稠油集输系统加热炉节能技术研究

梁光川，蒲 鹤

西南石油大学石油工程学院，四川成都 610500

稠油集输系统加热炉节能技术研究

梁光川，蒲 鹤

西南石油大学石油工程学院，四川成都 610500

集输系统中的加热炉是油田耗能的主要设备，其热效率的高低直接影响油田的经济效益。文中分析了集输系统加热炉经济运行的主要影响因素：过剩空气系数、加热炉热负荷、排烟温度、加热炉燃烧效率等。利用加热炉反平衡效率测试法，对现场运行的加热炉进行效率测试，得到加热炉的散热损失率、排烟热损失率及燃料不完全燃烧率。利用测试数据计算出加热炉的热效率，根据计算结果分析了造成加热炉低效运行的原因。针对各加热炉的不同情况，提出实现经济运行的主要对策，为稠油集输系统加热炉的节能技术改造提供依据。

加热炉；热效率；排烟热损失；散热损失；改造

0 引言

集输系统是油田主要能耗环节之一，集输系统中加热炉的能耗占有很大比例。在稠油集输系统中，由于稠油中的胶质、沥青等含量高，具有黏度高、密度大、凝点高等特点，因而与输送稀油相比，液体输送温度高、能耗大。据测算，在生产过程中，稠油集输过程的加热炉耗气（油）量比稀油集输过程高出一倍多。本文针对某油田稠油集输系统加热炉的效率测试结果，分析了影响加热炉运行效率的主要因素，最终提出了加热炉优化措施。

1 加热炉运行效率测试及结果分析

1.1 加热炉效率测试

为了对集输过程中加热炉的运行情况进行分析，利用反平衡法计算加热炉效率。通过测定加热炉各项热损失来计算其效率的方法称为反平衡法，计算所得的效率称为反平衡效率。

燃气加热炉热损失主要包括排烟热损失、气体不完全燃烧热损失和散热损失，其反平衡效率计算公式为:

式中η——反平衡效率；

q1——散热损失/%；

q2——排烟热损失/%；

q3——燃料不完全燃烧热损失/%。

散热损失q1是由于炉子运行时，其炉墙、钢架、管道和其他附件的表面温度均较周围空气温度高，造成向空气散失热量的热损失；排烟热损失q2是烟气离开加热炉的最后受热面时所带走的物理热损失；不完全燃烧热损失q3是指烟气中所含少量 CO、H2、CH4等可燃气体最终未能燃烧而造成的热损失。表1列出了某油田集输系统中部分加热炉的主要测试数据及测算结果。

表1 加热炉主要测试数据及计算结果

1.2 测试结果分析

1 号加热炉的燃料不完全燃烧热损失过大，主要原因是加热炉结构不合理，如炉膛火焰温度不高以及燃料不能够充分燃烧，同时增加了过剩空气系数和排烟热损失。2 号加热炉的排烟热损失过大，可能是受到设备物理特性的影响，如对流段结垢、积灰；炉体漏风。3 号加热炉的炉体热损失过高，此类加热炉的散热损失正常值应为 3% ～ 4%，而该加热炉的散热损失大大超过了正常值，分析炉体散热超标的原因，一是炉体表面保温不良，致使大量热能散失；二是由于该加热炉的负荷率过低，致使散热损失量相对比例增大。4 号加热炉的排烟热损失过高，从测试数据看，导致排烟热损失高的主要原因是空气系数偏高及该加热炉的负荷率过低，从加热炉的出力等级及燃料品种看，此类加热炉过剩空气系数正常值应为 1 ～ 1.2，最大值也得小于规定的 1.6。

2 加热炉运行效率理论影响因素分析

2.1 加热炉运行负荷率

加热炉运行负荷的变化对加热炉的经济运行会产生较大的影响。加热炉在 80% ～ 100% 负荷情况下，运行效率通常较高，超负荷和低负荷运行都将降低运行热效率。当负荷降低时，从理论上讲运行效率会增加，但由于存在漏风等问题，过量空气系数变大，运行效率反而会降低；当超负荷运行时，加热炉效率也会降低，一般超过设计负荷 20% 时热效率降低 2% ～ 3%，超过设计负荷 30% 时热效率降低 3% ～ 4%。

2.2 加热炉排烟温度

排烟温度的高低直接影响排烟热损失率，降低排烟温度可以大大提高加热炉热效率。排烟热损失在总热损失中占有极大的比例，是影响加热炉经济运行的主要因素。当炉子热效率较高（例如 90%）时，排烟热损失占总热损失的 70% ～ 80%；当炉子热效率较低（例如 70%）时，排烟热损失约占总热损失的 90%。

排烟温度每降低 12 ～ 15 ℃，加热炉热效率提高 1%。加热炉排烟温度高的主要原因是受热面和水套结垢，影响受热面换热，导致加热炉热效率降低。水垢的导热系数很小，为 0.581 ～ 2.33 W/(m•℃) ，加热炉结垢后对排烟温度有很大影响，据统计，加热炉受热面水垢每增加 1 mm，热效率会降低 2% ～ 3%，见表2。

表2 水垢对加热炉热效率的影响

2.3 加热炉燃烧效率

影响燃烧器燃烧效率的因素有很多，燃料气压力波动、含水、含油、组分变化较大等都会影响燃烧器的稳定燃烧，加热炉燃烧器结构不合理也会降低加热炉热效率。例如，井口使用的负压引射蜗壳式燃气燃烧器，其炉膛火焰温度不高，辐射强度低，负压燃烧时外界空气会漏入炉内，影响了燃烧，同时增加了过剩空气系数和排烟热损失；另一方面，负压燃烧时流体流速较低，烟管与水套之间的对流换热效果较差，导致排烟温度过高，降低了加热炉效率。

2.4 加热炉的过剩空气系数

过剩空气系数α是燃烧所消耗的实际空气量与理论空气量之比。一般燃气加热炉的过剩空气系数为1.05 ～ 1.15。运行中，如果过剩空气量增加，使燃烧温度下降，降低了火焰和高温烟气传给辐射炉管的热量，且大量过剩空气随烟气将热量带走排入大气，使排烟热损失增加。过剩空气系数是加热炉运行的一个重要参数，对加热炉的运行效率、排烟温度等影响很大。图1是加热炉过剩空气系数α与加热炉运行效率η、不完全燃烧热损失q3和排烟热损失q2之间的关系曲线。

图1 加热炉过剩空气系数与运行效率关系曲线

当α＜ 1.1 时，虽然热效率不低，但燃料不完全燃烧热损失在 3% 以上，而且随α的减小而增大，使加热炉热效率降低且烟气对环境造成很大的危害；当1.6 ＜α＜ 3 时，排烟热损失q2超过 10%，热效率随α的增大下降很快，α每增加 0.1，热效率平均降低 1.0%；当α＞3 时，燃料不完全燃烧热损失q3随α的增加而迅速增加，热效率低于 70%，同时烟气中含有大量的有毒气体 NOX、SOX等。

有关资料表明，天然气加热炉最佳燃烧区域为过剩空气系数α= 1.1 ～ 1.6 ，α每降低 0.1，热效率平均增加0.4%。

3 实现经济性运行的主要措施

（1）回收烟气余热，降低排烟热损失。增加对流段的传热面积，更多地吸收烟气中的热量；增加对流炉管，或为了避免过多增加炉管还可以采用钉头炉管，即在燃气加热炉上采用翘片管；在加热炉尾部设置空气预热器预热空气，管式炉空气每提高20℃，炉子热效率提高1%。

（2）减少炉墙散热损失。选择新型耐火纤维、陶瓷纤维等代替耐火砖或轻质耐火混凝土作为炉衬，这是加热炉在保温材料方面的革新和技术突破；此外，要严格控制炉墙密封，减少气体的泄漏，炉膛漏气会加剧炉管氧化，增大排烟热损失。

（3）合理控制过剩空气量。过剩空气系数过大或过小（表明送风量过多或过少）都会使燃烧不完全，对于联合站和计转站的大功率加热炉，可引进加热炉送风自控系统，实现加热炉空气系数优化控制；在采用合适的燃烧控制装置和保证燃烧稳定的条件下，应使过量空气系数具有最低值，以期得到最佳的热效率。

（4）提高加热炉负荷率。提高加热炉运行负荷率可以从合理调整加热炉的运行台数入手，即根据处理油的流量及加热温度，结合各加热炉的额定功率，通过热平衡计算确定各场站加热炉的运行台数，在保证正常生产的情况下，通过减少加热炉的运行台数，减少燃料的消耗，从而提高加热炉的整体运行效率。

（5）加热炉采用节能控制技术。加热炉实现自控运行，按照操作人员设定的温度自动调节加热炉的燃料供给量，对炉子出口温度进行自动跟踪。正常工况下，实际温度与设定温度的误差平均可控制在 ±1 ℃ 以内。

4 结束语

针对集输系统中的加热炉而言，影响其运行效率的主要因素可从结构参数和工艺参数进行考虑。工艺参数是指加热炉运行时的具体操作参数，过剩空气系数、热炉负荷率、排烟温度等均属于工艺参数。其中，过剩空气系数跟散热损失、排烟热损失、炉膛的负压等有着密切的关系。因此，在满足工艺要求的前提下，将影响加热炉热效率的各种参数调整到最优的范围，使得加热炉在高效区运行，可大大提高油田集输系统的能源利用效率。

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[3]李勇，李玉军.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，（6）：24-28.

[4]王占胜，辽宁油田稠油集输工艺优化 [J].石油工程建设，2008，（4）：48-50.

Research on Energy-saving Technique of Heating Furnaces in Heavy Oil Gathering System

Liang Guangchuan，Pu He
Petroleum Engineering College of Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China

The heating furnace in oil gathering system is the main equipment of energy-consumption;its thermal efficiency directly affects oilfield economic benefit.This paper analyzes the main factors affecting economical running of the heating furnace in oil gathering system:excess air coefficient,furnace heat load,exhaust smoke temperature,furnace combustion efficiency.The test method of counter balance efficiency is used to test the efficiency of the heating furnace running in-situ,and it gets the heat dissipation rate of the heating furnace,heat loss of exhaust smoke and incomplete combustion rate of fuel.The tested data are applied to calculate the thermal efficiency of the heating furnace,and the causes of inefficient running of the heating furnace are analyzed based on the calculation results.According to different situations of the heating furnaces,this paper proposes major countermeasures to achieve economical running,and provides the basis for energy-saving technological reformation of the heating furnace in gathering system.

heating furnace;thermal efficiency;heat loss of exhaust smoke;heat dissipation loss;reformation

国家自然科学基金国际合作交流项目（512101105）；特色重点学科建设项目资助青年教师科学基金项目；四川省教育厅青年基金项目（省609）

10.3969/j.issn.1001-2206.2014.01.017

梁光川（1972-），男，重庆彭水人，教授，1993年毕业于西南石油大学油气储运工程专业，博士，主要从事油气储运方面的教学、研究和设计工作。

2013-08-20