油田加熱爐提效措施研究與運用

王翀 孫聰 楊濟源

（1.遼河油田建設有限公司；2.遼河油田安全環保技術監督中心）

油田作為油品的大型生產基地，各生產環節用熱負荷較大，加熱爐數量較多，導致能源消耗量大；況且油田加熱爐普遍存在分布零散、工作環境惡劣、運行負荷多變，以及運行時間長、自動化水平低等問題，熱效率普遍偏低[1]。以遼河油田為例，共有加熱爐1 萬余臺，年折合總耗能約為43×104t標煤，年平均熱效率卻僅有80%左右。

1 加熱爐現存問題

1.1 使用年限長，設備老化嚴重

由于油田開發年限長，使用中的加熱爐普遍存在老化問題，出現了殼體脫落、保溫效果差、結垢嚴重等現象。早期建設的加熱爐受到當時技術條件限制，熱效率都相對較低，且還使用人工點火的方式，存在安全隱患[2]。由于受國家宏觀經濟及環保政策影響，新建加熱設備呈減少趨勢，更新換代具有難度。

1.2 排煙溫度高，熱損失大

排煙損失作為熱損耗中比重最大的部分，其大小與排煙溫度密切相關，排煙溫度每提高12～15 ℃，熱損失會增加1%左右[3]。老式加熱爐由于煙道積灰嚴重及內部傳熱效果差原因，排煙溫度高于平均水平，并且余熱回收裝置不完善，造成煙氣熱量的浪費。

1.3 空氣系數不達標，燃燒不經濟

空氣系數過大，多余冷空氣會被加熱并由煙囪帶走，引起排煙熱損失增加；而空氣系數過小，則不能保證燃料的完全燃燒[4]。一般條件下，該系數宜控制在1.1～1.3，如果條件允許，可進一步精確到1.05～1.1。但實際上加熱爐結垢嚴重，加上燃燒器水平落后，導致進風量難以準確把握；以及其他因操作不當所引起的燃燒不徹底，不僅影響加熱爐熱效率，還會生成大量的CO、NOX等有害物質，造成空氣污染。

1.4 自動化水平低，管理欠缺

近幾年自動化的運用發展迅猛，如煙氣氧含量連續分析儀表，全自動比例調節式燃燒器等[5]。通過對加熱爐工作數據實時監控，進一步提供了人工操作依據，及時提示技術人員進行優化調整，確保加熱爐處于節能、安全的生產狀態。但普遍老化的加熱爐不具備這一優勢，不能保證加熱爐一直處在高效經濟區工作，對出現的問題也不能及時發現。

2 加熱爐提效單項技術

2.1 高效燃燒

1）優化控制燃燒器。對于煙道靠近燃燒器的加熱爐，可在煙道中安裝余熱回收裝置，利用煙氣余熱給冷空氣加熱，保證穩定燃燒時進入燃燒室的空氣為預熱空氣[6]；并可利用自適應控制技術，為加熱爐增加氧含量在線檢測，在線實時測量煙氣氧含量，保證燃燒始終處于最佳狀態。

該技術匯集了空氣預熱和自適應控制技術，擁有遠程通訊及控制功能，具有高節能率和安全可靠性，但改造難度較大。適用于中大型燃氣鍋爐，以及油田專用的燃氣加熱爐、真空相變加熱爐等。應用此技術后，熱效率平均提升約5%，靜態投資回收期4 年左右，投資節能量約1.66 tce/萬元，有效使用年限10年左右。

2）膜法富氧燃燒。利用空氣中氧氣和氮氣通過富氧膜時滲透率的不同，可在壓差驅動下得到富氧空氣，用這種空氣作助燃空氣的燃燒稱為富氧燃燒。該燃燒裝置把膜法富氧發生器與加熱爐燃燒器結合在一起，提高了火焰溫度和熱量利用率，降低了空氣過量系數，減少了排煙損失[7]。

這種技術可讓燃料充分燃燒，延長設備使用壽命；但也會導致尾氣中氮氧化物含量較高，造成環境污染，并且操作中需要定期反洗，維護成本較高，適用于2 MW 以上的油氣田加熱爐。應用此技術后，熱效率平均提升約3.5%，靜態投資回收期2 年左右，投資節能量約1.34 tce/萬元，有效使用年限5年左右。

3）溫包式加熱爐溫度自動控制裝置。溫包是散熱器恒溫閥的組成元件，用來感受溫度變化并產生驅動動作，其中的工質通常為液體、固體或者氣液混合體。該裝置主要根據溫包的熱脹冷縮原理來控制加熱爐進氣量，進而調節加熱爐溫度[8]。當爐膛內溫度升高時，溫包內工作介質體積急劇增大，使密封容室的壓力增大，推動閥芯向上位移，自動關小閥門，減小進氣量；反之，開大閥門，增大進氣量。

該裝置結構簡單，調節方便，但提效效果不太理想，控制精度略低。應用此技術后，熱效率平均提升約1.5%，靜態投資回收期1.1 年左右，投資節能量約1.67 tce/萬元，有效使用年限10年左右。

2.2 高效換熱

1）無機傳熱熱管。用若干種無機鹽配制成無機材料，放在密封的真空容器中，無機鹽一旦接觸到熱量就激發出微粒進行高速運動并相互碰撞，實現快速高效傳熱，熱量損耗幾乎不計。無機傳熱技術是傳統熱管技術的升級，用該技術制成高效熱管可提高加熱爐傳熱效率3倍及以上[9]。

無機傳熱熱管的換熱效率高、體積小，使用溫度可達1 000 ℃，安全穩定且維護費用低，但靜態投資回收期較長。應用此技術后，熱效率平均提升約5%，靜態投資回收期5.2年左右，投資節能量約1.28 tce/萬元，有效使用年限6年左右。

2）引射式輻射管。引射式輻射管燃燒主要是利用天然氣自身能量引射空氣，并使天然氣在輻射管內燃燒，從而加熱輻射管。引射式輻射管采用直管式，由耐高溫不銹鋼板卷制焊接而成，被加熱的輻射管外表面能夠以漫輻射的方式將熱量投射到火筒內表面，使火焰燃燒高溫區傳遞到火筒的熱負荷均勻化，降低局部熱流密度最高值；同時，將輻射管出口處的煙氣溫度控制在安全溫度以下，避免火筒因高溫而燒損[10-11]。

輻射管的直徑對燃燒無影響，燃燒狀況穩定，無爆燃、脫火和回火現象發生；同時火管壁面溫度的分布更均勻，溫差通常小于50 ℃，可延緩火管燒損或穿孔現象；輻射管的安裝對燃燒器的輸出功率無影響，煙氣排放指標不變，排煙溫度下降。它適用于燃氣火筒式加熱爐，尤其適用于二合一加熱爐。應用此技術后，熱效率平均提升約2%，靜態投資回收期0.8年左右，投資節能量約8.23 tce/萬元，有效使用年限6年左右。

2.3 阻垢防垢

1）加熱爐可抽式煙火管。可抽式煙火管主要用于加熱爐爐管的可拆性連接。其基本原理是：采用1 個火管和1 組細煙管束分層排列，細煙管束盡量集中排列，以便節省爐膛空間；將火管、煙管焊接在管板法蘭上，法蘭與管板法蘭采用螺栓連接，煙火管由滾筒支撐，組成可抽式煙火管結構，管板法蘭與封頭上接管采用法蘭連接。當需要清爐維修或更換時，可不割開封頭而將煙火管從爐體內抽出，且加熱爐熱效率始終保持較高水平[12]。

細煙管束提高了加熱爐的傳熱系數，而煙火管抽送自如，清垢方便徹底，延長了加熱爐的使用壽命。但是加熱爐清淤空間變小，燃燒器需更換微正壓燃燒器，對燃氣要求較高。它適用于火筒式加熱爐，一般用于采出液黏度較大的場合。應用此技術后，熱效率平均提升約3%，靜態投資回收期2.4年左右，投資節能量約1.28 tce/萬元，有效使用年限10年左右。

2）刮板機械式自動除防垢加熱裝置。該裝置為分體式結構，即加熱爐和換熱器分體設置。工作時，載熱體由出口通過管道進入換熱器管程，同時被加熱介質由入口進入換熱器殼程，在換熱器內載熱體與被加熱介質充分換熱，冷卻后的熱載體通過回口流回加熱爐重新加熱升溫，被加熱介質吸熱升溫后由出口流出。工作中，其減速機驅動主軸帶動除垢鋼刷在換熱器內的換熱體上下表面運動，除掉或防止污垢沉積在換熱體的表面上，從而達到除垢目的[13]。

火筒上安裝了高效熱管，能增強換熱，在加熱聚合物驅、三元復合驅采出液及其污水時具有明顯優勢。由于換熱器立式安裝運行，和其他“二合一”同站操作時，液位調控稍有難度；因為除防垢效果好，出換熱器的被加熱介質含垢量大，加大了管線結垢程度。它適用于油田轉油站、聯合站的泵前加熱流程，用以加熱原油和含有各種雜質（聚合物、顆粒物）污水。應用此技術后，熱效率平均提升約7%，靜態投資回收期3.1年左右，投資節能量約2.12 tce/萬元，有效使用年限10年左右。

3）化學清洗除垢。化學清洗方法是將清洗劑注入循環系統，利用化學反應使管線壁上的垢質分解、溶解、脫落，隨后同廢液一起排掉。除了酸堿清洗藥劑外，還要添加絡合劑，以降低藥劑對容器的腐蝕程度。堿性藥劑主要是除去換熱面介質側的油垢，酸性藥劑主要是除去碳酸鹽、硅酸鹽等垢質。除垢后宜對換熱面介質側進行鈍化處理，以減緩投產后的結垢速度。在除垢清洗過程中，可加氣體擾動以提高除垢速度和除垢質量[14]。

該技術使用廣泛，清除污垢徹底且速度快；但會產生部分有毒氣體，酸堿清洗廢液處理不當易對環境造成污染，清洗過程時間長且不易徹底清垢。應用此技術后，熱效率平均提升約4%，靜態投資回收期0.4 年左右，投資節能量約17.28 tce/萬元，有效使用年限1年左右。

3 加熱爐提效集成技術

3.1 煙氣余熱回收

1）空氣預熱+高效燃燒。系統利用空氣預熱器吸收煙氣中的余熱，對助燃空氣進行預熱，以減少排煙損失。其中，燃燒器主要有兩種形式，普通機械式燃燒器和電子比調式燃燒器。

經過預熱器的熱空氣進入爐內后，加速了燃料的干燥、著火和燃燒過程，保證爐內穩定燃燒；由于爐內燃燒得到改善和強化，加上進入爐內的熱風溫度提高，爐內平均溫度也有提高，從而可強化爐內輻射傳熱。但該技術不能適應加熱爐高低負荷的變化，自動調整能力差，適用于排煙溫度180 ℃以上的油田加熱爐、注汽爐等。應用此技術后，熱效率約提升7%，靜態投資回收期2 年左右，投資節能量約2.1 tce/萬元，有效使用年限8年左右。

2）熱管介質預熱+高效燃燒。一方面利用熱管回收的煙氣余熱加熱介質，另一方面利用全自動進口高效燃燒器，實現空氣與燃料比的自動跟蹤調節，減少運行時出現空氣不足或過剩的現象，提高燃燒效率。系統主要由燃燒器、熱管預熱器、煙氣旁通調節閥、被加熱介質管道及儀表自控系統組成。熱管介質預熱+高效燃燒集成技術的應用如圖1所示。

圖1 熱管介質預熱+高效燃燒集成技術示意圖

熱管換熱器可較易地實現冷、熱流體的逆流換熱，有傳熱效率高、結構緊湊、流體阻損小等優點，能有效降低排煙溫度；與其他煙氣余熱回收技術相比，燃燒器與余熱回收裝置沒有關聯，可選用余地大；但其適用范圍窄，一般用于被加熱介質為水的場合。應用此技術后，熱效率平均提升約8.0%，靜態投資回收期1.4 年左右，投資節能量約3.9 tce/萬元，有效使用年限10年左右。

3）煙氣冷凝+高效燃燒。通過在加熱爐尾部煙道上安裝冷凝器將煙氣熱量大部分回收，使排煙溫度降至90 ℃以下；同時，應用了全自動進口高效燃燒器，有效提高了燃燒效率。煙氣冷凝系統如圖2所示。

圖2 煙氣冷凝系統流程

加裝煙氣余熱冷凝回收裝置后，熱效率可超過98%，在較理想的工況下節氣率可達6%～15%，顯著降低了運行費用；并且冷凝器煙氣側阻力不大于500 Pa，實際使用完全不會影響鍋爐的燃燒。它適用于功率燃料為天然氣的真空加熱爐、水套爐、火筒式加熱爐等爐型。應用此技術后，熱效率平均提升約11%，靜態投資回收期1.8 年左右，投資節能量約4.5 tce/萬元，有效使用年限10年左右。

3.2 高效燃燒

1）高效燃燒+輻射涂料。通過利用全自動進口高效燃燒器，實現空氣與燃料比的自動跟蹤調節。同時，在爐管（管式加熱爐）外壁或火筒內壁噴涂強化吸收涂料來提高黑度，增強輻射熱的吸收能力，在生產負荷不變的前提下，可以減少燃料的消耗，從而達到節能的目的。

高溫涂料可提高爐管及火筒表面黑度，從而提高輻射率，減少受熱面平均灰垢厚度，降低結焦強度，爐內受熱面輻射和傳導熱量增加；但涂層壽命短，運行1～3年后性能下降。應用此技術后，熱效率平均提升約5.5%，靜態投資回收期1.4 年左右，投資節能量約3.3 tce/萬元，有效使用年限10 年左右。

2）高效燃燒+對流強化傳熱。采用波形火筒可使燃燒產生的高溫煙氣形成湍流效果，可增大換熱面積、強化輻射傳熱，達到增加換熱能力的目的。螺紋煙管管壁上的凹槽可以強化煙氣擾流，使煙氣在管內流動時產生湍流作用，能在有相變和無相變的傳熱過程中顯著提高內外的傳熱系數，起到雙邊強化作用。

波紋爐膽可以吸收火筒熱脹冷縮時產生的位移，延長火筒的使用壽命，提高安全系數。采用螺紋煙管可以在耗費同樣材料的情況下，增大換熱系數，增強換熱。應用此技術后，熱效率平均提升約5.5%，靜態投資回收期1.6 年左右，投資節能量約2.7 tce/萬元，有效使用年限3年左右。

4 現場技術應用

在遼河油田提效工作的開展中，主要依據“高效燃燒、高效換熱、防垢阻垢”三大技術及集成技術，對老舊加熱爐實施整體更換或改造2 000 余臺，致使加熱爐平均排煙溫度下降6 ℃，空氣系數下降0.5，負荷率提高7.6%，整體熱效率提高4.8%，取得節能效果（表1）。

表1 加熱爐節能效果

5 結束語

1）遼河油田通過開展一系列節能工作，成功實現熱效率提高4.8%，節能量達到0.86×104t(標煤)，為今后的節能工作開展提供思路。

2）隨著計算機技術的進步和大量自動化系統的應用，未來的發展將是呈信息化趨勢，人為影響因素將進一步削弱，加熱爐的爐效優化仍有巨大提升空間，并且提效技術將更加智能化與時效化。