喇嘛甸油田加熱爐過剩空氣系數(shù)影響原因分析及治理方法

尤勇（大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠）

喇嘛甸油田建有轉(zhuǎn)油站48座，脫水站7座，安裝加熱爐303 臺，總設(shè)計能力412 MW。負壓加熱爐248 臺，占總數(shù)的81.8%。對于油田常用的管式加熱爐，過剩空氣系數(shù)是保證加熱爐燃燒良好的主要參數(shù)之一。過?？諝庀禂?shù)與合理的負壓、排煙溫度的大小有關(guān)，負壓值小，過?？諝庀禂?shù)也小，燃燒不充分；負壓值大，過?？諝庀禂?shù)也大，排煙溫度升高，排煙損失加大[1-2]。通過對加熱爐熱效率進行監(jiān)測，平均效率77.5%。分析表明，過剩空氣系數(shù)最高達到4.79，超出節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)2.79，加熱爐過?？諝庀禂?shù)高是目前影響加熱爐高效運行的主要問題。

1 喇嘛甸油田加熱爐熱效率水平及評價

加熱爐熱效率現(xiàn)場測定采用KM701燃燒效率測定儀和遠紅外輻射測溫儀進行監(jiān)測，其中KM701燃燒效率測定儀測試煙氣成分，遠紅外輻射測溫儀測試爐體表面溫度，加熱爐熱效率測試儀器及準(zhǔn)確度見表1。

表1 加熱爐熱效率測試儀器及準(zhǔn)確度

通過對油田25 臺加熱爐在其正常運行狀態(tài)下進行的現(xiàn)場監(jiān)測，結(jié)果如下：其熱負荷率平均為54.66%；空氣系數(shù)平均為1.66；排煙溫度平均為145 ℃；加熱爐熱效率平均為78.37%；加熱爐爐體外表溫度為10.5 ℃。現(xiàn)場監(jiān)測的25 臺加熱爐，其中空氣系數(shù)達到標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)要求的有18 臺，合格率為72.00%。根據(jù)石油企業(yè)節(jié)能監(jiān)測綜合評價方法的規(guī)定，當(dāng)加熱爐額定容量在0.582＜D≤1.163 時，空氣系數(shù)≤1.6；當(dāng)加熱爐額定容量在2.326＜D≤3.489時，空氣系數(shù)≤1.5。其中7臺加熱爐排煙處過?？諝庀禂?shù)略高，不合格，分別占監(jiān)測數(shù)量的32%。

2 過?？諝庀禂?shù)影響因素分析

過?？諝庀禂?shù)即燃燒所用實際空氣用量和理論空氣用量的比值，通常以α表示，用來表示空氣的過剩程度。

計算公式如下：

式中：α為過?？諝庀禂?shù)；V為實際空氣量，Nm3/kg燃料；Vo為理論空氣量，Nm3/kg燃料。

合理的α值應(yīng)根據(jù)爐型、所用燃料、燃燒方式、燃燒器性能以及工藝上對爐子的特殊要求來選定。α值過小，會造成燃料燃燒不完全而降低熱效率；α值過大，會降低火焰最高溫度，減低輻射傳熱能力，增大排煙的熱損失，從而降低爐子熱效率，并加劇爐管金屬表面氧化腐蝕[3]。

加熱爐燃燒過程中，當(dāng)燃料完全燃燒時，進行加熱爐標(biāo)定、核算可通過煙氣組成分析，計算實際加熱爐[4]過?？諝庀禂?shù)。

影響過?？諝庀禂?shù)的主要因素有以下幾個方面[5-6]：

一是燃料性質(zhì)。加熱爐可采用液體與氣體燃料，液體燃料的黏度、密度比氣體燃料大，不易與空氣混合均勻，α較高；油田加熱爐主要燃料為天然氣，易與空氣混合均勻，α較小。

二是燃燒器的性能。不同形式、性能的燃燒器，其空氣與燃料混合的程度也不同，因此，過剩空氣系數(shù)也不同。改進燃燒器的性能，使用各種高效燃燒器是降低過?？諝庀禂?shù)的關(guān)鍵。

三是爐體密封性。油田應(yīng)用的加熱爐大部分微負壓的條件下工作，如果加熱爐爐體密封不好，大量吸入空氣就會導(dǎo)致?？諝庀禂?shù)增大，增加了現(xiàn)場操作控制難度。

四是加熱爐調(diào)節(jié)的參數(shù)水平。其中入爐空氣量是加熱爐操作中可調(diào)節(jié)的參數(shù)之一，其調(diào)節(jié)直接影響α的大小。因此，生產(chǎn)操作中，三門一板（風(fēng)門、油門、氣門和煙道擋板）的調(diào)節(jié)是保證燃料完全燃燒，降低α的有效方法。

目前油田在用的加熱爐，燃料性質(zhì)固定，由于采用微正壓操作，加熱爐不受漏風(fēng)問顆影響，因此“三門一板”的調(diào)控是主要影響因素，當(dāng)燃氣量與進風(fēng)量比例失調(diào)時，會導(dǎo)致配風(fēng)不合理，從而直接導(dǎo)致加熱爐效率損失。

3 過剩空氣系數(shù)治理方法及效果

針對以上存在的問題，現(xiàn)場主要采取多種治理優(yōu)化方法，包括應(yīng)用燃燒器PLC控制系統(tǒng)，通過負壓信號對煙道擋板進行實時自動調(diào)節(jié)；根據(jù)燃料消耗量，適時調(diào)整配風(fēng)量，將空氣系數(shù)降到合格指標(biāo)范圍內(nèi)；以及優(yōu)化過?？諝庀禂?shù)配方參數(shù)，調(diào)節(jié)煙道擋板開度，適應(yīng)季節(jié)溫度、風(fēng)力的變化，使?fàn)t加熱爐過?？諝庀禂?shù)處于經(jīng)濟合理范圍[7]。

3.1 應(yīng)用煙氣含氧檢測技術(shù)優(yōu)化燃燒器PLC 控制系統(tǒng)

調(diào)查表明，熱洗爐使用自動燃燒器，平均效率只有71%。通過配置煙氣含氧分析儀、爐腔負壓檢測儀等完善的測控系統(tǒng)，可以自動檢測煙氣中的氧含量，通過PLC控制系統(tǒng)可以對輸入氧含量進行判斷，及時調(diào)節(jié)煙道擋板，用煙氣分析儀檢測加熱爐運行效率、過?？諝庀禂?shù)，比較分析加熱爐過?？諝庀禂?shù)、運行效率與負壓對應(yīng)關(guān)系，從而計算控制量，校正燃燒曲線，在經(jīng)系統(tǒng)輸出指令給合風(fēng)控制器，調(diào)節(jié)煙道擋板，加熱爐負壓處于合理范圍，從而實現(xiàn)加熱爐過?？諝庀禂?shù)處于經(jīng)濟合理范圍，同時又可大大降低工人勞動強度[8-9]。現(xiàn)場實施后，排煙溫度下降了156 ℃，熱效率提高9.1 個百分點，達到81.4%，3#熱洗爐（1.74 MW）措施前后效果對比見表2。累計實施14臺，累計節(jié)氣25.02×104m3。

表2 3#熱洗爐（1.74 MW）措施前后效果對比

3.2 過?？諝庀禂?shù)配方參數(shù)優(yōu)化

試驗表明，當(dāng)過?？諝庀禂?shù)較大時，會有大量沒有參加燃燒的空氣僅由環(huán)境溫度被加熱到排煙溫度后排放到大氣，造成大量的熱量損失。

通過對加熱爐測試數(shù)據(jù)回歸分析，找出空氣系數(shù)、排煙溫度與熱效率之間的定量關(guān)系，見圖1、圖2。試驗表明，當(dāng)過剩空氣系數(shù)每降低0.1～0.15，熱效率提升1 個百分點；當(dāng)排煙溫度每降低10～18 ℃，熱效率提升1個百分點。

圖1 過剩空氣系數(shù)與熱效率關(guān)系曲線

圖2 排煙溫度與熱效率關(guān)系曲線

同時考慮到季節(jié)變化，分階段（11—3 月）、（4—10月）設(shè)定過?？諝庀禂?shù)配方表和擋板開度范圍，即按照季節(jié)天氣變化情況優(yōu)化擋板開度[10]，分別設(shè)置為2個不同范圍，通過檢測煙道壓力，根據(jù)設(shè)定壓力連鎖煙道擋板開度，從而實現(xiàn)加熱爐對氣溫、風(fēng)力的適應(yīng)，有效控制過?？諝庀禂?shù)，不同季節(jié)通過擋板開度控制過?？諝庀禂?shù)優(yōu)化曲線見圖3。現(xiàn)場實施優(yōu)化調(diào)節(jié)86臺次累計節(jié)氣119.51×104m3。

圖3 不同季節(jié)通過擋板開度控制過剩空氣系數(shù)優(yōu)化曲線

3.3 其他優(yōu)化治理措施

針對熱效率低的加熱爐，在煙火管、爐管表面涂刷遠紅外節(jié)能涂料，通過遠紅外涂料受熱可發(fā)射遠紅外線，將熱能轉(zhuǎn)換成遠紅外輻射能，提高加熱爐換熱效率。40臺熱洗爐應(yīng)用節(jié)能涂料后，效率提高5.88 個百分點，日節(jié)氣123 m3，節(jié)氣率12.7%，當(dāng)年累計節(jié)氣66.7×104m3。

同時現(xiàn)場試驗摸索熱洗爐流量參數(shù)界限（表3），按優(yōu)化后控制參數(shù)，在保證熱洗質(zhì)量的同時，排煙溫度能夠控制在260 ℃以內(nèi)?，F(xiàn)場治理后，排煙溫度平均降低39 ℃，單臺年節(jié)氣2.64×104m3，實施37臺，當(dāng)年累計節(jié)氣10.1×104m3。

表3 熱洗爐流量參數(shù)優(yōu)化界限

此外，加強熱洗爐精細管理，應(yīng)對運行2臺以上的加熱爐，按季節(jié)變化和生產(chǎn)實際的需要，合理確立加熱爐運行臺數(shù)，采取“停一開一”的運行方式，使加熱爐盡可能處于高負荷狀態(tài)下運行，以提高負荷率，從而降低各項損失，節(jié)約燃氣使用。

4 經(jīng)濟效益分析

2020年應(yīng)用加熱爐優(yōu)化措施177臺次，累計節(jié)約天然氣221.33×104m3，加熱爐優(yōu)化節(jié)氣效果統(tǒng)計表見表4。依據(jù)油田2021年經(jīng)濟評價方法及參數(shù)選取標(biāo)準(zhǔn)中的天然氣銷售購銷價格，創(chuàng)經(jīng)濟效益約335.9萬元。

表4 加熱爐優(yōu)化節(jié)氣效果

5 結(jié)論及認識

1）過?？諝庀禂?shù)是影響加熱爐運行效率的主要參數(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。通過研究分析定量給出空氣系數(shù)、排煙溫度、負荷率與熱效率的關(guān)系，為指導(dǎo)加熱爐優(yōu)化運行提供技術(shù)依據(jù)。

2）不同季節(jié)氣溫下，加熱爐負壓顯示不同的變化規(guī)律，通過調(diào)節(jié)加熱爐煙囪擋板開度大小，在冬夏兩個階段優(yōu)化燃燒器的配風(fēng)，能夠進一步提高加熱爐熱效率。

3）通過加強加熱爐運行狀態(tài)控制管理，依據(jù)加熱爐的進口溫度、出口溫度、排煙溫度等環(huán)節(jié)判斷加熱爐的運行狀態(tài)，及時對處于非合理狀態(tài)的加熱爐參數(shù)進行及時調(diào)節(jié)，能夠提高加熱爐燃燒效率，大幅度提升加熱爐技術(shù)管理水平。