真空加热炉运行情况浅析

2014-08-13崔晓雨大庆油田采气分公司

石油石化节能 2014年7期

崔晓雨（大庆油田采气分公司）

真空加热炉作为气田开发的重要换热设备，它热效率的高低直接影响天然气的换热效率，为了合理使用真空加热炉、平稳生产以及降低能耗，对影响真空加热炉热效率的原因进行分析，提出提效措施，并为气田开发合理使用真空加热炉提供参考数据及建议。

1 真空加热炉结构原理

真空加热炉利用水在不同压力下沸腾温度不同的特性，通过沸腾排气法形成一个一定真空的真空腔，锅筒内压力变为负压（-0.03~0.01 M Pa）。燃气经燃烧器在炉膛里充分燃烧后，火焰和高温烟气通过在炉胆、回燃室及烟管将热量传递给热媒水。热媒水在低于负压下热蒸发形成饱和蒸汽，通过“蒸发-冷凝-再蒸发-再冷凝”的相变换热方式将热量传递给盘管内的流动介质-水或油，使其达到用户所需温度。

图1 真空加热炉结构图

2 真空加热炉热效率计算

行业标准S Y/T 6381—2008《加热炉热工测定》对加热炉热效率的定义是：“同一时间内加热炉的被加热介质输出热量与输入热量之差与供给能量的比值，用百分数表示。”而对于热效率的计算可以通过两种途径：正平衡法和反平衡法。下面分别进行讨论。

所谓正平衡法就是根据热效率的定义来进行计算：

而反平衡法就是通过测定各种燃烧产物热损失和加热炉散热损失来确定热效率的方法。其计算公式如下：

η=100-(q2+q3+q4)

式中：

q2——排烟热损失；

q3——气体未完全燃烧热损失；

q4——散热损失。

由于实际情况不具备用反平衡阀计算加热炉的热效率，本文接下来用正平衡法计算某集气站加热炉的热效率。

根据表1数据，可以通过公式计算出各单井加热前后天然气摩尔热容值，见表2。

表1 某集气站2013年1月1日生产数据

C=a0+a1T+a2T2+a3T3

式中：

C——定压摩尔热容，kJ/（kmol·K）；

T——温度，K 。

表2 某集气站各单井进出加热炉的摩尔热容

表3 各单井产气物质的量

各单井气体有效利用热量的计算：

Q气=(CP1×T1-CP0×T0)×N

表4 各单井气体有效利用热量

各单井液体有效利用热量的计算：

Q液=CMΔT

表5 各单井液体有效利用热量

各单井总有效利用热量的计算：

Q总=Q气+Q液

表6 各单井总有效利用热量

供给能量的计算：

由于某区所生产的天然气在标况下的热值一般在38930~40186kJ/m3，我们取其平均值39558kJ/m3来进行计算。

H=39558kJ/m3=39926kJ/m3

由于两台加热炉只有一台总自用气计量，而没有单独的自用气计量，因此无法取得每台加热炉准确的自用气。因此，按照两台加热炉功率比值来估算每台加热炉自用气的消耗。1#加热炉功率为0.32 M W ，2#加热炉功率为0.41 M W ，按照日自用气300 m3计算，两台加热炉分别消耗自用气为132m3和168m3。

加热炉热效率的计算：

η=(QOUT-QIN)/Qr=(QOUT-QIN)/(H ⋅V)

表7 某集气站2013年1-6月加热炉热效率统计表

从计算接过来看，1号集气站2号加热炉热效率偏低只有53%，接下来将对真空加热炉热效率偏低的情况进行详细分析。

3 真空加热炉热效率影响因素

3.1 炉子排烟温度越高，热效率越低

排烟热损失指烟气离开加热炉末级受热面进入烟囱时带走的部分热量。其大小主要取决于排烟温度的高低和排烟处的烟气量的大小。在燃料及送风条件保持稳定时，排烟量的变化可以忽略。排烟温度的高低直接影响热效率的大小，排烟温度越高，热效率越小。一般排烟温度每升高10~15 ℃，热效率会下降1%。因此，在实际生产中应该尽量降低排烟温度，进而提高热效率，但是也不益过低（低于烃露点），否则加热炉尾部易产生滴水现象，以致诱发加热炉尾部受热面腐蚀问题。一般情况下，加热炉安全排烟温度要高于烟气烃露点5～10℃。同时，在有条件的情况下可采用烟气余热回收技术。

3.2 过剩空气系数越大，热效率越低

当过量空气系数低，空气量不足时，炉膛温度太低，空气与可燃气体混合不良，可燃气体来不及燃尽而排走，从而增大了燃料气未完全燃烧热损失，致使热效率低。此外，过量空气系数还将影响消烟除尘效果。在燃烧过程中，由于空气量不当，燃料与空气混合不好，导致挥发分析出炭黑而形成黑烟，同时加大了排尘量使排尘浓度提高。因此，空气量是锅炉燃烧过程和除尘过程中十分重要和关键的要素，必须有效地解决锅炉合理配风、锅炉漏风和烟（风）道的漏风问题。

3.3 炉壁散热损失越大，热效率越低

加热炉运行中，由于保温材料并非完全绝热，加热炉的介质热量通过炉墙、烟风道、架构、汽水管道的外表面散发出来，该部分散失的热量即炉体表面散热损失。炉体表面散热损失大小主要是由锅炉外壁相对面积及外壁温度所决定，一般来说锅炉的散热损失较小，可以通过加强维护保养，整修锅炉本体及管道保温层，防止和减少炉体表面热量损失。

3.4 加热炉负荷对加热炉热效率的影响

由于每台设备的运行效率都与其运行负荷存在一定的关系，接下来将探讨真空加热炉运行负荷与其运行效率之间的关系。

首先通过加热炉热效率正平衡计算方法，计算在不同负荷下加热炉的运行效率。

表8 某区各集气站热效率统计表

通过真空加热炉热效率与其负荷的关系图2，可以看出真空加热炉热效率与其负荷存在两个关系，一是当负荷低于100%时，加热炉热效率与其负荷成正比关系；二是当负荷大于100%时加热炉热效率与其负荷成反比关系，主要是因为当加热炉超负荷运行（负荷大于100%）时，供给的燃料气相对于供给的空气较多，此时气体不完全燃烧，燃料会随着烟气排出，造成气体不完全燃烧热损失增大，从而使热效率降低。

图2 某区各集气站加热炉热效率与负荷关系图

1 号集气站2号加热炉负责对a井、b井、c井、d井生产的天然气进行换热，而其中a井、b井、c井是高产井，井口来气温度较高均在42℃以上，因此这三口气井来气一般不需要换热，而走加热炉旁通管线。正常生产情况下2号加热炉只为d井来气进行换热，其实际负荷只有12%。这就解释了为什么2号加热炉热效率偏低的原因。同时我们通过统计分，总结出热负荷在50%额定负荷下区域，为非经济运行区；在50%~75%额定负荷区，为一般经济运行区；在75%~100%额定负荷区，为经济运行区。

3.5 结垢积灰对加热炉热效率的影响

加热炉结垢积灰会导致加热炉受热面导热系数大大降低，影响传热效果，导致排烟温度升高，降低加热炉热效率。加热炉盘管结垢主要与其传热介质有关，真空加热炉的传热介质一般采用蒸馏水。烟道积灰主要与其燃料气有关，燃料气内杂质过多则极易导致烟道积灰。

4 提高热效率的措施

4.1 合理优化加热炉运行负荷

当加热炉负荷在100%以内时，其热效率与负荷成正比关系，因此为了提高加热炉热效率应避免加热炉超负荷运行，同时最好能把加热炉负荷控制在75%~100%的经济运行区域内。针对1号集气站2号加热炉负荷过低的情况，可以把2号炉d井进炉管线与1号炉预留管线通过一根跨线连接，用1号炉来满足d井的换热需求。在正常生产时2号加热炉就可以停运，同时还可以提高1号炉的负荷到92%，在减少自用气消耗的同时还提高了加热炉的热效率。

图4 加热炉优化运行示意图

4.2 及时清理火筒受热面上的烟灰和水垢

由于烟灰的导热系数为0.07~0.12kW /(m·K )，水垢的导热系数为1.28~3.14 kW /(m·K )，而钢材的导热系数为35.6~50.6 kW /(m·K )，大约是烟灰的463倍，水垢的19.5倍，这样一来，假如加热炉在运行中，受热面上的烟灰和水垢不及时清理，传热阻力将大大增加，造成排烟温度升高。因此应该及时清理火筒受热面上的烟灰和水垢。

4.3 有效利用烟气余热

由于烟道内的烟气也具有较高的温度，一般都在200℃以上。而目前徐深气田所使用的真空加热炉的燃料气，均通过加热炉换热盘管加热后再进入燃烧器前，而这部分热量不算作加热炉有效输出热量，因此燃料气的换热降低了加热炉的热效率。如果在加热炉烟道内加入燃料气换热盘管，就可以利用烟气余热为燃料气伴热，在满足需求的同时提高加热炉热效率。