一種智控型煙氣余熱深度回收裝置的實踐探索

李軍 耿景明 樊鵬

（1.大慶油田有限責任公司第一采油廠；2.大慶油田天宇工程設計有限責任公司；3.深圳市佳運通電子有限公司）

油田加熱爐作為一種以天然氣為燃料的加熱裝置，在各大油田采油場站均有廣泛應用，天然氣燃燒生成的高溫煙氣，與低溫液態介質完成熱交換后，煙氣由尾部煙道經煙囪排空。通常加熱爐設計的排煙溫度在120 ℃左右，但受各種因素影響，實際運行排煙溫度通常在150～400 ℃。由于這部分煙氣溫度較高，其中蘊含了數量可觀的煙氣顯熱，且天然氣燃燒生成的煙氣含水率較高，汽化潛熱量也很大，由此導致加熱爐的實際運行效率較低，運行能耗很高[1-3]。這不但造成了能源的浪費，增加了企業的運營成本，而且天然氣燃燒過程中產生了大量的氮氧化物、硫氧化物和二氧化碳等氣體，也給自然環境帶來較大污染。

由于大慶地區冬季環境氣溫特別低，加熱爐正常運行條件下，煙氣經煙囪排放過程中會產生大量煙氣冷凝水，這部分冷凝水順著煙囪內壁向下流匯集于煙箱內，并經煙箱排水管排至燒火間周邊，造成燒火間周邊的地面上全是冰面，一方面影響廠區環境，另一方面不利于運行人員的操作安全。為了解決煙氣冷凝水問題，加熱爐冬季通常采用高過量空氣系數運行，消耗的燃料量和排煙溫度都顯著提升，顯然有悖于當前“雙碳”政策的相關要求[4-5]。

結合當前國內的“雙碳”政策要求，即2030年實現碳達峰，2060 年實現碳中和，結合油田加熱爐的數量多、單體容量較小、布置分散、生產負荷波動頻繁等特點，介紹了一種專門用于油田加熱爐排煙余熱回收的智控型煙氣余熱深度回收裝置，并通過在1.0 MW 加熱爐上進行實踐研究，取得了該裝置的具體節能量數據，明確了其良好的節能效果；此外，該裝置還解決了油田加熱爐運行中普遍存在的其他若干問題，為油田加熱爐生產過程的節能降碳、降本增效提供了一種新的解決方案[6-8]。

1 概述

1.1 本體結構

智控型煙氣余熱深度回收裝置主要由高效換熱單元、驅動系統、在線監控系統和煙氣冷凝水回收系統組成。其中，高效換熱單元以圓形翅片管為換熱元件，高溫煙氣在換熱管外流動，低溫水在換熱管內流動，兩者通過翅片和管壁完成熱交換過程。驅動系統主要包括增壓泵和引風機，增壓泵主要用于克服新增水路系統帶來的阻力，引風機主要用于給煙風系統運行提供動力。在線監控系統主要包括帶遠傳功能的在線測量儀表、智能管控系統和電動閥門，在線測量儀表用于實時顯示系統的運行參數，并為智能管控系統的統計分析功能提供基礎數據；智能管控系統接收在線儀表的實時數據，并對其進行綜合分析和統計，以顯示實時的性能指標并做出正確的調控策略反饋；電動閥門根據智能管控系統發出的指令，進行打開、關閉或開度大小的調節等操作，從而實現節能模式、非節能模式以及優化匹配加熱爐系統運行的目標。煙氣冷凝水回收系統主要由冷凝水箱、冷凝水泵及配套管閥組成，冷凝水箱用于收集煙氣降溫過程中產生的冷凝水，水箱側壁上設有在線液位計，通過液位控制冷凝水泵的啟停，從而實現煙氣冷凝水的自動外排[9]。本體結構除上面所述四大主要結構外，還包括支撐整體的鋼結構、管路的保溫外護板以及外殼三部分，裝置外形結構見圖1，裝置工藝流程見圖2。

圖1 裝置外形結構Fig.1 Shape structure of device

圖2 裝置工藝流程Fig.2 Process flow of device

1.2 工作原理

為了實現利用加熱爐排煙余熱來預熱加熱爐進水的目的，需分別對水系統和煙氣系統進行部分改造。在水系統改造方面，主要是在加熱爐進水母管上設置一個隔斷閥，在隔斷閥前后分別開設取水口和回水口。取水口通過取水管與煙氣余熱深度回收裝置的進水管連通，回水口通過回水管與煙氣余熱回收裝置的出水管連通，由此完成水系統的改造。在煙氣系統改造方面，主要是在加熱爐的尾部煙箱上部煙道上開設取風口，并用引風管將取風口與引風機入口連通，關閉煙囪上的煙氣擋板門后，可將加熱爐排煙引入煙氣余熱回收裝置[10]。

來自三合一的低溫水通過取水管進入煙氣余熱回收裝置上層的換熱管內，并依次向下流經沿途的換熱管，最后由最底層換熱管排出；來自加熱爐的高溫煙氣從換熱單元的底部進入換熱管的外部空間，并向上流經所有的換熱管排后，經頂部的煙囪排空。由此實現低溫水和高溫煙氣的逆流換熱效果，增強了換熱過程的強度。低溫水吸熱升溫后經回水管進入加熱爐內進一步升溫，高溫煙氣放熱降溫后經煙氣余熱回收裝置頂部的煙囪排空，從而實現加熱爐排煙余熱的回收利用，提升燃氣的利用效率，降低加熱爐生產的耗氣量。與此同時，由于加熱爐排煙在換熱單元內放熱降溫至水露點以下，會產生一定量的煙氣冷凝水，這部分冷凝水在重力的作用下匯集于換熱單元正下方的冷凝水箱內。當冷凝水箱液位達到設定高值后，聯鎖啟動冷凝水泵，將煙氣冷凝水排至煙氣余熱回收裝置的進水管內，作為爐水的阻垢劑進行利用；當冷凝水箱液位降低至設定低值后，聯鎖關停冷凝水泵，保證水箱內液位對煙氣系統形成足夠的氣封作用，由此防止煙氣通過水箱外泄。具體現場布置工藝流程見圖3。

圖3 現場布置工藝流程Fig.3 Process flow of on-site layout

1.3 功能特點

智控型煙氣余熱深度回收裝置通過本體結構的獨特設計，并集成了多種智能化控制設備，智能化和數字化方面均達到較高的水平，實現了自動控制、故障預警和聯鎖保護等多項功能，無需人員值守，在充分保障加熱爐安全運行的基礎上，實現了能源利用效率的顯著提升。其主要功能特點如下所述：

1）煙氣余熱深度回收。天然氣燃燒生成的煙氣中，水蒸氣的體積分數在16%左右，對應的煙氣飽和點在57 ℃左右，裝置以加熱爐35～40 ℃的進水為冷源，將煙氣由150～250 ℃以上冷卻降溫至50 ℃以下，有效回收了50～57 ℃水蒸氣相變為液態水釋放的汽化潛熱，從而達到深度回收煙氣余熱的效果。

2）燃燒器配風優化。燃燒器的配風量對燃燒效率和排煙損失有較大影響，合適的空燃比對于提升爐效和燃料利用率至關重要?，F有燃燒器的配風是通過煙囪的抽力提供驅動力，風量調節是通過燃燒器的風門開度變化來實現的。節能改造后，煙氣側配套增設了引風機和調節閥，引風機主要提供配風的動力，燃燒器的風門開度作為一次調節風量措施，調節閥用來二次精確調控配風量。在節能系統調試階段，確定不同燃氣量對應的最優調節閥開度，將其閥位作為設定值錄入控制系統；實際運行過程中，調節閥的開度自動跟隨燃氣量進行聯動，從而達到保證燃燒器安全、高效運行的目的。

3）煙氣冷凝水回用。煙氣冷凝水是煙氣在排放過程中溫度降至飽和點以下時產生的，在加熱爐正常生產工況，沒有配套煙氣余熱回收裝置條件下，受冬、夏季環境溫度變化影響，冬季排煙溫度會比夏季更低，產生的煙氣冷凝水更多。在增設煙氣余熱回收裝置后，排煙溫度全天保持在飽和點以下，所以全年都會有煙氣冷凝水產生。該裝置通過設置冷凝水箱和冷凝水泵等，可以實時收集煙氣冷凝水，當水箱液位到達設定高位時，聯鎖開啟冷凝水泵，將酸性冷凝水泵入煙氣余熱回收裝置的進水管，作為爐水系統的阻垢劑進行回用，從而實現整個煙氣余熱回收過程零排放目標。

4）在線防垢防堵。煙氣余熱回收裝置的換熱單元采用?25 mm×2 mm 翅片管為換熱元件，由于來自加熱爐的爐水組分較為復雜，長時間運行可能有雜質在管內結垢或油漬黏附管壁帶來的堵塞問題。為此，在運行中采取了兩種針對性措施：一是將煙氣冷凝水定期注入換熱單元的進口，利用煙氣冷凝水的酸性對換熱管進行防垢；二是通過定期關閉換熱單元的水系統，利用高溫煙氣對換熱管內的閉式水進行悶燒，當水溫上升到一定值后油漬的黏性下降，再開通換熱單元的水系統，利用水流的沖刷作用，將高溫黏附性較差的油漬帶走，從而解決油漬黏附在管內壁上造成的堵塞問題。

5）提升加熱爐運行安全。在加熱爐進行煙氣余熱回收改造前，燃氣耗量較大，尤其是在冬季，為了消除煙氣冷凝水給現場帶來的不利影響，耗氣量會更高，燃燒器燃燒后形成的火焰尺寸較大，對爐管的沖擊作用強，火焰舔管隱患高。增設煙氣余熱回收裝置后，燃氣耗量較以前大幅下降，燃燒產生的火焰尺寸顯著縮小，對爐管的沖擊損傷較以往情況有很大改善，從而提升了爐管的使用安全性，有效延長了加熱爐的使用壽命。

2 運行數據及效益測算

2.1 燃氣量數據

1.0 MW 加熱爐煙氣余熱回收裝置于2022 年12月投運，至研究采集數據時點，整體運行狀況穩定，未發生因煙氣余熱回收裝置因素導致加熱爐停運的問題，煙氣余熱回收裝置與加熱爐系統協同運行情況良好。為了直觀對比裝置投運前后加熱爐生產能耗水平，從現場集控系統采集了近4 a 同期的加熱爐燃氣量數據，并進行了整理，日燃氣量對比曲線見圖4。4 a 同期（上年12 月至次年6 月）日耗氣量數據中，2023 年（2022 年12 月—2023 年6 月）日耗氣量水平最低。

圖4 日燃氣量對比曲線Fig.4 Comparison curve of daily gas quantity

2.2 節能檢測數據

為了明確煙氣余熱深度回收裝置的具體節能量指標，2023 年8 月邀業內權威節能鑒定機構對其性能進行了節能檢測，節能檢測數據見表1。由表1中數據可以看出，加熱爐排煙溫度降低后，綜合燃氣利用效率提升了7.53 個百分點，根據有效輸出熱量折算的裝置節能率為8.35%。

表1 節能檢測數據Tab.1 Inspection data of energy conservation

2.3 經濟效益測算

根據本項目2023 年的實際運行情況，投運煙氣余熱回收裝置后平均燃氣量按60.5 Nm3/h 計，加熱爐年運行時間330 d，燃氣單價1.65 元/Nm3，燃氣熱值3 2 MJ/Nm3，計算得到本項目年節氣量為4.58×104m3，折合經濟收益為7.4 萬元。

3 煙氣冷凝水回收方案可行性分析

3.1 水質檢測結果

為了進一步研究并確認煙氣冷凝水作為爐水阻垢劑進行回用的可行性，邀業內權威水化機構，分別對煙氣冷凝水、原爐水和混合后爐水進行了取樣檢測，2023 年5 月水質檢測數據見表2。

表2 水質檢測數據Tab.2 Inspection data of water quality

3.2 結果分析

由表2 數據可以看出，煙氣冷凝水的酸性較強，具備作為爐水阻垢劑的基本條件。同時可以看到，將煙氣冷凝水跟爐水混合后，使得爐水的pH值下降了0.03，起到了一定的防垢作用，且對其他組分影響也較小，綜合來看，將煙氣冷凝水注入爐水進行回用，對爐水本身的性質影響不大，具備可操作性。

此外，考慮到煙氣冷凝水的產量問題，該加熱爐最大燃氣量為120 Nm3/h，此時冷凝水產量最多為60 kg/h，爐水流量按照實際平均約15 m3/h 計算，冷凝水量約占爐水量的0.4%，這個數據也可從側面反映出，將煙氣冷凝水摻入爐水中，對整個水循環系統影響甚微，由此也說明采用這種煙氣冷凝水回收方案具備可行性。

4 結論

1）相比于現有節能產品主要回收煙氣顯熱的特點，智控型煙氣余熱深度回收裝置能夠將加熱爐排煙溫度降至50 ℃以下，綜合回收煙氣中的顯熱和潛熱，節能率達到8.35%，節能效果更優。

2）智控型煙氣余熱回收裝置能夠全部回收煙氣降溫過程中產生的冷凝水，徹底解決了困擾現有節能產品的煙氣冷凝水排放問題。

3）對1.0 MW 加熱爐進行煙氣余熱深度回收，年可節約天然氣4.58×104m3，折合收益為7.4 萬元，經濟性良好。

4）回收煙氣冷凝水的過程中，使得原爐水的pH 值下降了0.03，爐水品質未發生明顯變化，且由于pH 值下降，在一定程度上起到了阻垢防垢的效果；裝置采用智能管控系統自控運行，無需人員值守，不增加現場運行人員的工作量。

下一步將調節閥控制燃燒器配風的方式改為風機變頻器調風，調控精度和便捷性會更好；取消系統的增壓泵，降低系統的電耗成本和系統設備故障率；在煙氣余熱回收裝置水路設置安全閥，預防水側超溫超壓；改進智能管控系統的顯示界面和功能配置，提升管控系統的易讀性，便捷化其操控性。