提高加热炉效率措施及改造思路

2011-11-16王麒田园大庆油田有限责任公司第七采油厂大庆油田电力工程设计院

石油石化节能 2011年10期

王麒田园（.大庆油田有限责任公司第七采油厂；.大庆油田电力工程设计院）

提高加热炉效率措施及改造思路

王麒1田园2（1.大庆油田有限责任公司第七采油厂；2.大庆油田电力工程设计院）

油田加热系统是油田的耗能大户，提高加热炉的效率是实施油田节能战略的关键。油田开发20余年，由于产能递减，早期安装的加热炉部分出现负荷偏低、加热效率下降、腐蚀结垢严重等问题，因此，探讨加热系统的特点及寻求对应的效率措施成为当下油田必须实行的重要任务。结合加热系统现状，对影响加热炉效率的因素进行分析，通过对近年在油田加热炉所采用的提高炉效措施的探讨和总结，对加热炉提高炉效潜力及技术的应用提出初步思路。

加热炉提高效率措施技术改造

1 加热炉运行现状

目前，大庆油田第七采油厂建有各类燃气加热装置140台，其中加热炉127台，锅炉13台，包括有管式加热炉（高效炉）、火筒式直接加热炉（二合一、四合一、五合一、脱水加热炉、水套炉）、真空加热炉及锅炉等（表1、表2）。

表1 加热炉分类统计

表2 锅炉分类统计

2 影响加热炉效率因素分析

加热炉是油田的主要耗能设备。根据统计，七厂2009年全年消耗能量14.23×104t（标煤），其中油田生产用气为4 937×104m3，折合标煤为6.57×104t，占总能耗的46.2%，而生产用气的90%以上是集输系统消耗使用。因此，尽可能地提高加热炉的效率是油田节能的重要目标之一。

根据加热炉燃烧器结构分类，确定加热炉系统效率为79%～83.5%（表3）。

表3 各类加热炉系统效率目标

2011年第二季度全厂加热炉平均系统效率为83.09%，其中真空加热炉平均系统效率87.43%，自动燃烧器加热炉的平均系统效率82.42%，高效炉平均系统效率70.25%，只有高效炉的平均系统效率没有达到目标要求（表4、表5）。

表4 二季度全厂加热炉炉效统计

表5 二季度全厂各类加热炉炉效统计

造成部分加热炉炉效偏低的因素主要有以下几个方面。

2.1 部分加热炉使用时间较长，加热炉损耗较大，热效率较低

据统计，加热炉中运行时间在11年以上的有59台，占集输系统加热炉总数的47.2%，其中火筒炉42台，占该部分加热炉的71.1%。该部分加热炉经过长时间的运行，普遍存在火筒及烟管腐蚀老化严重，各类故障发生频率高，导致加热炉损耗较大，炉效偏低（表6）。

表6 加热炉运行时间统计

2.2 无法保证加热炉的运行状态达到最佳

1）部分加热炉的参数设置不合理，空气过剩系数大，带走的热量也大，加热炉效率低；空气过剩系数小，燃料不能充分燃烧，加热炉效率低。大部分加热炉燃烧器属于自动控制，只能依靠厂家调设，导致不能及时调整合理的燃气配比，影响了加热炉的效率。

2）个别加热炉排烟温度过高时，由于缺乏加热炉检测仪器及相关的技术人员，不能及时调节烟道挡板，影响了加热炉的效率。

3）由于加热炉工况的特殊性决定其需要定期维护保养，其中对燃烧器火嘴的维护工作是保证加热炉燃烧效果的重要环节，尤其是使用湿气的加热炉燃烧器火嘴，长时间运行火嘴容易结焦或腐蚀，如不及时清理或维修，必然会导致燃烧效果差，甚至偏烧，影响加热炉的系统效率，同时造成能源浪费。

2.3 部分加热炉热负荷偏低，导致热效率降低

系统投产至今，由于产能的下降，导致部分加热炉低负荷运转。比如葡二联合站地区，建设时间从1989年至1999年不等，改造前只有9#转油站近满负荷运行，其余转油站的负荷率在42.5%～88.1%，负荷率较低（表7）。

表7 葡二联合站地区转油站负荷现状

2.4 加热炉结垢导致热效率降低，燃料及运行成本增加

根据有关文献介绍，如果油田加热炉换热面平均结垢1～5 mm，燃料至少多消耗3.4%～28.1%，若再加上软垢部分，燃料至少多消耗5%～30%。一般情况下，加热炉全年均处于运行或备用状态，很少开炉检查除垢，再加上二合一加热炉的加热介质较为恶劣，导致长期运行后加热炉结垢严重，影响传热效果。同时，加热炉结垢导致加热介质吸收热量的能力大大降低，剩余的热量通过烟气散发到大气中，使加热炉的热效率降低，造成能源的大量浪费。为保证加热介质的出口温度，必须加大燃气用量，这样就会使火管壁温升得更高，同时燃料浪费也越来越多，形成了恶性循环。

2.5 部分老式加热炉受工艺技术条件限制，加热炉效率普遍偏低

14#中转站共有高效炉3台，平均排烟温度200℃以上，冬季达到280℃以上，平均炉效始终维持在71%以下。由于高效炉的火焰直接加热炉管中的生产介质，加热温差大，温升快，管壁易结垢，且结垢层分布不均匀，导致管壁局部过热，严重影响加热炉的换热能力。热量通过烟气散发到大气中，在造成能量浪费的同时，加热炉的热效率降低。

另外，还有6台水套炉，炉效在71%～84%不等，平均炉效为77%左右。水套炉具有操作简便、安全、结构简单等优点，符合油田早期开发对加热炉的要求，但是水套炉的热效率较低，随着油田生产管理逐步走向精细化,水套炉已不符合生产低成本、低能耗的要求（表8）。

表8 现有水套炉基本情况

3 提高加热炉效率的措施

3.1 加强加热炉日常运行管理制度

1）明确加热炉收油时间、倒炉时间、停炉检查部位、运行温度等具体要求。确定日常管理的重点和程序，保证加热炉运行在良好工况，均衡使用加热炉设备，避免单一过度使用造成设备疲劳。

2）反复巡查加热炉附属设备的运行状况，及时清理或维修加热炉的运行故障，如避免火嘴结焦或腐蚀导致燃烧效果差，甚至偏烧。

3）加热炉实行分级管理模式，通过加热炉日常分级管理进行异常状况控制。明确岗位、队(站)、矿、厂的工作职责，做到层层负责、层层把关，控制异常状况出现[1]。

4）明确加热炉运行操作技术界限，明确加热炉启炉、停炉操作规程，明确提温、降温等操作的具体方法和完成时间。

3.2 对服役期在15年以上加热炉进行改造或维修

对老化严重、故障较多、效率偏低的加热炉，原计划“十二五”期间进行分批更换，由于加热炉的整体更换需要油田公司锅炉检验所提供加热炉检测报告，只有经检测不能满足安全要求的加热炉才能更换，难度较大，只能考虑对炉效偏低的加热炉进行局部改造或维修。

3.3 对老式加热炉进行技术改造

真空加热炉采用真空相变换热技术，充分利用汽、液相变潜热的热量，其换热过程首先是利用真空控制阀把加热炉顶部空间抽成真空，水作为传热介质吸收燃料燃烧供给的汽化热蒸发，由此形成负压，水蒸汽在气相空间与换热盘管进行换热，蒸汽在释放热量后冷凝成液滴回落至液相空间。换热如此不断循环往复地吸热蒸发、放热冷凝，形成动态热平衡。目前油田使用的真空加热炉普遍炉效较高。

针对3台高效炉及6台水套炉存在的热损失大、炉效较低的问题,可以把高效炉及水套炉改造为真空加热炉，燃烧器更换为漏液检测燃烧器。参照现有加热炉的效率（87.43%），改造后加热炉热效率提高了7%～15%。

3.4 对加热炉及时清淤除垢，改善加热炉的传热

效果

1）加热炉个性化清淤。如果加热炉烟火管上的硬垢、软垢和泥沙等杂质的累积厚度达到7～8 mm时，则很难保证加热装置的热效率和安全生产。因此，除定期清污外，重点加强投运新井区块、加热炉易损区块的加热炉清淤，实施个性化清淤制度。

2）应用效果好的防垢除垢设备，解决加热炉结垢快的生产难题。2008年在葡北1#转油站1#、2#、3#二合一加热炉应用了高频震荡除垢防垢技术，使用3个月后，发现炉壁以及堰板前端结垢已基本去除，烟火管下部垢已大部分除去或脱落，上部也仅留下用手可轻易大片揭下的黑灰色含砂块状物，除垢效果较好，可应用推广。

3）真空加热炉加强空穴射流技术的推广。该技术通过放入管路中的清洗器的金属叶片产生高频震荡，清洗器被急速旋转的涡流所包围，形成连续移动的低压区，该区域的流水始终呈汽化状态，由此产生的细微气泡又迅速被压缩直至崩裂，瞬时激射出强力的微射流，无数的微射流会聚成冲击波，彻底粉碎沉积物。

4）二合一加热炉采用高压水射流等清洗技术。利用高压泵的高流速射流冲击物体表面的垢层或沉积物使其粉碎，在喷射过程中被冲碎的污垢颗粒夹在射流中，能够帮助冲击更多的污垢颗粒，加速污垢的清除。该技术采用的射流介质是水，对环境无污染，压力参数可以自由选择，不会造成炉体伤害，清洗彻底，效率高。

3.5 使用高效节能燃烧器，安装高温检测装置

近年来，在老油田改造工程、安全隐患工程中对加热炉燃烧系统进行了改造。目前，油田仍有16台加热炉安装的均是普通燃烧器，而高效节能燃烧器能够依据加热炉进出口温度或炉膛温度的检测控制燃料气流量，并对燃烧的燃料/空气混合比进行调节，降低了人为因素对燃烧的影响，大幅度提高了加热炉效率。2011年将23台存在故障、腐蚀老化的燃烧器更换为防漏液保护燃烧器，“十二五”期间将按计划对剩余存在故障的燃烧器进行更换，普通燃烧器也将逐年更换，提高加热炉的效率。

加热炉在运行过程中的炉效并不是单纯地与火管温度成正比，如果加热炉的温度过高，不但容易造成加热炉火管烧坏而存在安全隐患，同时将导致排烟温度增大，直接影响加热炉的系统效率。在加热炉上安装高温检测装置，用于检测加热炉火管的表面温度；当火管温度超过其设定温度(475℃)时，炉管高温检测装置会自动降低加热炉的燃气量，确保加热炉火管不被烧坏，保证加热炉运行良好、炉效平稳。

3.6 采用超导液替代传热介质——水，提高真空

炉效率

超导液是一种淡黄色透明液体，无毒、不挥发、无腐蚀、不结垢、-40℃不结冰、沸点低的有机化合物，pH值为7.9，其余指标与水接近。超导液与水相比有不同的特性：

1）沸点比较低。在标准状态下，超导液的沸点为55℃，水的沸点是100℃。加热相同单位体积的介质时，超导液所需要的热量仅为加热水的热量的45%。由于超导液沸点较低，不需用太大火燃烧就可满足油田生产要求，炉膛温度得到了有效降低，减少了加热炉因烟火管烧损的几率。

2）汽化温度高、传热快。标准状态下，水蒸气的温度为100℃，而超导液汽化后温度可达160℃。

3）汽化潜热值高。达到100℃时，超导液汽化潜热为3 290 J/kg，水的汽化潜热为2 257 J/kg，比水高1 033 J/kg[2]。

应用超导液替代真空加热炉的传热介质——水，可改变真空炉运行状况，提高真空炉效率，降低能耗。由于超导液自身特性，无毒、不挥发、无腐蚀、不结垢、-40℃不结冰，对炉体本身是一种保护；在冬季加热炉停运时，不用将炉体液体介质外排，可防冻。根据调查，其他油田应用超导液后炉效平均提高6%，可以考虑在部分炉效偏低的真空加热炉上试验应用。

3.7 涂刷高效节能涂料，改善加热炉火管的辐射传热效率

在加热炉的辐射受热面上涂刷耐高温红外线节能涂料可以增强受热面的辐射吸收率，并且红外波涂层反复多次吸收并转化为内能传递，自身成为红外辐射热源，增强了受热面吸收辐射热量的能力。辐射面温度提高，吸收的热量能够透过火筒最大限度地传递给加热炉内的流体介质，通过增强加热炉火筒的吸热、传热效果，达到提高加热炉效率的目的。

2009年，对炉效偏低、缺气较严重地区的45台加热炉开展了该技术的应用推广。通过计算加热炉涂刷节能涂料前后1 m3工质升温1℃耗气量，涂刷后加热炉平均节气率提高9.15%左右。