加热炉控制排烟温度及空气系数技术分析与应用

刘录（大庆油田公共汽车公司西区分公司）

加热炉控制排烟温度及空气系数技术分析与应用

刘录（大庆油田公共汽车公司西区分公司）

随着不加热集输技术的逐渐推广，节气的空间越来越小，因此提高加热炉的运行效率至关重要。通过现场调查和对加热炉测试数据的分析发现，影响加热炉效率的主要原因是过剩空气系数不合理、排烟温度过高、炉膛负压不合理等问题，导致运行效率降低。针对运行时率高的加热炉，采用加热炉烟气含氧量实时检测技术和烟道负压测试技术，并辅以烟道挡板调节技术，优化加热炉各项运行参数，实现对过剩空气系数和炉膛负压的控制，使空气系数和排烟温度处于合理范围，提高了加热炉热效率。

加热炉 含氧量检测 负压测试 参数优化 排烟温度 空气系数

加热炉是油田集输过程中广泛使用的加热设备。目前，油田二合一加热炉和水套炉主要用于季节性掺水及热洗一次提温，管式炉主要用于热洗，真空炉用于季节性掺水 （表1）。自开展不加热集输以来，大部分加热炉停运。2011年3月采油六厂在运 加 热 炉 121 台 ， 其 中 热 洗 炉 45 台 、 掺 水 炉 65台 、 脱 水 炉 8台 、 外 输 炉 3台 。2011年 对36台 符 合测 试 条 件 的 加 热 炉 进 行 了 炉 效 测 试 ， 根 据 SY/ T6275-2007 《油 田 生 产系统节能监测规范》 进 行 了节能评价，有15台加热炉效率低于节能标准。

表1 加热炉炉型分类统计

1 原因分析

根据加热炉烟气中的氧含量、一氧化碳含量、排烟温度等运行参数，计算出空气系数、排烟热损失、未完全燃烧损失、散热损失，进而确定加热炉热效率。通过现场调研和测试评价，找出了导致炉效低的原因。

1.1过剩空气系数没有控制在合理的范围之内

油 田 生 产 系 统 节 能 监 测 规 范 规 定 ： 1.16～2.5 MW 加 热 炉 空气系数的合 格 值 在 1.8～2.0 之间 。 测 试的 36 台 加 热 炉 ， 有 11 台 过 剩 空 气 系 数 大 于 2.0。 过剩空气系数受燃料性质、燃烧方式、燃烧设备、风速因素的影响，是动态变化的。空气系数小，会造成不完全燃烧损失；空气系数大，加热炉排烟量增多。

1.2加热炉排烟温度没有控制在合理的范围之内

油 田 生 产 系 统 节 能 监 测 规 范 规 定 ： 1.16～2.5 MW 加 热 炉 排 烟 温 度 应 控 制 在 180～220 ℃ 之 间 。 测试 的 36台 加 热 炉 ， 有 7台 排 烟 温 度 高 于 220 ℃ 。 排烟热损失是加热炉的主要热损失之一，可达 10%～20%。现 场测试数据 表明，排烟 温度每降低 12～15 ℃，加热 炉效 率可提高 1%，排烟温度的高 低直接影响加热炉的效率。

1.3加热炉烟道挡板开度不易调节

烟道挡板可以调节进出加热炉空气量，控制调整炉内负压，以及调节火焰燃烧情况。目前加热炉烟道挡板位置高，只有控制手柄，不利于调节挡板。烟道挡板的开度需要根据加热炉负荷变化、风力的大小进行实时调节。烟道挡板开度的大小直接影响炉膛负压、排烟温度及过剩空气系数，影响加热炉的燃烧效率。

1.4自动熄火保护燃烧装置运行参数不合理

加热炉自动熄火保护燃烧装置开发时侧重于安全管理，主要实现熄火保护、自动点火功能。燃烧器空燃比控制原理是运用理论燃烧计算公式，根据不同负荷计算出加热炉燃烧曲线，执行机构依据燃烧曲线调节合风开度。当炉膛负压变化时，自动燃烧器控制系统不能实现实时的动态调节，致使燃烧器空气系数不合适；同时由于炉膛负压不合适，影响了加热炉的热效率。

2 解决措施

推广不加热集输技术后，二合一加热炉停运较多，且运行负荷偏低，因此加热炉炉效治理应以高效炉为主。根据加热炉热效率工艺特点，采用下列数学模型：

η =106.13-32.19（O）-1089.13（ O ）2-0.0588TP

式中：

η——热效率，%；

（O）——氧含量，%；

TP——排烟温度。

保证加热炉热效率最优的约束条件是: a＜（O）＜ b ； c＜T＜d ； P ≥ e ； 其 中 a、b、c、d、e为常数，根据现场工艺情况确定； T 为烟气温度；P为炉膛负压。

2.1对于应用自动燃烧器的高效炉，应用烟气含氧量检测技术和烟道挡板调节技术

采 油 六 厂 喇 400 站 4#热 洗 炉 （1.74MW）使 用自动燃烧器，经连续监测，平均效率只有72%，低于设计炉效。应用含氧量实时检测技术和烟道挡板调节技术优化加热炉运行参数，具体措施如下。

2.1.1 检测烟气中的氧含量，实时调节空气系数

通过氧化锆氧分析仪检测烟气中的氧含量，开发以氧含量为输入信号的运行软件， PLC可编程控制器对输入氧含量信号进行判断，进行比例、积分、微分运算后，计算出控制量，校正燃烧曲线。系统输出指令给合风控制器，调节合风，把过剩空气系数控制在最佳状态。空气系数调节控制系统各部分功能如下所述。

◇检测部分

氧分析仪完成氧含量检测，转换器把氧浓度电势转换成4～20mA标准信号。

氧分析仪测氧部件是锆管，电炉对锆管加热后，其内外壁接触氧分压不同的气体，氧化锆管就成为一个氧浓差电池，在两个铂电极上将发生如下反应：

在 空气边 （参 比 边）电极上：O2＋4e→2O2－

在 低氧边 （被 测 边）电极上：2O2－→O2＋4e

根据参比气体的浓度可得出烟道中的氧浓度，为参数调节提供依据。

◇ 控制部分 （图1）

PLC可编程控制器对氧分析仪检测出的信号进行 计 算 、 比 较 ， 使 氧 含 量 界 于 4% ～4.5% ， 然 后输出。

图1 燃 烧器 PLC控 制图

◇执行机构

根据控制部分发出的指令调节合风，使空气系数处于合理范围。

2.1.2 改进烟道挡板控制机构，提高操控性能

通过传动机构将烟道挡板控制点由炉子上转移到地面，可根据加热炉负荷变化、风力的大小进行实时调节，控制过剩空气系数，延长换热时间，减少排烟损失。挡板开度与加热炉负荷有近似比例关系，开度越大，加热炉热负荷越大。根据加热炉进出口温度和加热流量估算出加热炉负荷率，确定挡板开度。

2.1.3 加热炉烟道安装排烟温度表，监测排烟温度

加热炉烟道安装排烟温度表后，可以随时监测加热炉烟道出口温度，初步掌握加热炉排烟热损失的情况。

2.1.4 运行效果及推广应用

喇 400 站 4#炉 实 施 各 项 技 术 措 施 后 ， 对 热 效 率进行了测试，结果见表2。

表2 喇 400 站 4#热洗炉 措 施前后 对 比

措 施 后 ， 喇 400 转 油 站 4#热 洗 炉 过 剩 空 气 系 数由 1.73 下 降 到 1.26， 排 烟 温 度 由 373 ℃ 下 降 到213 ℃ ， 效 率 由 72.5%提 高 到 81.1%。 加 热 炉 改 造 投入 为 3 万 元 ， 年 节 气 9.5× 104m3， 投 资 回 收 期 为 7个月。控制系统依据氧含量信号调节合风，配合调节烟道挡板，可将排烟温度和空气系数控制在合理的范围内。

后期效果跟踪时发现，虽然 4#加热炉的空气系数在合理范围内，但排烟温度仍有超标现象，炉效测试数据见表3。

表3 喇 400 站 4#热 洗炉炉效 数据

现 场 调 查 发 现 ， 喇 400 站 热 洗 泵 实 际 流 量 36 m3/h， 超 出 了 加 热 炉 额 定 负 荷 ， 由 于 加 热 炉 超 负 荷运行，导致排烟温度升高，热效率下降。针对喇400 转 油 站 4#热 洗 炉 超 负 荷 情 况 ， 通 过 控 制 热 洗 泵流量，避免了加热炉超负荷现象，炉效达到80.9%， 符 合 节 能标准。 测 试 数 据 见表4。

表4 喇 400 站 4#热 洗炉炉效 数据

在试验取得成功的基础上，推广了该项技术。在 喇 150-4#、 290-1#、 360-5#加 热 炉 上 安 装 氧 分 析仪 、 挡 板调节机 构 ， 年 节 气 28.5×104m3。

喇 600 转 油 站 1#、2#加热炉、喇 560 外 输 炉 共 安装3套烟道挡板调节机构，可及时调节炉膛负压，控 制 排 烟损失， 年 节 气 5.2×104m3。

2.2对于没有应用自动燃烧器的的高效炉，应用烟道负压测试技术和烟道挡板调节技术

加热炉的炉膛负压是反映燃烧工况的重要参数，炉内燃烧工况发生变化，炉膛负压随即发生相应变化。控制炉膛负压就能控制炉内的过剩空气系数，减少排烟损失，提高加热炉的热效率。加热炉空 气 过 剩 系 数 与 炉 膛 负 压 有 直 接 关 系[1]。 加 热 炉 设计规范规定炉膛负压应控制在 20Pa为宜，以保持炉 子 抽 力 正 常 。 喇 381 转 油 站 热 洗 炉 容 量 为 1.16 MW， 使 用 普 通 燃 烧 器 。 喇 381 站 热 洗 炉 应 用 了 烟道负压测试技术，在加热炉侧面安装U型管压力计，用耐高温软管将烟气引入U型管压力计，检测烟道负压。现场试验发现，调节烟道负压可以控制炉膛负压，当负压过大时，排烟损失大，燃烧效率低；负压过小时，燃烧不充分。通过调节合风、烟道 挡 板 ， 喇 381 站 热 洗 炉 炉 效 达 到 79.4%， 达 到 节能标准。炉效测试结果见表5。

表5 喇 381站热 洗炉措施 前后对比

通过调节合风、烟道挡板，喇 381站热洗炉烟道 负 压 由 80Pa 降 到 25Pa， 空 气 系 数 由 2.397 下 降到 1.42， 排 烟 温 度 由 229 ℃ 下 降 到 211 ℃ ， 效 率 由71.1% 提 高 到 79.4% ， 年 节 气 6.5× 104m3。 加 热 炉 改造投 入 为 0.7万元 ， 投 资 回 收期为 2 个月。

目 前 在 喇 271、501、600等 7座 转 油 站 12台 加热炉推广应用了U型管压力计和烟道挡板调节装置，监测调节烟道负压，将排烟温度和空气系数控制在了合理范围，年节气 66×104m3。

3 应用前景预测

通过现场调查和测试评价，针对加热炉实际运行情况，采取个性化组合型技术改造措施，控制排烟温 度 及 空 气 系数，降 低 加 热 炉 运行能耗 （表6）。

表6 加热炉节能改造效果预测

实 施 后 ， 预 计年节气 401×104m3， 天 然 气 价 格按每 立 方 米 0.9 元 计 算 ， 经 济效益为 360.9 万元 。

4 结论

通过对加热炉运行情况的分析，找到影响加热炉运行效率的主要因素。通过应用烟气含氧量实时检测技术和烟道负压测试技术，并辅以烟道挡板调节技术，优化加热炉各项运行参数，使空气系数和排烟温度处于合理范围，提高了加热炉热效率，减少了燃料消耗。同时降低 CO、NOX等有害气体的废气排放量，减轻工业废气对环境的污染，具有良好的经济效益和社会效益。

[1]李勇,李玉军,王维佳.加热炉优化状态自动控制系统的应用[J].油气田地面工程,2003,22(6):40.

10.3969/j.issn.2095-1493.2013.006.005

2012-12-13）

刘录，2008年毕业于齐齐哈尔大学 （机械专业），现从事 公 交 公 司 车 队 管 理 工 作 ， E-mail： liulu002@cnpc.com.cn， 地 址 ：黑龙江省大庆油田公共汽车公司西区分公司，163500。