传统水套式加热炉温度自控装置的研制与应用

付颖 （中国石油辽河油田公司金马油田开发公司）

传统水套式加热炉温度自控装置的研制与应用

付颖 （中国石油辽河油田公司金马油田开发公司）

为了使传统水套式加热炉燃烧稳定，实现油田加热炉的高效运行，节气挖潜，针对海外河油田天然气气压不稳等问题，进行加热炉温度自控装置的研究。通过以膨胀系数较高的特种导热油作为内部介质，利用感温器检测温度的变化，从而使其容积发生相应变化，来调控弹簧阀门进行燃料气流量的控制，实现加热炉的稳定燃烧。在金马海外河油田现场试验应用后，加热炉温度控制在设定温度±3℃以内，加热炉热效率提高了8%，节气效果明显。

传统水套式加热炉；温度自控装置；介质；测试；效率

引言

海外河油田属于普通稠油区块，1989年投入开发，随着油田开发的深入，天然气产量逐步下降，而需求量又逐步上升，在温度、风力、油井产液量等变化影响下，该区目前天然气供不应求且气压不稳。

传统的水套式加热炉主要由水套、火筒、火嘴和加热盘管等部分组成。其工作原理是首先由火筒烟管内的烟气对其周围的水进行加热，然后热水对盘管内的介质进行水浴加热，提升盘管内介质的温度，以便外输[1]。而老式的加热炉火嘴自动化程度低，需要人工根据经验手动调节阀门控制火嘴的供气量，来调整加热介质的出口温度[2]。目前海外河油田加热炉使用的气源主要是油井自产的伴生气，气压变化较大（0.05～0.2 MPa），而巡井制度规定每4h正常巡井1次（图1）。这样，经常会因气压变化来不及调整，造成加热炉炉火忽高忽低。炉火变大，就会使炉子内部加热温度过高，导致原油易结焦，对加热炉造成损害，同时也降低加热炉运行热效率，浪费燃料，严重了还会烧穿炉管引发安全事故；炉火变小，就会使炉子燃烧不充分，达不到规定温度，输油阻力大，造成外输离心泵抽空等状况发生，容易损坏外输离心泵[3]。同时，炉火不稳定还容易使炉子产生积炭，气压太小时炉火易熄灭；如果重新点炉火，容易发生闪爆。

图1 海外河油田天然气压力变化

1 自动温度控制器

1.1结构

选择膨胀系数高的介质，利用温度造成的容积变化来调控弹簧阀门，开大或关小阀门，实现自动温控（图2）。

图2 自动温度控制器结构

1.2膨胀介质

当介质通过感温器感受到温度变低时，介质体积变小，在复位弹簧组的作用下，阀芯与阀体之间的天然气流通面积变大，送气量变大，加热炉出口温度回升；温度升高时，盒内的介质体积变大，在复位弹簧组的作用下，阀芯与阀体之间的天然气流通面积变小，送气量变小，加热炉出口温度下降。设计出该装置后，在材质的选择上，根据介质的常熟性，制定了PDPC决策法，按照PDPC法进行了实验（图3）。

图3 加热炉温度自动控制在设定温度PDPC过程决策图

1）选用水银作为介质，经过5次测试，受物性影响，水银感应太快，平均3 s即开始调整，易对内部机械装置造成损伤；同时，调控次数多，对各部件损害较大，结论不成功。

2）选用酒精作为介质，经过5次测试，受物性影响，在标准大气压下，酒精的沸点为78℃；如果超过这个温度，将会沸腾，结论不成功。

3）选用煤油作为介质，经过8次测试，受物性影响，煤油的比热比水银大得多，反应不够灵敏，仅仅适合于精度要求不高的场合，结论不成功。

4）选用导热油作为介质，导热油温、黏度系数小，抗氧化，挥发性小，对金属无腐蚀，膨胀系数较大。经过10次测试，感应相对平缓，平均为10～12 s即开始调整，适合生产需要。该装置在海8#站的1台已停用的计量加热炉上进行了试验，能保持炉子温度控制在设定范围之内。结论成功，此方案可采用。

通过对上述4个方案进行试验并对比分析证明，利用导热油容积变化符合设计的目标，达到自动控温的效果。

2 现场试验

将温度控制装置尺寸设计如下：上座外径76 mm，高130 mm；内部介质盒外径55 mm，长度20 mm；传动杆外径7.5 mm，长度55 mm；压力弹簧材质选择弹性指数为114的62Si2MnA（优质62硅2锰）。

在海11#站600 kW加热炉和海1#站960 kW加热炉上安装并进行试验。设定加热炉温度控制在±5℃以内，通过监测，温度能够控制在设定温度±3℃以内（表1）。

表1 天然气压力与加热炉出口温度对比数据

从表1可以看出，气压在0.05～0.2 MPa之间无规律波动，但温度上下变化不超过3℃。由此可以认定，在天然气气压仍然波动的情况下，实现加热炉温度控制在设定温度的±3℃以内，达到设定温度控制在±5℃以内的工作目标。

同时，对海11#站50×104kcal加热炉进行了自动稳控装置安装前后正反平衡测试（表2）。通过热工正反平衡测试计算，得出加热炉应用温度自动控制装置后，平均正平衡热效率提高了8%，节能率提高了17.1%。

3 经济效益

1）创效。实施后，2台加热炉节气7.23× 104m3，按每立方米气0.52元计算，年可节约成本3.8万元；减少了因天然气压力不稳而造成的安全隐患和间接发生的修泵、炉成本费用和人工费用2万元，合计5.8万元。

2）投入费用。按单套温控器0.3万元计算，2台投入资金0.6万元，试验费用0.5万元，合计1.1万元。

3）年经济效益4.7万元。经济效益可由下式求得：

式中：E为经济效益，万元；Ni为节约i种成本的数量；Ci为第i种成本的定额，万元；I为投资，万元。

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.04.002

付颖，工程师，2000年毕业于大庆石油学院（石油与天然气开采专业），从事质量管理、标准化管理工作，E-mail：lhjmfy@sina. com，地址：辽宁省盘锦市兴隆台区金马油田开发公司技术监督中心，124010。

中国石油天然气股份有限公司重大科技专项“低碳关键技术研究”（2011E24）