加熱爐運行存在的問題及應對措施

胡建國

（中國石油天然氣集團公司節能技術監測評價中心）

我國油田的原油凝固點普遍較高，黏度大，常溫下流動性差，因此在原油的開采、集輸和處理過程中需要進行加熱與保溫，消耗了大量的熱能，提供這些熱能所需的燃料和電能消耗，形成了巨大的生產成本，且占油田總能耗的比例不斷上升。目前原油加熱設備主要是各類型加熱爐，存在耗能高、排放高、效率低等問題。針對加熱爐各監測指標超標問題，結合管理和節能增效技術應用優化加熱系統效率，對降低油田生產成本具有十分重要的意義。

1 加熱爐爐效低的原因分析

加熱爐監測項目主要有：排煙溫度、空氣系數、爐體外表面溫度和熱效率[1]，加熱爐監測項目與指標要求見表1。

通過對油田大量加熱爐進行現場節能監測，對照標準要求發現造成加熱爐爐效低有以下原因。

1.1 排煙溫度超標原因

1）燃燒參數調整不合理，配風量過大，熱量未充分交換即被帶出爐膛，換熱效率低，排煙溫度過高。

2）爐膛、煙道積灰嚴重，導致加熱爐受熱面傳熱系數降低，熱量不能及時被傳導，大量熱量隨煙氣排出，排煙溫度升高，加熱爐效率低[2]。

3）加熱爐內部結構不合理或部件傳熱換熱效果差，換熱面積小，熱量未充分交換就進入煙道排放。例如測試中有幾臺熱媒爐平均排煙溫度達到237 ℃，比監測指標要求不大于180 ℃超出50 ℃以上，相差較大。其主要原因是設計不合理，設計的燃燒室小，尾部沒有安裝預熱器來降低排煙溫度，因此這類加熱爐排煙溫度嚴重超標。

4）加熱爐盤管內壁結垢嚴重，影響傳熱系數和使用壽命。例如某油田區塊屬于多層系開發，產出液中SO42-含量達到1 000～2 900 mg/L，礦化度最高達到110 g/L，造成盤管結垢非常嚴重，某些垢型為鋇鍶垢，很難清除。有轉油站雖采取加藥和酸洗等手段，仍存在每年更換1～2 套盤管的問題。部分加熱爐盤管更換時必須解體，縮短了加熱爐的使用壽命。

1.2 空氣系數超標原因

1）燃燒參數調整不合理，配風量過大，造成空氣系數過高。測試中多數空氣系數超標問題屬于這種情況。

2）使用年限過長，維護不到位造成燃燒器進風調節板、煙囪檔板出現銹蝕、損壞或穿孔，防爆門密封不嚴造成漏風等問題，使加熱爐配風量無法正常調節，燃燒過程中空氣不足，燃燒不充分，污染物排放嚴重超標。

3）部分井口加熱爐因使用自產氣為燃料，燃料量不足，造成加熱爐火焰過小使爐膛溫度過低，影響空氣系數。

1.3 爐體外表面溫度超標原因

爐體外表面保溫層破損維護不及時，造成爐體表面散熱過大，指標超標。且由于缺乏對加熱爐的規范化、嚴格化管理，致使加熱爐的襯里出現表面脫落、設備老化、鋼板腐蝕等現象[3]，導致爐體散熱損失增加。

1.4 熱效率不達標原因

隨著油田持續開采，產能逐年下降，集輸工藝的簡化，原有加熱爐設計容量超出現有產能，使加熱爐運行熱負荷偏低，長期處于低效運行，能量浪費嚴重，熱效率低。井口加熱爐其燃料以油井自產、伴生氣為主，燃料組分復雜且變化多，造成加熱爐燃燒狀態的調整頻率高，不能保證加熱爐實時處于高效運行。部分場站出現多臺加熱爐對同種加熱介質進行加熱的現象，使加熱爐運行熱效率降低。加熱爐爐型落后，設計效率偏低，燃料利用率不高，應用過程中熱效率偏低。加熱爐使用年限較長，部分使用超過30 a，設備嚴重老化，導致運行效率較低。清淤除垢周期過長，導致傳熱效率下降，熱量不能有效被加熱介質吸收。

2 應用措施

針對加熱爐使用過程中出現的問題，圍繞管理提效、技術提效思路，落實“一爐一策”管理，嚴格推進檢測調整、清淤除垢、技術更新等措施，對照標準及時調整優化，確保加熱爐高效運行。

1） 降低排煙溫度。合理調節燃燒器運行參數，利用熱負荷控制曲線優化加熱爐的流量、溫度[4]，安裝排煙溫度表，通過實時監測排煙溫度，及時調節檔板開度，將排煙溫度控制在合理范圍內，讓燃燒更充分，減少熱損失，提高熱效率。對排煙溫度高的加熱爐可采取余熱回收工藝，預熱空氣和天然氣，對高余溫進行再次利用，提高熱效率。加強現場加熱爐的維修保養，及時對加熱爐的爐膛、煙道清灰。對盤管內壁結垢及時使用化學藥劑或通球除垢。對部分設計結構不合理的加熱爐進行技術改造，提高換熱效率，降低排煙溫度。

2） 降低空氣系數。加強燃燒器的現場維護，定期清理火嘴，使燃燒器始終處于良好的運行狀態。加強現場管理，對銹蝕與損壞的調節擋板及時維修。提高現場加熱爐監測率，根據監測結果合理調整燃燒器參數。在條件允許的情況下，安裝自動化程度高、燃燒效率高的燃燒器，安裝能夠對加熱爐燃燒狀態進行實時監控的節能產品，合理調節空氣系數，一般來說空氣系數控制應保持在1.1~1.3[5]，減少運行時出現燃燒空氣不足或過剩現象，保證燃料充分燃燒，提高燃燒效率。

3）降低爐體表面溫度。加強加熱爐爐體保溫的現場維護，或使用新型保溫材料進行保溫。對老化部件及時維修更換，使加熱爐處于良好的使用狀態。

4）提高熱效率。根據加熱爐使用情況按需清淤、加密清淤及跟蹤清淤，優化加熱爐清淤除垢周期，保證加熱爐安全、高效運行。在生產工藝允許的情況下，對站內有多臺加熱爐且被加熱介質為同一種類型的情況，建議合理減少加熱爐的使用臺數，以增加熱負荷提高熱效率。合理搭配加熱爐容量，避免熱負荷過低的現象出現。推進新型節能高效型加熱爐的應用，提升加熱爐的運行效率。

3 技術應用

隨著國家節能減排的要求不斷提高，生產生活方式加快轉向低碳化、智能化，堅持生態優先、綠色發展，壯大清潔能源產業，實施可再生能源替代行動。油田生產主要耗能設備加熱爐，應用新技術、新能源，提高效率減少排放具有重要意義。

3.1 提高燃燒效率

提高燃燒效率是提高加熱爐運行效率的前提。油田原有轉油站及井口加熱爐大量采用自然引風式燃燒器，結構簡單，燃氣調節及調風控制采用人工手動調節閥門控制，不能準確調節空燃比，在點火過程中，燃氣空氣配比不當，存在閃爆風險。

推薦應用一種高效智能燃燒控制技術：加熱爐爐況優化系統，包括高效燃燒器和優化監控裝置。

加熱爐爐況優化系統是針對加熱爐整體爐效提升的一種綜合節能技術[6]，可以保證加熱爐高效、安全可靠運轉。對加熱爐的運行參數，比如溫度、壓力、燃料量、配風量等進行控制，使其達到各項設計指標。

高效燃燒器可實現以下功能：①燃燒器自動點火、火焰監測、熄火保護及故障顯示等；②燃氣壓力檢測，助燃空氣溫度自動補償；③燃燒工況自動調節；④在線動態檢測各執行單元（安全檢測）；⑤實時監控加熱爐運行參數，可實現對加熱爐正平衡效率即時計算、實時顯示的目的；⑥通過加裝風門微調、燃料微調及氧含量傳感器，煙溫傳感器和環境溫度檢測裝置等爐況優化自控裝置，進行單臺加熱爐燃燒配比，實現直觀顯示及合理優化控制，達到節能、降耗、減排的作用。

爐況優化監控裝置，可實時檢測氧含量，解決燃燒器高耗能、易損壞問題，保證其穩定高效安全運行。具備爐效監測系統，可對加熱爐爐效進行實時監測，當發生超負荷、低爐效以及罐內結淤、結垢嚴重等狀況時，系統可自動報警；實時監測加熱爐用氣量，并配有氧含量、排煙溫度及燃氣流量等多參數的串級聯動，控制空燃比系統，最大限度降低站場天然氣消耗。

大慶油田薩北開發區作為油田加熱爐提效工程示范區，率先開展以監測爐況優化實際運行效果為目的的先導試驗，經過節能監測確認，安裝爐況優化監控裝置系統后，可實現加熱爐熱效率上升3～5個百分點，平均節能率達到5%以上，投資回收期約2.5 a。爐況優化系統應用結果見表2。

3.2 提高傳熱效率

提高能量利用率就需要把燃燒產生的熱量高效地傳遞給被加熱介質。由于采出液成分復雜，加熱爐長時間運行頻繁出現結垢嚴重的問題，造成加熱能力不足，熱效率低，給生產管理和節能降耗帶來了很大的難度。

遠紅外耐高溫輻射節能涂料能有效提高加熱爐傳熱效率，采用納米技術，對黑度較高和高輻射的紅外發射材料組份進行超細化技術處理，不僅提高受熱體抗腐能力，而且提高了吸收率和發射率，同時反復多次吸收釋放輻射熱能，抗沖刷性能良好，高溫下能很好的保護爐襯表面，使其保持表面平整、光滑，改善爐內熱交換環境，提高爐膛內溫度場強度和均勻性；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，降低排煙溫度，使燃料燃燒更充分，減少能耗，節約能源和延長爐體內襯使用年限， 提高了能源利用率， 達到高效節能[7]。

通過隨機抽測其中6 臺，熱效率提升達到5%左右，燃氣節能率均達到7%以上，投資回收期約75 d， 有效應用2 a，為油田加熱爐提效技術應用提供借鑒。遠紅外耐高溫輻射節能涂料應用結果見表3。

表3 遠紅外耐高溫輻射節能涂料應用結果Tab.3 Application results of far infrared high temperature radiation resistant and energy conservation coatings

3.3 提高燃料利用率

加熱爐是原油加熱的核心設備，選擇安全高效的加熱爐，可以有效提高燃料利用率，減少污染物排放。

高效冷凝式常壓水套加熱爐是一種高效節能加熱爐產品，運行效果好，具有熱效率高、排煙溫度低、節約燃燒消耗和降低設備金屬耗量等優點，且具備一定程度的煙氣凈化作用[8]，節能減排。

此類加熱爐采用高效煙管強化對流換熱，換熱效率是普通煙管的3～5 倍，且體積小、耐腐蝕。其煙箱獨特的布置，增大了與爐體中被加熱介質的接觸面積，進而降低了排煙溫度，增大了熱效率。高效冷凝式常壓水套加熱爐組成結構見圖1。

圖1 高效冷凝式常壓水套加熱爐組成結構Fig.1 Structure of heating furnace with high efficiency condensing constant pressure water sleeve

高效冷凝式常壓水套加熱爐具有運行狀態在線檢測上傳、自動控制、事故狀態自停車功能，操作簡單、運行安全，可有效解決油田專用高效加熱爐普遍存在的熱效率偏低、受露點溫度限制排煙溫度高、煙氣中的能量和水蒸氣的潛熱不能被有效利用等問題，節約燃料及成本，技術性能達到國內先進水平。

長慶油田應用此類加熱爐節能效果明顯，在新建產能項目中得到推廣應用。經測試，實際應用熱效率可達90%左右，與目前現用高效加熱爐相比，降低排煙溫度80 ℃左右，熱效率高出8 個百分點。高效冷凝式常壓水套加熱爐應用結果見表4。

3.4 利用新能源

新能源替代步伐不斷加快，經過多年的發展，光熱技術相對成熟，油田企業應做好對新能源的開發和利用工作[9]。把太陽能熱利用技術與原油加熱相結合，有效利用太陽能，減少不可再生能源的消耗，是降低開采成本，實現油田企業可持續發展的一項重要舉措[10]。尤其是邊遠礦區井口加熱爐，其燃料以油井自產伴生氣為主，存在燃料組分復雜變化大，燃料量不足等問題，造成加熱爐燃燒狀態不佳，加熱效果很差。推薦應用太陽能自控加熱裝置。

太陽能自控加熱裝置通過超導真空集熱器將太陽能能轉換為熱能。太陽光透過真空玻璃管，照射在真空管內的吸熱翅片上，吸熱翅片上的吸收膜將太陽輻射能轉化為熱能，通過導熱銅帶傳遞至內置熱管，連續吸收太陽輻射能，通過高效換熱器為原油提供熱能。太陽能自控加熱裝置見圖2。

太陽能自控加熱裝置采用溫差自動控制，使管殼式超導換熱裝置的出口液溫始終保持恒定的溫度。系統以液體（速熱防凍防沸高效傳熱復合介質）作為傳熱介質。在太陽光照富余時，可以啟動循環泵將多余熱量儲存在儲熱箱內，在光照度較弱時供熱，延長光熱利用時間。當光熱能量不足時，工作站內自控裝置自動啟動輔助加熱裝置電加熱或加熱爐加熱，滿足原油加熱溫度需求。

青海油田某井場40 m3單井罐原來利用天然氣火筒加熱爐加熱，每日工作8 h，每日消耗天然氣240 m3。采用太陽能+電輔助加熱后，天氣晴朗時太陽能即可滿足加熱要求，陰雨天能滿足40%，年綜合節能55%左右，投資回收期約3 a。隨著儲能技術進步，可降低輔助能耗，提升光熱替代率[11]。

4 結論

隨著國家低碳環保要求日益嚴格，對能源利用率提出了更高的要求。對于油田加熱爐能效偏低，要不斷在管理提效、新技術新工藝應用上做更多工作。

從加熱爐節能監測標準指標要求來分析問題，找出主要影響因素，現場采取相應的節能改進措施。高效智能燃燒控制技術用于加熱爐智能化改造或燃燒器無法自動調節配風的加熱爐，可實現在線監控，自動調節，提高加熱爐燃燒效率。遠紅外耐高溫輻射節能涂料適用于各種加熱介質，尤其是礦化度高的原油加熱，能有效減少受熱面上積灰、結垢和腐蝕，提高傳熱效率。高效冷凝式常壓水套加熱爐適用于排煙溫度嚴重超標的加熱爐改造及冷凝水需要收集的場所，回收煙氣中水蒸汽的汽化潛熱，降低排煙溫度。太陽能加熱原油的應用證明了油田生產光熱替代的可行性。發展新能源是油田實現企業轉型和可持續發展的需要。我國油田一般都具有太陽能和閑置土地等資源優勢，各大油田已經開始建設光熱+（燃氣、電輔熱等）示范工程，積累經驗。可以進一步研究脫水站、集中處理站內脫水爐、摻水爐和外輸爐等加熱設備利用太陽能，減少一次能源使用，實現清潔替代、戰略接替和綠色轉型。