個月的腐蝕對比試驗(yàn)，結(jié)果見表1。后期在實(shí)踐中又補(bǔ)充了ND 鋼管作為測試材料。綜合試驗(yàn)對比結(jié)果，認(rèn)為采用奧氏體不銹鋼管作為冷凝器材料在解決受熱面腐蝕問題上最為適合。同時(shí)，再對熱工設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整，使加熱爐出口排煙溫度控制在170℃左右，以避免加熱爐在運(yùn)行過程中由于低負(fù)荷運(yùn)行導(dǎo)致煙氣在加熱爐本體內(nèi)發(fā)生凝結(jié)，使冷凝全過程發(fā)生在冷凝器內(nèi)，保護(hù)加熱爐本體使其具有更長的使用壽命。

表1 腐蝕對比試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Test results of corrosion contrast

圖5 —整體橇裝式冷凝加熱爐Fig.5 Integrated skid-mounted condensing heating furnace

圖6 整體橇裝式冷凝加熱爐實(shí)物圖Fig.6 Real product picture of integrated skid-mounted condensing heating furnace

在腐蝕性對比試驗(yàn)期間，對冷凝液的產(chǎn)率及pH 值變化進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，試驗(yàn)期間由于現(xiàn)場脫硫裝置運(yùn)行故障，一段時(shí)間天然氣中硫化氫含量較高，在此期間煙氣冷凝液的pH 值一度達(dá)到4，后續(xù)隨著脫硫系統(tǒng)投運(yùn)，pH 值再度恢復(fù)到6.4。為了弄清楚變化來源，通過對凝液進(jìn)行化驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其主要離子為SOX-。可得出如下結(jié)論：冷凝式加熱爐具備一定程度上的煙氣凈化作用，即在煙氣冷凝過程中會捕集吸附煙氣中的塵埃及可溶性無機(jī)物，從而實(shí)現(xiàn)煙氣凈化，這無疑會成為其對環(huán)保的又一大貢獻(xiàn)。冷凝水因其實(shí)質(zhì)為蒸餾水，無城鎮(zhèn)外排標(biāo)準(zhǔn)中明令控制組分，且產(chǎn)量有限，不會對水處理系統(tǒng)造成沖擊，可直接排放至管網(wǎng)。如考慮回用則需設(shè)置橇裝水處理設(shè)備，主要實(shí)現(xiàn)收集、增壓、酸堿中和、過濾、回用。亦可處理后用于加熱爐補(bǔ)水。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

冷凝式加熱爐研制完成后，已在冀東油田、克拉瑪依油田、華北油田、長慶油田推廣使用20 余臺，產(chǎn)品涉及原油加熱、污水加熱、采暖等工藝流程，均獲得了可觀的節(jié)能效果。

以冀東油田應(yīng)用的冷凝式加熱爐為例，2015年冀東油田油氣調(diào)向工程末站選用了2 500 kW 冷凝式加熱爐進(jìn)行生產(chǎn)供熱。該站有2 座5×104m3浮頂原油儲罐，油罐維溫采用罐外強(qiáng)制循環(huán)方式，利用加熱爐對原油加熱。維溫?zé)嶝?fù)荷共4 001.8 kW，來油加熱負(fù)荷2 000.9 kW，返輸加熱負(fù)荷1 785 kW，三種工況任意兩種不會同時(shí)進(jìn)行，循環(huán)維溫時(shí)2 臺冷凝式加熱爐同時(shí)開啟，來油加熱、返輸加熱時(shí)只需開啟1 臺冷凝式加熱爐。來液溫度僅為32 ℃，非常適合冷凝技術(shù)應(yīng)用工況。產(chǎn)品現(xiàn)場投運(yùn)后，冷凝式加熱爐各種工況下均能平穩(wěn)運(yùn)行，現(xiàn)場測試顯示，2 500 kW 冷凝式加熱爐熱效率達(dá)到95%，且冷凝水因?yàn)槿剂辖M分原因pH 值表現(xiàn)為中性，直接進(jìn)入站內(nèi)無油污水處理系統(tǒng)。僅以此2 臺冷凝式加熱爐為例，運(yùn)行熱效率較常規(guī)加熱爐提升至少5%，熱效率測試數(shù)據(jù)見表2，按每年運(yùn)行300 天計(jì)算，可節(jié)約天然氣20×104m3/a，按天然氣市價(jià)2.8 元/m3計(jì)算，可節(jié)約天然氣費(fèi)用56 萬元/a，設(shè)備投資回報(bào)非常高，且每年因?yàn)樾侍嵘龓淼腃O2減排亦非常可觀。同時(shí)，煙氣冷凝過程中由于冷凝液的捕集作用，也使得煙氣進(jìn)一步得到凈化，減少了對大氣的污染。

表2 冷凝式加熱爐樣機(jī)運(yùn)行熱效率測試數(shù)據(jù)Tab.2 Test data for thermal efficiency of prototype operation of condensing heating furnace

5 結(jié)束語

冷凝式油田加熱爐通過對煙氣中的過熱水蒸氣進(jìn)行凝結(jié)而放出汽化潛熱，充分回收煙氣中的熱能，大幅提高了加熱爐熱效率；在煙氣冷凝過程中會捕集吸附煙氣中的塵埃及可溶性無機(jī)物，從而實(shí)現(xiàn)煙氣凈化，保護(hù)環(huán)境；高效率帶來燃料消耗量的降低，節(jié)約了設(shè)備應(yīng)用成本，投資回報(bào)率高，該產(chǎn)品具有很好的推廣前景。